近日，荷蘭特溫特大學(University of Twente Enschede)的Alexandru Savca, Reza Azizighalehsari和Prasanth Venugopal等人，利用輸力強 Echemlab XM的HV 100V 高壓模塊結合交流阻抗(EIS)進行了模組級別鋰離子電池的SoH診斷，這為模組級別的SoH快速診斷提供了新思路。

摘要

隨著動力電池的快速發展，退役動力電池的梯次利用日益變得非常重要。因此，動力電池模組級別健康狀態(SoH)的測試和分級成為模組重組和二次利用的關鍵步驟。電化學交流阻抗(EIS)作為一種強大而有效的工具，能夠快速的進行SoH測試。利用等效電路進行擬合抽取相應組份。推斷出單個電池在整個模組中的貢獻。 電荷轉移電阻，雙電層電容和歐姆阻抗等可以通過等效電路進行反映。歐姆阻抗與電荷轉移阻抗與電芯和模組的SoH狀態高度相關。

理論基礎

EIS 等效電路模型

Fig 1. 鋰離子電池的EIS阻抗等效電路模型

Fig 2. 鋰離子電池老化圈數與EIS響應曲線

實驗步驟及裝置

實驗步驟

    A.  分別進行6個新電池(100% SoH)的阻抗測試，

    B.  6個電芯的串聯阻抗測試，100% SoC 下進行測試。

    C. 6個電池老化到93% SoH并進行阻抗測試。隨后，進行等效電路擬合 。

    D.  建立等效電路，并獲取相應參數

    E.  對比電芯和模組等效電路相應的參數

    F.  分析每個電芯對模組的影響

    G. 比較不同SoH的等效電路模型中的參數

    H. 對比新電芯，老化電芯和模組

     I.  分析對SoH敏感的參數

實驗裝置

·       所用Solartron Echemlab XM 具有以下特點

·       高達100V電壓，可滿足電芯及模組測試需求

·       標配4個輔助分壓模塊，模組及單體同步測試

·       高精度交流阻抗功能，有效區分不同SoH下的差異性

·       快速多波EIS，可進行動態交流阻抗測試

·       可選配多種型號放大器，可滿足低阻抗測量要求

Fig 3. Solartron Echemlab(HV 100V) 測試示意圖

電池及模組

?松下NCR 18650 電芯，6個新的電芯，7個老化后的電芯

?老化后的電池，循環次數及使用狀態未知

?容量2750mAh, 電壓范圍3.2V-4.2V

?3.2V 為0% SoC, 4.2V 為100 % SoC 

?溫度20℃

?將6個電芯焊接串聯為模組（如Fig 4）

?電芯及模組與電極線的連接非常重要，以確保結果可重復

?確保每個電芯之間的接觸電阻恒定不變

?使用相同的連接片 

Fig 4. Echemlab 與電池組(6個電芯串聯) 測試示意圖

EIS 的參數設置

對于低阻樣品，通常使用GEIS進行測試，交流振幅的大小為50mA，

建議基于以下標準，進行GEIS交流振幅大小的選擇，即通過內阻估算產生交流電壓信號>1mV。

23m? · 50mA = 1.15mV 

頻率范圍20KHz-20mHz，

Fig 5.  6節串聯電池組100 mA 交流電流擾動下，2mHz時的激勵信號水平

Fig 6. 六節串聯電池模組在100mA激勵信號水平下2mHz的FFT和THD

Fig 7. 六節串聯電池模組在100mA激勵信號水平下10 mHz的FFT和THD

2mHz 和10mHz 時 THD 百分比分別為 6.5% 和 5.7% 。THD(Total Harmonic Distortion，總諧波)水平顯示，在整個頻率范圍內，AC 電流和EIS結果呈線性。 

等效電路選擇

Fig 8. 典型的鋰離子電池模型

Fig 9 本文所選用的等效電路模型

結果分析和討論

對老化后的電池進行容量測試，以了解電池的SoH狀況，并與100% SoH電池進行對比如Fig 10, SoH的范圍在95%-99%。

Fig 10 老化的電池與新電池對比

并對比了不同老化狀態和新電芯的交流阻抗(EIS)，如Fig 11和12。每個圖譜都展現出三個典型的阻抗響應區域，即電感，電容(兩個半圓)和擴散區域。老化后電池阻抗曲線向右移動，歐姆電阻增大。這可以歸結為電解質分解導致電池的內阻隨時間增大。此外，老化電池的半徑(Rct電荷轉移阻抗)也在增大。隨著電池的老化，SEI膜厚度變大，增大了鋰離子擴散的阻力，降低了擴散速率。

 Fig 11. 新電芯100% SoC下的EIS 

Fig 12 老化后的電芯100% SoC下的EIS