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