新一代电池储能系统的创新 EIS 解决方案

EIS 简介

对电化学系统（如电池单体、燃料电池或电解槽）在不同频率下的内阻进行分析，称为电化学阻抗谱（EIS）。 借助这种测量技术，例如，可以在充电或放电条件下对电池单元、模块和电池组进行测试，以观察电池在受力时的行为和化学过程。 当对1C或多倍C倍率的电池在较高电压和充电电流下进行测试时，该技术也被称为在线阻抗谱或大功率电化学阻抗谱。

EIS 测量模式

这种电化学阻抗谱技术会产生特定频率的电流激励，并测量电压响应（恒流模式）；或者，它会产生电压激励，并测量电流响应（恒电位模式）。 恒流模式可确保测量过程中电池的荷电状态（SoC）不会发生漂移，因此更适用于电池单体。通过电压和电流读数，可以计算出复阻抗。

相移和阻抗的影响

电压响应的时间滞后会导致在频率测量过程中，电压相对于电流激励产生相位延迟。这种相位偏移导致了具有实部和虚部的复阻抗。 阻抗仅针对线性系统定义。尽管如此，如果非线性系统（如电池）的阻抗可近似为线性且时不变（即 线性时不变（LTI）条件），这意味着在测量过程中，复阻抗是线性的且随时间不变，或者至少非常接近线性且随时间几乎不变；通常在满足以下要求（及其他要求）时，情况便是如此：

• 在一次测量过程中，电池的温度不会发生太大变化。
• 在一次测量过程中，开路电压 (OCV) 不会发生太大变化。

实际挑战和解决方案

实际上，电池的温度会因充放电电流而发生变化，而开路电压（OCV）则取决于电量状态（SoC）和温度。随着这些因素的变化，开路电压的变化也是不可避免的。

不过，在每次测量后对 SOC 和电池温度进行准确和重复的测量，有助于评估这些变化对阻抗测量的质量和准确性的干扰程度。

有效环境影响评估的技术考虑因素

电流激励的振幅应足够低，以免影响电池的行为，但又应足够大，以便根据所用数据采集系统的信噪比（SNR）提供足够的电压响应。 这意味着DAQ系统必须具有非常好的信噪比（SNR），才能测量毫伏（mV）范围内的微弱电压响应信号。例如，对于整个电池组而言，最值得关注的频率范围在 10 mHz 到 2 kHz 之间。 然而，对于电池单体、燃料电池堆和电解槽，常见的频率范围为1 mHz至10 kHz（有时可达20 kHz）。例如，在扫频或多正弦波测量中，每十年为10个步长。

EIS 数据可视化

测量了几个频率后，可以在特征奈奎斯特图中绘制复阻抗，其中Y轴为-Zimg，X轴为Zreal。该XY坐标图中的每个点代表一个频率的测量结果。另一种常见的可视化方式是波德图。 在该图中，X轴为对数频率，Y轴同时显示阻抗的绝对值和相位移。

通过 EIS 进行高级诊断

检查线性度：在进行质量检查时，将施加的正弦电流信号绘制在X轴上，将电压响应信号绘制在Y轴上，会很有帮助。由于激励信号与响应信号存在相位差，绘制出的图形将呈椭圆形。该图也称为“利萨茹图”。

另一种验证系统线性的方法是绘制激励信号和相应响应信号的FFT谱图。当系统为非线性时，响应信号的频谱中将包含激励信号的高次谐波。 可以通过谐波的幅值和数量来评估这种非线性是否会影响阻抗测量的质量和精度。一个更易于检查的参数是总谐波失真（THD），它反映了谐波对信号的失真程度，即谐波成分对基频的影响程度。

如何测量高电位上的阻抗信号

• 电流和电压信号必须在高电位下同步记录。
• 新型 EIS 信号测量卡（Q.系列 X A193）可提供最佳信号质量

一体化 EIS 解决方案

Gantner Instruments 的一体化 EIS 解决方案具有坚固耐用的设计和先进的技术特性，可满足电化学阻抗光谱 (EIS) 的要求。 该系统包括一个高性能 Q.series X A193 模块，专为大功率和工业应用而设计，具有信号放大和偏移测量功能，可提高阻抗测量的灵敏度和选择性。 电压测量范围大，电流测量灵活，并具有强大的电隔离功能，可确保在包括整个电池组在内的各种应用中采集到准确可靠的数据。 同步信号采集可保持数据的一致性和准确性，利用锁定功能隔离特定的信号频率和相位，这对于在嘈杂环境中检测微弱信号至关重要。 该系统频率范围宽广，从 1 mHz 到 10 kHz，采用模块化配置，最多可扩展至 128 个 EIS 通道，适合各种电化学测试要求。 全面的数据可访问性和实时可视化工具（包括奈奎斯特图和 Bode 图）有助于进行详细分析和即时反馈。 先进的连接选项（如开放式 API 和 EtherCAT 接口）可确保与现有电力系统和自动化设置无缝集成。 高隔离热电偶输入、温度测量通道和用于热管理的空气导流板等附加功能进一步提高了系统性能和可靠性，使 Gantner 的 EIS 解决方案成为优化电池、燃料电池和电解槽的全面而高效的工具。

技术特点 Q.series X A193

• DAQ 模块 A193
  • 同类最佳的同步和信噪比
  • 4 个电压输入 +/-5 V，100 kHz
  • 1 电流测量输入（+/-5 V，100 kHz）
  • 800 伏直流通道对通道、通道对电源和通道对总线
• 模拟/数字转换
  • 分辨率：24 位
  • 采样率每通道 100 千赫
  • 逐个采样的 sigma-delta 完全同步
  • 数字滤波器无限脉冲响应 (IIR)、低通、高通、巴特沃斯或贝塞尔（2、4、6 或 8 阶），频率范围 0.1 Hz 至 10 kHz（可通过软件调节）
  • 平均值：可根据所选数据传输速率进行配置或自动配置

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EIS 在大功率电解槽堆栈监测中的应用

本案例研究探讨了Gantner Instruments公司先进的多通道电化学阻抗谱（EIS）技术在监测和优化大功率电解槽堆栈方面的实际应用，不仅深入剖析了我们的创新方法，还详细介绍了所应对的挑战以及取得的令人瞩目的成果。 通过先进的EIS技术，获取有关优化电解槽性能并延长其使用寿命的宝贵知识。