基于电化学阻抗谱的锂电池过充电阻抗特性与检测方法研究

目前以锂电池为主的电化学储能单元及系统应用日益广泛,而锂电池在实际使用中频发因过充电滥用引发电池故障的情况,因此实际电池的过充电状态准确检测一直是该领域的难点和瓶颈问题。针对此,该文采用电化学阻抗谱技术对单体电池过充电行为及过程开展检测研究,在实验室设计并制定电池过充电模拟循环实验,利用弛豫时间分布法对锂电池阻抗特性进行分析;在获得电池阻抗特性的基础上,对电池弛豫时间分布曲线进行解析;最后筛选阻抗特征参量为模型输入量,构建支持向量机模型进行电池过充电检测。结果表明,弛豫时间分布曲线中的极化峰P1对应锂离子在固态电解质界面(solid electrolyte interphase,SEI)膜中的扩散过程、极化峰P2对应电子在正极材料中的扩散过程、极化峰P3对应锂离子在电极界面的氧化还原反应。过充电会导致电池欧姆内阻、SEI膜内阻与电荷转移电阻的增长速率最大为正常循环的266%、360%和182%,其中固态电解质界面SEI膜内阻为主要因素。电化学阻抗谱的阻抗特征参量以及支持向量机模型可以用于锂电池过充电检测,估计精度达93.24%。不仅可掌握电池的运行状态,还可对过充电进行有效辨识。

基于均匀相位采样提高阻抗谱测量精度的研究

周期性信号采样中,等效采样利用较低采样频率的A/D转换实现高频周期信号的采集,一定程度上弥补欠采样测量精度低的缺陷。为了有效地提高高频测量中阻抗谱测量精度与稳定性,提出一种基于等效采样思想的均匀相位采样的阻抗谱测量方法。利用单片机共时钟基准的模/数转换器(digital to analog convertor,DAC)与数/模转换器(analog to digital convertor,ADC)模块,在完成激励信号产生、输入输出信号同步采集的基础上,合理设计激励信号频率、采集频率与信号重构方法,实现高频信号单周期内均匀相位分布的等效高频采样,同时为克服常规A/D转换速度条件下难以准确实现高频阻抗谱测量的问题提供了新思路。从误差假设与拟合算法的角度,理论上分析证明了该方法降低误差的原因。并通过两种等效电路模型的阻抗谱测量对比实验,表明该方法在所设计的20~100 kHz高频段上,阻抗测量精度与稳定性得到了显著的提高。

基于SVR和电化学阻抗谱的锂电池内部温度在线估计

准确实时地监测锂电池内部温度对于预防电池热失控至关重要。然而,目前尚缺乏有效的在线监测电池内部温度的方法。基于小型化阻抗测试系统,对锂离子电池在不同温度和荷电状态(SOC)下进行阻抗测试实验,研究电池温度和SOC对阻抗的影响,寻找与温度强相关而与SOC弱相关的特征频率。在此基础上,提出了一种基于支持向量回归(SVR)算法的锂电池内部温度估计算法,无需额外传感器,实现对电池内部温度的无损准确估计。

基于宽频阻抗谱BIS的XLPE电缆绝缘电树枝缺陷定位方法

提出了一种改进的宽频阻抗谱BIS方法来定位XLPE电缆中的电树枝缺陷。进行了不同温度下的电树枝实验,以启动不同类型的电树枝。利用矢量网络分析仪测试了电树枝生长过程中的高频电容特性。采用改进的定位算法计算了含有不同类型电树枝缺陷的20m长电缆的定位谱,结果表明切片样品的电容随着电树枝的生长而减小。丛林状电树对电容参数的影响大于松枝状电树枝。在丛林状电树枝的定位谱中发现了一个典型的双峰,在松枝状电树枝的光谱中发现了单个峰。

基于生物阻抗谱技术注水肉检测系统参数配置研究

基于生物阻抗谱技术,猪肉为检测对象,完成了注水肉检测系统的方案设计、特征参数提取、特征参数评价与分析,最终获得注水肉阻抗谱检测系统中仪器的最优激励电源幅值和扫频范围等检测参数配置。

