新一代电池储能系统的创新 EIS 解决方案

EIS 简介

对电池、燃料电池或电解槽等电化学系统在不同频率下的内阻进行分析，称为电化学阻抗谱（EIS）。 利用这种测量技术，可以在充电或放电条件下对电池单元、模块和电池组等进行测试，以了解电池受压时的行为和化学过程。 这也被称为在线阻抗谱或高功率电化学阻抗谱，在 1 或多个 C 率电池的情况下，在更高的电压电位和充电电流下进行。

EIS 测量模式

这种电化学阻抗光谱技术可产生一定频率的电流激励，并测量电压响应（静电模式）。 此外，它还能产生电压激励并测量电流响应（静电电位模式）。 静电模式可确保 SoC 在测量过程中不会漂移，因此是电池单元的首选。 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

在频率测量过程中，电压响应的时滞会导致电压与电流激励的相位延迟。 这种相移会产生一个具有实部和虚部的复阻抗。 阻抗只适用于线性系统。 不过，如果非线性系统的阻抗可以近似为线性和时间不变（即线性-时间不变 LTI 条件），即复阻抗是线性的，在测量过程中不会随时间发生变化，或者至少非常接近线性，几乎不会随时间发生变化，那么就可以将其作为电池应用于非线性系统：

• 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，电池的温度会因充电或放电电流而改变，而 OCV 则取决于充电状态（SoC）和温度。 随着它们的变化，OCV 的变化也不可避免。

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

电流激励的幅值应足够小，以免影响细胞的行为，但又要足够大，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，才能测量毫伏范围内最微小的电压响应信号。 例如，对整个电池组而言，最重要的频率介于 10 mHz 和 2 kHz 之间。 不过，对于电池、燃料电池堆和电解槽来说，常见的频率范围是 1 mHz 至 10 kHz（有时高达 20 kHz）。 例如，扫频或多正弦测量，每 10 年 10 步。

EIS 数据可视化

在测量多个频率后，可以在奈奎斯特特征图中绘制复阻抗，其中 -Zimg 在 Y 轴上，Zreal 在 X 轴上。 XY 图中的每个点都是一个频率的结果。 另一种常见的可视化方法是 Bode 图。 阻抗的对数频率在 X 轴上，阻抗的绝对值和相移在 Y 轴上。

通过 EIS 进行高级诊断

检查线性度：为了检查质量，最好在 X 轴上绘制正弦电流信号，在 Y 轴上绘制电压响应信号。 由于激励和响应不同步，结果将是一个椭圆形。 这一情节也被称为 “利萨如图”。

检查系统线性度的另一种方法是绘制激励信号和相应响应信号的 FFT 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谐波。 谐波的振幅和次数可用来评估这种非线性是否会影响阻抗测量的质量和准确性。 一个更容易检查的参数是总谐波失真（THD），它是衡量谐波对信号失真程度的指标。 这意味着谐波内容对基频的影响程度。

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 先进的多通道电化学阻抗光谱 (EIS) 技术在监测和优化大功率电解槽堆方面的实际应用，深入剖析了我们的创新方法，并详细介绍了所面临的挑战和取得的令人印象深刻的成果。 通过先进的 EIS 技术，获得优化电解槽性能和延长其使用寿命的宝贵知识。