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锂离子电池测试表征中误差和不确定性分析

锂离子电池测试表征中误差和不确定性分析

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锂离子电池测试表征中误差和不确定性分析

研究背景

测试表征是自然科学中的重要一环,数据的准确性和可靠性尤为重要。作为化学储能的重要成员,锂离子电池从工作原理角度就注定了其容易受到温度、压力等因素的影响,因此其测试表征极易出现误差和不确定性结果。上学阶段做过锂电的朋友相信都被扣电结果的“差异性”所折磨过;部分动力电池企业将电池送外检测,不同结构给出的结果往往也存在差异,更别提测试过程出现的各种数据波动等异常。在企业,很多测试异常往往成了无头尸案,最后都不了了之了,很少有人注意细节想去刨根问底把原因弄清楚。

针对锂离子电池测试过程中易出现误差和不确定性这一现状,最近来自英国华威大学(University of Warwick)的James Taylor等从研究人员的差异性、接线的差异性和温箱的差异性出发,对误差出现的原因进行了细致分析并提供了解决方案,成果以An insight into the errors and uncertainty of the lithium-ion battery characterisation experiments为题发表在Journal of Energy Storage上。

亮点:从细节入手,对锂电测试表征中常见的误差和不确定性进行了分析,态度发人深思。

图文浅析

    作者依次从(1)研究人员不同导致的结果差异性、(2)接线方式带来的结果差异性和(3)不同温箱导致的结果差异性出发对锂离子电池测试表征中出现的误差和不确定性进行了分析,具体如下所述。

(1)研究人员不同所带来的结果差异

锂离子电池测试表征中误差和不确定性分析

图1. 20 Ah电池50%SOC脉冲功率测试谱图。

表1. 四名研究人员对相同8个电池进行脉冲功率测试结果对比。

锂离子电池测试表征中误差和不确定性分析

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图2. 四名研究人员对相同8个电池进行脉冲功率测试结果对比。

首先,作者准备了8个容量20 Ah的锂离子电池,依次让四名不同的研究人员利用相同的测试设备对该8个电池按照IEC 62660-1规定的脉冲功率测试要求(如图1)进行测试。如表1所示,脉冲功率测试得到的内阻标准偏差在0.5-0.8%区间,表明电池本身的一致性和四名不同研究人员实验的重复性是很好的。但如表1最后一列所示,对同一块电池,四名研究人员测试内阻的偏差高达4%,四名研究人员测试结果的不同在图2中可以明显观察到。

表2. 经实验优化后四名研究人员对相同8个电池进行脉冲功率测试结果对比。

锂离子电池测试表征中误差和不确定性分析

锂离子电池测试表征中误差和不确定性分析

图3. 经实验优化后四名研究人员对相同8个电池进行脉冲功率测试结果对比。

    作者认为四名不同研究人员对同样8块电池测试结果存在较大偏差的原因主要有两点:1.不同人员接线时力道不同,导致电池tab同导线连接处的接触电阻存在差异。接触电阻本身较小,当测试的电池为小内阻的高功率电池时,接触电阻的影响就不容忽视了;2.连接线氧化且连接前未及时清理干净,导致接触电阻存在差异(注:连接线锈蚀相信做过电化学测试的朋友都有印象)。随后作者对实验条件进行了优化:将连接的力矩固定在12.5 N/m,用镀金的连接块替换原来的普通连接块。然后再让以上四名研究人员在优化后的实验条件下重新对该8块电池进行测试。如表2和图3所示,与优化前不同测试人员结果偏差高达4%左右相比,优化后该偏差降低至0.4%左右,低于电池本身的差异性,测试结果的集中度大大提高,已无法区分人员间的差异性。以上结果也提醒我们测试时应尽量统一实验条件,尽可能消除可能带来测试结果偏差的因素。

(2)接线方式不同导致的测试偏差

锂离子电池测试表征中误差和不确定性分析

图4. (a)连接块结构;(b)将电压线布置在顶部;(c)电压线和电流线绞合后再连接。

电池电化学性能表征时一般都有电压线和电流线,除了上文所述的连接接触电阻外,作者认为电压线和电流线的布置方式对结果也会有影响。最典型的例子如图4b和图4c所示,图4b中电压线布置在连接块结构的最顶部(top),而图4c中电压线则是同电流绞合在一起(crimped)后再进行连接。以上两种连接方式都是在日常测试中经常能见到的。

锂离子电池测试表征中误差和不确定性分析

图5. 电压线布置在不同位置电池1 C放电曲线和静置过程电压回升曲线(注:图中横坐标单位Ah貌似有误,单位是s才能解释通)。

如图5所示,当电压线布置在不同的位置时,电池的放电曲线也存在差异。电压线监测的是开路电压,外电阻越大放电时越快达到放电截止电压,反之亦然。当电压线如图4b布置在连接块顶部(top)时,电流回路最长,因此放电持续时间最短;而当电压线布置在靠近电池Tab附近(inside和out)时,电流回路最短,放电持续时间最长。图4c中将电压线和电流线进行绞合连接的主要目的在于提高测试的可靠性和可重复性。

(3)不同温箱的影响

锂离子电池测试表征中误差和不确定性分析

图6. 四个不同温箱得到放电功率vs内阻结果对比。电池为80%SOC,设定温度为25 ℃。

温箱也是实验室和电池企业最常见和常用的设备。温箱的准确性一直是很多人忽视的地方,笔者曾因为电池安全性测试测试过各种不同的温箱,发现不同测试机构的温箱精度相差极大,让人扎心。如图6所示,作者对比了电池在四个不同温箱中的测试结果,温箱的差异性为1.1%左右,高于电池自身0.5-0.8%的差异性。温箱的差异主要来自两方面:其一为温箱自身的保温能力,其二为电池在温箱中的散热。以上结果显示即使是日常中常用的设备,我们也不能理所应当认为其具有高度的准确性,设备的定期校准也是极为必要的。

小结:笔者介绍这篇文章倒不是该研究的创新性,而是佩服作者能从小处入手,注重实验细节的严谨态度和精益求精、追根溯源的精神。毕竟数据的准确性和可靠性是一切分析的基础,数据都有问题后面分析再多又有什么用呢?!

James Taylor, Anup Barai, T.R. Ashwin, Yue Guo, Mark Amor-Segan, James Marco. An insight into the errors and uncertainty of the lithium-ion battery characterisation experiments. Journal of Energy Storage 24 (2019) 100761.

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨景云

主编丨张哲旭


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