基于PT-PFM激励阻抗谱数字重构的电缆故障诊断定位

由于传统频谱测试仪器增益带宽积有限,高频区间内输出电压过低,在针对长距离电缆测试时信号衰减较为严重,导致阻抗谱在高频区间内存在一定失真问题。该文提出一种基于伪梯形波激励阻抗谱数字重构算法的电缆故障诊断定位算法。分析不同故障类型下电力电缆的局部故障阻抗对电缆输入阻抗谱的影响规律、首端激励电压信号的衰减特性和不同电压幅值的功率传输特性。设计一种基于Si C高速逆变器的大容量伪梯形励磁系统,用于测量最高频率7 MHz的阻抗谱信息,利用阻抗谱数字重构方法实现0.1 Hz~60 MHz宽频区间的全覆盖。与传统的低压正弦激励相比,采用该时空转换函数的定位结果具有更小的区间振荡和更快的收敛速度。缺陷定位精度提高了80%,验证了该方法的有效性和准确性。

基于EIS技术的低功耗猪肉细胞阻抗谱测试系统研究

现代肉类细胞阻抗谱检测技术是肉类细胞活性检测中一项新兴技术。该文通过对猪肉细胞组织进行分析,设计并仿真猪肉细胞阻抗谱检测电极,并用光刻技术进行电极的制作。向电极输入不同频率的激励来测试细胞阻抗谱,通过阻抗谱和猪肉的贮藏时间分析关联性,从而构建一个快速猪肉细胞新鲜度检测系统。同时,为增加便携式猪肉细胞检测设备的实用性,基于EIS技术对便携式设备的电池电化学阻抗谱中提取获得有关电池内部反应的信息,分析所得到的阻抗与频率之间的关系,揭示电池的各种性能参数,从而进行电池优化。

应用阻抗谱的锂电池模组早期内短路故障诊断

针对锂电池模组内部内短路故障单体诊断困难、检测效率低下的问题,提出应用电荷传递内阻和固体电解质界面膜内阻比值变化幅度的锂电池模组早期内短路故障诊断方法。所提方法基于电化学阻抗谱对内短路故障演化过程中锂电池内部电化学反应变化进行监测,利用弛豫时间分布方法针对阻抗谱特征进行量化分析。在阻抗谱由单体维度到模组维度正向推衍的基础上,筛选满荷电状态下电荷传递内阻和固体电解质界面膜内阻作为主要的评估指标,并根据阈值诊断模型搭建实验平台进行验证。实验结果表明:欧姆内阻和电荷传递内阻随着内短路故障程度的加深逐渐增大,固体电解质界面膜内阻整体呈现出逐渐减小的趋势;当模组电池数控制在8节以下时,通过阈值诊断模型对存在故障单体的模组识别准确率可以达到100%。通过对阻抗谱特征的精确辨识与分析,该方法能够有效实现锂电池模组早期内短路故障的准确诊断。

基于电化学阻抗谱的石灰石粉硬化水泥浆体孔结构演化研究

为了研究大掺量(质量分数为20%以上)石灰石粉硬化水泥浆体的孔结构演化行为,本文基于电化学阻抗谱(EIS)、压汞(MIP)测试分析,探究大掺量石灰石粉对硬化水泥浆体EIS拓扑结构和孔结构参数的影响规律,并建立大掺量石灰石粉硬化水泥浆体的微观结构等效电路,研究等效电路中元器件和孔结构参数之间的关系。结果表明:随水化龄期的延长,石灰石粉掺量对EIS拓扑结构参数中Bode角和θ_(max)的影响规律显著,大掺量石灰石粉硬化水泥浆体的孔径分布整体由大孔和毛细孔向过渡孔和凝胶孔发展演化;另外,EIS等效电路中电阻随硬化水泥浆体中毛细孔含量的增加而减小,电容随硬化水泥浆体中凝胶孔含量的增加而减小。

基于电化学阻抗谱及弛豫时间分布的锂电池异常识别与诊断

针对锂离子电池模组中单体电池的状态识别与诊断问题,基于电化学阻抗谱和弛豫时间分布曲线,引入仿射传播(AP)聚类算法进行电池模组异常识别,并与基于密度噪声鲁棒空间聚类(DBSCAN)算法进行对比,以10个正常样本、多个异常样本进行识别。结果表明,AP聚类算法在精度、鲁棒性、参数敏感性方面(数据重叠、密度不均等)表现得比DBSCAN算法更好。另外,引入极端梯度提升(XGBoost)回归器,在存储该电池对应的一定数据后,对同样电池进行识别时,直接通过XGBoost回归器进行电池异常诊断。结果表明,异常检出率为100%,异常种类识别准确率超过92%。最后,提出了包括数据收集、特征提取、识别诊断等关键环节的电池模组异常识别和诊断系统。

