交流阻抗應用 | 模組級別鋰離子電池的健康狀態(SoH)評估

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 高壓模組結合交流阻抗(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透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並進行阻抗測試。隨後，進行等效電路擬合 。

D. 建立等效電路，並獲取相應引數

E. 對比電芯和模組等效電路相應的引數

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引數

H. 對比新電芯，老化電芯和模組

I. 分析對SoH敏感的引數

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個輔助分壓模組，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個老化後的電芯

•老化後的電池，迴圈次數及使用狀態未知

•容量2750mAh, 電壓範圍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線非常重要，以確保結果可重複

•確保每個電芯之間的接觸電阻恆定不變

•使用相同的連線片

Fig 4. Echemlab 與電池組(6個電芯串聯) 測試示意圖

EIS 的引數設定

對於低阻樣品，通常使用GEIS進行測試，交流振幅的大小為50mA，

建議基於以下標準，進行GEIS交流振幅大小的選擇，即透過內阻估算產生交流電壓訊號>1mV。

23mΩ · 50mA = 1.15mV

頻率範圍20KHz-20mHz，

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

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

Fig 7. 六節串聯電池模組在100mA激勵訊號水平下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，在整個頻率範圍內，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

對老化後的電池進行容量測試，以瞭解電池的SoH狀況，並與100% SoH電池進行對比如Fig 10, SoH的範圍在95%-99%。

Fig 10 老化的電池與新電池對比

並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。老化後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 老化後的電芯100% SoC下的EIS

Fig 13 單個新電芯與串聯模組的EIS

Fig 14 單個老化的電芯和串聯模組的EIS

為了評估每個電芯在模組中的EIS貢獻，如Fig 13和Fig 14 ，並利用Zview 進行等效電路的擬合，進行內阻(Rs), SEI 阻抗(RSEI ), SEI 電容(CSEI ), 電荷轉移電阻(Rct), 雙電層電容(Cdl)和電感受裝置和電池連結影響。各引數擬合結果如Table 1和Table 2 所示。

由Table 1和Table 2 的引數顯示出，Rs和Rct 與SoH高度相關的性。 雙電層電容未表現出與SoH變化的明顯相關性。如Fig 15 和Fig 16所示。Rct 顯示出更高的靈敏度，意味著Rct可以檢測出電芯及模組非常微小的SoH變化。

Fig 15 新/老化電芯與模組的Rs對比

Fig 16 新/老化電芯與模組的Rct對比

結論

本文中，利用輸力強Echemlab XM測試系統對新的及老化電芯和模組進行EIS 測試，評估了單個電芯對模組EIS的貢獻。並透過FFT和THD檢查了激勵訊號水平選擇是否合適。單個電芯的Rs, Rct和Cdll準確反映在模組的EIS測試結果中，幾個引數的誤差分別為 1%, 4.77% 和1.5% 。此外，對比了新的和老化模組的SoH ，並評估出敏感的影響元素。老化後電芯相比新電芯，Rs相比增加12%， Rct 相比增加32.8%，對於SoH更敏感，可以檢測非常微小的SoH變化。結果顯示，EIS可用於準確測試鋰離子電池模組，並透過等效電路擬合分析Rs，Rct和Cdll等關鍵引數

參考文獻

1) . Application of Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) on Module Level Li-

ion Batteries for Echelon Utilization, Alexandru Savca, Reza Azizighalehsari, Prasanth Venugopal Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science(EEMCS), University of Twente Enschede, The Netherlands

2). Electrochemical impedance correlation analysis for the estimation of Li-ion battery state of charge, state of health and internal temperature, Kieran Mc Carthy, Hemtej Gullapalli , Kevin M. Ryan, Tadhg Kennedy, Journal of Energy Storage 50 (2022) 104608

https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104608