交流阻抗应用 | 模组级别锂离子电池的健康状态(SoH)评估
近日,荷兰特温特大学(University of Twente Enschede)的Alexandru Savca, Reza Azizighalehsari和Prasanth Venugopal等人,利用输力强 Echemlab XM的HV 100V 高压模块结合交流阻抗(EIS)进行了模组级别锂离子电池的SoH诊断,这为模组级别的SoH快速诊断提供了新思路。
摘要
随着动力电池的快速发展,退役动力电池的梯次利用日益变得非常重要。因此,动力电池模组级别健康状态(SoH)的测试和分级成为模组重组和二次利用的关键步骤。电化学交流阻抗(EIS)作为一种强大而有效的工具,能够快速的进行SoH测试。利用等效电路进行拟合抽取相应组份。推断出单个电池在整个模组中的贡献。 电荷转移电阻,双电层电容和欧姆阻抗等可以通过等效电路进行反映。欧姆阻抗与电荷转移阻抗与电芯和模组的SoH状态高度相关。
理论基础
EIS 等效电路模型
Fig 1. 锂离子电池的EIS阻抗等效电路模型
Fig 2. 锂离子电池老化圈数与EIS响应曲线
实验步骤及装置
实验步骤
A. 分别进行6个新电池(100% SoH)的阻抗测试,
B. 6个电芯的串联阻抗测试,100% SoC 下进行测试。
C. 6个电池老化到93% SoH并进行阻抗测试。随后,进行等效电路拟合 。
D. 建立等效电路,并获取相应参数
E. 对比电芯和模组等效电路相应的参数
F. 分析每个电芯对模组的影响
G. 比较不同SoH的等效电路模型中的参数
H. 对比新电芯,老化电芯和模组
I. 分析对SoH敏感的参数
实验装置
· 所用Solartron Echemlab XM 具有以下特点
· 高达100V电压,可满足电芯及模组测试需求
· 标配4个辅助分压模块,模组及单体同步测试
· 高精度交流阻抗功能,有效区分不同SoH下的差异性
· 快速多波EIS,可进行动态交流阻抗测试
· 可选配多种型号放大器,可满足低阻抗测量要求
Fig 3. Solartron Echemlab(HV 100V) 测试示意图
电池及模组
•松下NCR 18650 电芯,6个新的电芯,7个老化后的电芯
•老化后的电池,循环次数及使用状态未知
•容量2750mAh, 电压范围3.2V-4.2V
•3.2V 为0% SoC, 4.2V 为100 % SoC
•温度20℃
•将6个电芯焊接串联为模组(如Fig 4)
•电芯及模组与电极线的连接非常重要,以确保结果可重复
•确保每个电芯之间的接触电阻恒定不变
•使用相同的连接片
Fig 4. Echemlab 与电池组(6个电芯串联) 测试示意图
EIS 的参数设置
对于低阻样品,通常使用GEIS进行测试,交流振幅的大小为50mA,
建议基于以下标准,进行GEIS交流振幅大小的选择,即通过内阻估算产生交流电压信号>1mV。
23mΩ · 50mA = 1.15mV
频率范围20KHz-20mHz,
Fig 5. 6节串联电池组100 mA 交流电流扰动下,2mHz时的激励信号水平
Fig 6. 六节串联电池模组在100mA激励信号水平下2mHz的FFT和THD
Fig 7. 六节串联电池模组在100mA激励信号水平下10 mHz的FFT和THD
2mHz 和10mHz 时 THD 百分比分别为 6.5% 和 5.7% 。THD(Total Harmonic Distortion,总谐波)水平显示,在整个频率范围内,AC 电流和EIS结果呈线性。
等效电路选择
Fig 8. 典型的锂离子电池模型
Fig 9 本文所选用的等效电路模型
结果分析和讨论
对老化后的电池进行容量测试,以了解电池的SoH状况,并与100% SoH电池进行对比如Fig 10, SoH的范围在95%-99%。
Fig 10 老化的电池与新电池对比
并对比了不同老化状态和新电芯的交流阻抗(EIS),如Fig 11和12。每个图谱都展现出三个典型的阻抗响应区域,即电感,电容(两个半圆)和扩散区域。老化后电池阻抗曲线向右移动,欧姆电阻增大。这可以归结为电解质分解导致电池的内阻随时间增大。此外,老化电池的半径(Rct电荷转移阻抗)也在增大。随着电池的老化,SEI膜厚度变大,增大了锂离子扩散的阻力,降低了扩散速率。
Fig 11. 新电芯100% SoC下的EIS
Fig 12 老化后的电芯100% SoC下的EIS
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