基于电化学阻抗谱的电池组不一致性诊断

电池组中的单体电池之间可能会存在温度、荷电状态、老化状态(容量和内阻)等不一致。由于“短板效应”的存在,不一致性将会影响电池组的整体性能发挥,及时准确地进行不一致性诊断非常必要。考虑到上述提及的不一致性会对电极过程特性产生影响,进而反映在电化学阻抗谱(EIS)和弛豫时间分布(DRT)上,本文在结合等效电路厘清几种不一致性对EIS和DRT的影响规律后,创新性地提出了一种基于EIS和DRT的电池组不一致性诊断方法。通过将异常电池混入一组一致性良好的电池中,对比分析了K-means、AP和DBSCAN等无监督聚类算法性能,结果表明DBSCAN诊断准确率为99.2%,可以实现电池组内单体电池不一致性差异的准确诊断。

太阳能电池阻抗谱测量方法及其应用进展

阻抗谱测量技术是研究太阳能电池的重要手段。该文首先对近几年提出的阻抗谱测量方法进行评述,分析各类方法的优缺点。通过对阻抗谱测量方法的研究,发现不同测量方法之间的差异主要体现在其效率、精度以及成本等方面。其次,分析阻抗谱在太阳电池故障检测、电子输运、界面研究等方面的应用情况,指出它们评价电池动态行为时存在的不足之处。最后,总结阻抗谱测量方法未来发展方向及应用需求。

基于阻抗谱重构技术的电池健康状态快速估计方法

电池健康状态(state of health,SOH)是保证系统安全稳定运行的关键,健康状态估计不准将影响电池的使用性能,甚至引发电池滥用等问题。电池电化学阻抗谱通过宽频范围内电池的阻抗特征来反映其内部的电化学过程,蕴含了大量电池老化信息,已经逐渐成为分析锂离子电池性能的有力工具。然而,传统的电池阻抗谱测试方法耗时长、成本高昂。为此,以实现锂离子电池的精细化检测与健康状态快速评估为目标,围绕基于电化学阻抗谱重构技术的电池健康状态估计方法展开研究。通过逆重复最大长度序列设计多频电流激励信号,实现了电池阻抗谱的快速测试。采用连续小波变换开展阻抗谱重构,从而获取目标频率范围内的电池阻抗信息,整个过程耗时小于4.5 min。通过不同老化状态电池在特殊频率点下的重构阻抗幅值建立经验模型,实现了电池健康状态的快速准确评估。

基于电化学阻抗谱的锂离子电池分级安全预警方法

电化学阻抗谱(EIS)是一种无创原位检测和无损检测方法,可以反映电池内部不同结构的状态。基于EIS的指标可以作为故障预警的重要和优良指标,解决不及时和误报的问题。根据不同过充阶段的EIS特点,分阶段建立了与之对应的分数阶模型。用固态电解质相间膜电阻(R_(SEI))和电荷转移电阻(R_(ct))来表示中频段两个电弧随过充的变化。基于与电池内部结构损伤相关的R_(SEI)和R_(ct)指标,提出了三级预警方法。同时采用了新电池和循环老化过的软包电池进行了不同倍率的过充实验,验证了该方法的可靠性。

电化学阻抗谱机器学习评估动力电池状态研究进展

退役动力锂电池(额定容量80%以上)梯次利用可有效缓解电池回收和环境污染压力,提高资源利用率和经济效益,然而对其进行快速、无损和准确的状态评估仍是一个挑战。与其他已报道的方法相比,电化学交流电测量电池并收集数据绘制阻抗谱图是研究电池状态的核心方法,具有快速、无损这两种优势。通过这种方式检测的电池可以建立起内部阻抗和状态相关性,快速完成电池状态评测。电化学阻抗谱图的分析方法主要包括依靠测量数据和机器学习的方法进行阻抗的预测,依靠等效电路图对电路各个等效元件的变化情况进行分析,以及用积分算法将阻抗谱图转化为更直观的弛豫时间分布图谱。这些方法都提供了电池内部老化情况的分析方法,为电池内部阻抗和健康状态之间的联系提供了电化学方面的基础。基于此,综述了电化学阻抗谱结合机器学习评估动力锂电池状态在国内外最新研究进展,重点针对电化学阻抗谱、等效电路模型、弛豫时间分布和机器学习之间的关系进行总结和探讨。

