超低直流内阻的锂电池测试应用背景

内阻是决定锂离子电池功率能力、能量效率和发热量的关键参数，也是锂离子电池健康状态（State of Health, SoH）的重要指标，更是影响电动车加速性、快速充电以及冷却系统的设计，此外电池管理系统 (Battery Management System, BMS）需要透过建立内阻模型来精准管理功率能力避免电池被快速损耗，达到提升安全性与延长使用寿命的目的，因此研究内阻与功率能力对于发展新一代电池芯与优化电池系统具有实质意义。然而，以提升电动车功率密度为目标，超低直流内阻与加大单体电池芯设计已成趋势，动辄上千安培的测试电流并非一般设备能够满足，实验者在有限选择之下通常被迫购置昂贵设备。

电池内阻量测技术分类及说明

现今，电池内阻量测技术主要分为两种：1)直流电阻多以脉冲(步进)电流测量电位变化来计算内阻值，2)交流电阻则采用扰动频谱技术测定电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS），由于电池的电化学性质复杂，直流电阻不能直接与交流阻抗进行比较，两种量测技术因分析时域不同有互补性，多依据应用条件而选用。以目前电动车及储能系统终端设计多用脉冲电流测试直流内阻，除了测试时间较短，有研究显示电流幅度也会影响电池内阻值，大电流的脉冲测试更接近真实负载应用条件。脉冲电流测试的国际标准有德国汽车工业协会(Verband Der Automobilindustrie, VDA)电流步进法或混合脉冲特征(Hybrid Pulse Power Characterization, HPPC)测试，脉冲电流宽度在100mS-30S之间，不同的时间尺度取样的压降所包含的内阻成分不同，包括瞬时压降反应的纯欧姆电阻、最初几秒钟的等效电容与接口电荷转移电阻、以及反应较慢受离子扩散影响的极化电阻(图一)，脉冲测试计算所得为总体电阻；须注意的是较长的脉冲宽度可能改变SOC引起额外压降使内阻测量产生偏差，而过小的脉冲幅度将导致量测不确定度的大幅增加，量测误差也受到电流/电压量测误差与温度控制误差影响。

VDA脉冲测试电压变化与电池内阻等效电路关系图

Chroma 17010H直流内阻的锂电池测试方案介绍

若参考美国先进电池联盟(United States Advanced Battery Consortium, USABC)混合脉冲特征(HPPC)测试，电池芯于不同充电状态(States of Charge, SOC)下进行10~30S最大脉冲放电与10S最大脉冲充电测量电位变化来计算电池内阻与功率特性。举例：若60Ah锂电池芯要测试10倍脉冲工作电流(10C-rate)，在过去必须购置600A充放电设备才能实施。现在，致茂电子开发出200%的脉冲电流测试方案供您选择!Chroma 17010H单通道电流能力300A，超级模式30秒内能输出电流200% (600A)，此项新设计聚焦于电池脉冲电流应用进而优化功率输出模式，具有体积减小50%、相较满功率设计方案直接成本降低30%的优势。Chroma研发团队设计出高脉冲电流能力的关键在功率电路的温升控制，首先，17010H高转换效率的能源回收式架构大幅度降低充电与放电时的组件发热，再通过优化功率模块配比及组件选用提高工作电流，最后配合热流设计达到温度控制，而量测部分则开发出分布式的比流器架构保障电流精度，辅以冷热区电路布局降低温度飘移，整合实现200%脉冲电流能力的电池测试系统。