在一定程度上，電動汽車上的電池也是其致命弱點。電動車的終極目標(biāo)是確保足夠的駕駛范圍，避免因電池過早退化而縮短行駛里程。準(zhǔn)確診斷電池的狀態(tài)可以顯著提高其長期可靠性。

因此，盡早發(fā)現(xiàn)電池容量下降、內(nèi)部短路等問題，以避免故障并延長電池壽命是非常重要的。特定的維護(hù)措施也至關(guān)重要，以確保電池在最佳效率下運行。在充電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)方面的準(zhǔn)確估算可以幫助減少電池單元的壓力和磨損，從而提高整體性能。最后，通過利用特定算法和數(shù)據(jù)分析，可以確定電池的剩余使用壽命(RUL)，從而實現(xiàn)最佳資源分配和規(guī)劃。

簡而言之，準(zhǔn)確掌握電池的狀態(tài)將使操作員能夠做出改善性能和最大化電池壽命的決策。

新的診斷方法

仔細(xì)診斷電動汽車電池的狀態(tài)是其高效運行和管理的必要步驟。位于韓國大田的韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)的一組研究人員開發(fā)了一種新技術(shù)，可以僅通過低電流系統(tǒng)準(zhǔn)確診斷和監(jiān)測電池狀態(tài)，這有助于最大化電池的長期穩(wěn)定性和效率。

由KAIST電氣工程學(xué)院的權(quán)景河教授和李相國教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了電化學(xué)阻抗譜(EIS)技術(shù)，這對提高電動汽車高容量電池的穩(wěn)定性和性能至關(guān)重要。

EIS是一種評估電池SOC和SOH的強大工具。該方法基于對電池阻抗值及其變化的測量，從而評估電池效率和損耗。電池阻抗是電流在電池內(nèi)流動時的阻力測量，用于估算電池性能和狀態(tài)。

此外，這種新方法還可以確定熱特性以及化學(xué)和物理變化;預(yù)測電池壽命;并找出故障的根本原因。

電池單元的參數(shù)

EIS通過對電化學(xué)單元施加小的交流(AC)信號，并測量疊加在電池直流(DC)電壓上的交流電壓響應(yīng)來工作。通過分析不同頻率下的阻抗，可以深入探討單元的性能，如電荷轉(zhuǎn)移電阻、雙電層電容、擴(kuò)散過程等，這些都影響著電池單元的電化學(xué)反應(yīng)效率。阻抗曲線圖是通過將其實部顯示在X軸上，虛部顯示在Y軸上構(gòu)建的。在理想情況下，阻抗譜由一系列特征組成，每個特征與整個電化學(xué)機制內(nèi)的單個基本過程相關(guān)聯(lián)(見圖1)。

實際上，完整的電池單元經(jīng)歷來自兩個電極和電解質(zhì)建模單元的不同基本過程。這些過程在實踐中非常難以從單一測量譜中分離出來。實際上，在實際測量中，許多這些個體特征重疊，明確解耦它們是一項艱巨的工作。這在圖2中得到了體現(xiàn)，某些特征缺失或被掩蓋。

電池單元電化學(xué)過程的關(guān)鍵步驟可以總結(jié)如下：

電解質(zhì)傳輸：離子在電解質(zhì)中從一個電極穿梭到另一個電極。

離子擴(kuò)散：離子在電極和電解質(zhì)內(nèi)擴(kuò)散。

電荷轉(zhuǎn)移：電子在電極-電解質(zhì)界面上轉(zhuǎn)移。

電極反應(yīng)：在電極上發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，涉及電子和離子的轉(zhuǎn)移。

離子遷移：在反應(yīng)過程中，離子通過電解質(zhì)遷移以平衡電荷。

電荷轉(zhuǎn)移電阻是指在電極與電解質(zhì)界面上，電子轉(zhuǎn)移過程中遇到的阻力。在阻抗光譜中，它對應(yīng)于中頻區(qū)域，從幾十分之一赫茲到幾百赫茲，并呈現(xiàn)半圓形。

雙電層電容表示電極與電解質(zhì)界面之間的電容。由正離子和電子在電極表面形成的雙電層像電容器一樣影響電荷轉(zhuǎn)移和電池電化學(xué)反應(yīng)的效率以及電池性能。電容越大，電池儲存電荷的能力越強。