聚焦超声换能器电阻抗谱实时在线监测系统

高强度聚焦超声(HIFU)换能器作为聚焦超声消融手术(FUAS)系统的核心部件,其电阻抗谱是确定FUAS系统工作参数的重要参考依据,故对其进行实时在线监测具有重要意义。该文采用脉冲响应时域测量方法,将探测脉冲信号与HIFU换能器的工作时序相融合,并基于LabVIEW平台构建了一套HIFU换能器电阻抗谱实时在线监测系统,实现了对HIFU换能器电阻抗幅值与相位的高重复性及准确性的实时测量。通过对长时工作在大功率、高占空比条件下HIFU换能器电阻抗谱的实时在线监测,表明该监测系统可准确反应HIFU换能器的特征频率漂移、阻抗幅值和相位的非线性变化。这为HIFU换能器电阻抗谱实时在线监测及驱动参数优化调节提供了技术方案,对HIFU换能器的设计优化和能量损耗机制研究具有重要的应用价值。

基于宽频阻抗谱的电缆绝缘水树定位机理及算法研究

XLPE配网电缆水树故障频发,对电网的安全运行造成威胁。为研究基于宽频阻抗谱的配网电缆水树定位机理,开展加速水树老化实验并测量水树生长不同阶段的电缆微元参数变化,建立电缆水树截面的有限元模型,仿真验证实验测量结果;确定定位算法中的最佳窗函数及入射波形,优化定位算法并依据实验结果验证算法的有效性。结果表明,水树的生长将造成该区域电导和电容的增加,基于宽频阻抗谱的定位方法对于水树引发的局部电容微小变化较敏感,对电导变化不敏感,电容变化定位图谱为典型的双峰特征,且反射峰值大小与局部电容变化量成正比。

机器学习强化的电化学阻抗谱技术及其在锂离子电池研究中的应用

随着电气化的发展,全球动力电池和储能电池的需求迅猛增加。然而,人们对电池使用安全性和可靠性的关注使得电池老化状态的精准诊断和预测成为电池界重要且富有挑战的研究领域之一。电化学阻抗谱(EIS)因其可以解耦电池内部不同频域过程常被用于电池复杂老化过程状态的解析,而通过机器学习方法不仅可以高效获取和解析EIS数据,而且可促进对电池老化和失效机制的深入理解。本文综述了近年来机器学习方法在EIS技术中的应用,重点讨论了通过机器学习获取和解析EIS数据,进而实现对电池寿命评估预测。此外,本文讨论了数据融合方法在实现电池老化行为分析和寿命预测中的前景,当前机器学习在EIS研究中存在的局限性,以及对未来基于EIS实现电池寿命预测进行了展望。

PEMFC冷启动过程阻抗谱及特征频率分析

为优化质子交换膜燃料电池(PEMFC)冷启动过程,提供足量的反馈数据十分必要,常见的阻抗谱和等效电路因其获取周期较长,无法提供足量且实时的反馈。为此,本文在COMSOL中建立冷启动阻抗模型,结合试验分析其阻抗谱变化,分别在高、中、低频区间提出特征频率1 kHz、50 Hz和1 Hz用于表征燃料电池冷启动过程。研究发现,上述特征频率在冷启动的前、中、后3个阶段变化显著,在特征频率1 kHz、50 Hz和1 Hz下阻抗的变化倍率分别为0.38、0.31和1.47。相较于获取完整的阻抗谱和拟合等效电路,在保留了特征信息的情况下提高了采集数据的实时性。因此,可利用特征频率点的阻抗表征冷启动过程,为实时监测冷启动内部状态提供条件。

脉冲电场诱导组织阻抗谱动态变化测试的实验教学研究

该文设计了一个将脉冲电场作用于马铃薯块茎引起组织阻抗谱实时变化的医工交叉实验教学研究方案。该方案采用马铃薯块茎模拟待消融组织,实现了消融效果的可视化,激发了学生的学习兴趣。实验测量了组织阻抗谱,建立了等效电路模型并获得了等效电路元件参数变化规律,探索了其与消融效果之间的关联。该实验加深了学生对负载阻抗特性及电路模型概念的理解,并应用于解释实际生物医学现象,体现了“两性一度”的高校课程理念。该教学方案有助于学生了解交叉学科前沿知识,增强交叉学科认知,提升科研素养。该实验操作简单、成本低廉,有推广应用价值。