基于电化学阻抗谱的内部电池温度测量原理探索

This project belongs to the fundamental problem of application in the field of Lithium ion second battery (LIB). LIB’s hidden trouble in safety may cause the thermal runaway under abuse or extreme conditions, which lead to accidents. Therefore, the LIB’s temperatures(T) are generally monitored in actual practice. The traditional thermocouple and temperature sensor cannot measure the temperature inside LIB. This project plans to investigate a new temperature measurement technology based on electrochemical impedance spectroscopy, and explores the monotonic relation between some impedance parameter and temperature by the following four concerns: first, analyze the inductive impedance characteristic caused by electrode materials and cell structure, second, derive the coupling function Zim(f, T, State of charge(SOC)), third, analyze its monotone interval and confirm the characteristic parameter, which is followed by the research about the interference intensity of temperature distribution on monotonicity of the function Zim(f, T, SOC). This project provides a preliminary probe into the fundamental of battery internal temperature measurements based on electrochemical impedance spectroscopy, to offer a novel approach to monitor internal temperatures of LIBs accurately and timely for the battery management system.

本项目属于锂离子二次电池领域的应用基础性问题。锂离子二次电池存在安全隐患，在滥用或极端条件下易出现“热失控”诱发安全事故，所以电池在使用时均要监测其温度。而传统的热电偶或温度传感器测温方法无法测出电池内部温度，本项目拟研究基于电化学交流阻抗谱的电池温度测量技术，进行阻抗谱特征参数与电池温度强相关单调关系的测温原理探索，通过剖析锂离子电池电极材料、电芯结构产生的材料本征感抗特性、器件感抗特性，基于电化学交流阻抗谱理论构建电池感抗与频率、温度(T)、荷电状态(SOC)的三元耦合函数Zim(f, T, SOC)，数学解析电池感抗与T呈强相关的单调区间及特征参数，并研究电池不均匀(稳态、暂态)温度场效应的干扰强度。通过以上研究，探索电池内部温度测量的新方法，为锂离子二次电池温度的实时准确监测提供一种新的思路。

课题属于锂离子二次电池领域的应用基础性问题。锂离子二次电池存在安全隐患，在滥用或极端条件下易出现“热失控”诱发安全事故，所以电池在使用时均要监测其温度。而传统的热电偶或温度传感器测温方法无法测出电池内部温度，课题研究锂离子电池的交流阻抗谱与温度的关系，通过在不同温度(-20℃-40℃)、不同荷电状态（0%SOC-100%SOC）下测试得到阻抗谱分析其变化，总结出只有当频率小于1kHz时，同样SOC的电池的阻抗谱中的容抗才体现出与温度的相关性，并且主要在10Hz以下的频率段内，SOC对容抗有明显的影响。因此，电池的阻抗谱中，能够体现出与温度有关且不受SOC影响的频率段为10Hz到1kHz这个范围。考虑到1kHz是电池应用与测试中常用的频率点，因此选择该频率的电池容抗(感抗)值建立电池容抗(感抗)与温度、SOC的函数关系Z= a(SOC) + b*T，其中a为SOC的函数，b近似为常数。最后，通过采用两套控温系统实现电池外部环境温度场的可控变化，通过研究表明，随着外部环境温度差 (0、4、8、10 ℃)的增加，LFP和NCA电池的感抗值逐渐降低，并且高频电感值随着温度差的增加也呈降低趋势。课题通过以上研究，探索了采用阻抗谱测量电池温度的新方法。