最后，擴(kuò)散是指離子因電極表面與體相電解質(zhì)之間的濃度梯度而移動的現(xiàn)象。有效的擴(kuò)散過程保持穩(wěn)定的反應(yīng)速率，避免濃度極化，這可能會阻礙電池的性能。該步驟在阻抗光譜中可以被可視化為低頻下的一條直線，低于幾十分之一赫茲。

在高頻區(qū)域，阻抗光譜形成與X軸相交的小曲線。這是電池電感和歐姆電阻的指示。

新的EIS系統(tǒng)

傳統(tǒng)的EIS設(shè)備基于高電流激勵和離芯組件，價格昂貴且復(fù)雜，使得部署、操作和維護(hù)變得困難。由于強迫幾安培的電流進(jìn)入電池可能引發(fā)顯著的電氣應(yīng)力，從而增加電池故障或起火的可能性，敏感性和精度限制使問題更加嚴(yán)重，從而使實際使用變得麻煩。

為了避免這些結(jié)果，KAIST研究團(tuán)隊開發(fā)并調(diào)試了一種低電流EIS系統(tǒng)，用于診斷高容量電動車電池的狀態(tài)和健康。這種EIS系統(tǒng)可以在電流擾動在十毫安范圍內(nèi)的情況下精確測量電池阻抗，最小化測量階段的熱效應(yīng)和安全問題。

顯然，這種新設(shè)備應(yīng)該足夠緊湊且具有成本效益，以便能夠集成到車輛的電池管理系統(tǒng)(BMS)中，正如韓國研究人員所做到的那樣。該系統(tǒng)在識別經(jīng)歷不同操作條件的電池的電化學(xué)特征方面被證明是適用的，包括不同的溫度和SOC水平。

權(quán)教授解釋道，這種系統(tǒng)不僅可以輕松集成到電動汽車的BMS中，而且還能夠進(jìn)行精確測量，同時與以往的高電流EIS設(shè)置相比顯著降低成本和復(fù)雜性。由于其新穎特性，低電流EIS技術(shù)還可以用于監(jiān)測能源存儲系統(tǒng)(ESS)。

EIS的實施與結(jié)果

Lee等人撰寫的一篇文章介紹了一種針對高容量電動車電池優(yōu)化的EIS系統(tǒng)，支持高測量精度、最小電流擾動和短測量時間。該系統(tǒng)嵌入了切換電阻高通濾波器，以阻止電池的DC電壓并緩解濾波器失配。低噪聲放大器以極低的失真放大交流電壓響應(yīng)，模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器以高精度采樣放大信號。它還具有數(shù)字鎖相放大器，可以在特定頻率下計算阻抗，使用兩個并聯(lián)的數(shù)字低通濾波器(LPFs)以抑制頻率偽影(不必要的頻率成分)。基本上，LPF的截止頻率僅允許低頻成分通過，而頻率偽影通常頻率較高，被衰減，從而降低其幅度和影響。

EIS頻率范圍的選擇取決于特定電池及其操作條件、診斷算法和電池的擬合模型。對于70-Ah的待測電池，選擇了1 Hz至1 kHz之間的頻率帶，其中包含31個不同點，因此包括中頻半圓和高頻交點(見圖2以獲取一般情況);溫度范圍在0°C至45°C之間。如作者所述，這個頻率譜詳細(xì)說明了電荷轉(zhuǎn)移、內(nèi)部溫度、歐姆電阻、RUL、SOC和SOH等方面的細(xì)節(jié)。

該原型在高精度電阻器下實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)差小于10.4 μΩ的精確阻抗測量，并在70-Ah電池的1-Hz到1-kHz頻率范圍和20%至80% SOC范圍內(nèi)實現(xiàn)了小于14 μΩ的均方根誤差。這些發(fā)現(xiàn)證明了所提出的EIS模型在準(zhǔn)確評估和健康監(jiān)測大型電動車電池方面的有效性。

盡管該架構(gòu)適合擴(kuò)展，但在更復(fù)雜的電池配置中的有效性需要更深入的研究。在實際應(yīng)用中，將所提議的EIS系統(tǒng)集成到單個集成電路中，再與電池監(jiān)測電路結(jié)合，可以作為增強電動車和ESS的診斷和性能的基礎(chǔ)。基于單片和多電池測量能力的改進(jìn)對于支持新的服務(wù)商業(yè)模式至關(guān)重要。這可以看作是在改善電池動力車輛聲譽方面又邁出的一步。