基于電流激勵的儲能電池電化學阻抗譜快速檢測方法

吳建鑫 楊麗君 肖滟琳 夏 源

（輸變電裝備技術全國重點實驗室（重慶大學） 重慶 400044）

0 引言

電化學儲能具有能量密度高、響應時間快、維護成本低、靈活方便等優點，目前已成為大規模儲能技術的發展方向[1]。二次電池作為儲能系統中關鍵的儲能裝備，在實際運行過程中，老化、熱失控和濫用等問題嚴重影響著儲能電池的安全性[2]，開展儲能電池健康狀態的檢測與評估是目前的研究熱點。目前主要的檢測與評估手段包括脈沖電流檢測[3]、聲發射檢測[4]、容量增量曲線[5-6]、電化學阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）[7]、等效電路模型[8]、數據驅動算法[9]等。

EIS 曲線常用于描述儲能電池在寬頻范圍內的阻抗特性[10]。由EIS 曲線結合儲能電池等效電路模型[11-13]提取的純歐姆電阻Rs、電荷轉移電阻Rct、雙電層電容Cdl等特征參數[14]，常用于反映電池的荷電狀態（State of Charge, SOC）、健康狀態（State of Health, SOH）、剩余壽命（Remaining Useful Life,RUL）及內部溫度Tin[15-16]等重要特性。

寬頻 EIS 檢測通常需要借助電化學工作站完成，目前具有代表性的儀器廠家包括瑞士萬通、國產辰華與德國Zahner。這些儀器均以不同頻率的電壓源作為激勵，采用逐頻掃描的方式獲取電池的響應電流信號，并根據電壓-電流幅值相位信息繪制EIS 曲線。近年來，由于電壓激勵存在的局限性，電流激勵的新測量模式逐漸得到廣泛關注，德國Zahner、瑞士萬通等也在其產品中推出了電壓、電流雙激勵的測量模式。寬頻EIS 檢測已被廣泛應用于實驗室的離線檢測與特征參數提取，并被證實可有效地反映電池的內部狀態參量且具有熱失控預警的潛力[7,17-18]。Dong Peng 等在實驗室中提出了基于EIS 的三級熱失控預警[7]，Liu Yadong 等研究了過充電狀態下的EIS 曲線特征[11]。然而，目前EIS 尚未推廣應用于儲能電池狀態的原位評估中。一方面，工作中的儲能電池經常處于恒流充電狀態[19]，以電壓作為激勵的EIS 測試方式，需在充電回路中并聯引入低阻電壓源而存在過電流或短路風險；另一方面，由于低頻激勵信號周期過長，獲得電池的寬頻EIS 曲線需數十分鐘，因此進一步限制了其在現場的推廣應用。

為將寬頻阻抗信息推廣并應用于電池狀態的現場評估，學者們開展了大量的研究工作。B.G.Carkhuff 等提出利用電流作為激勵信號獲得電池的阻抗信息[20]，但受限于低頻檢測效率，目前僅能實現1～500 Hz 范圍的單頻或多頻阻抗檢測；耿萌萌等提出利用300 Hz、60 Hz 和1 Hz 下的阻抗信息，結合神經網絡算法估算退役電池的SOH[21]；L.H.J.Raijmakers 等提出一種基于零截距頻率（Zero Intercept Frequency, ZIF）阻抗反映電池溫度的方法[22]。這些研究大多在1 Hz 及以上的頻率下獲得電池的阻抗信息。然而，研究表明低頻段（0.01～2 Hz）的EIS 曲線攜帶了大量的電池特征信息，包括離子擴散狀態等動力學特征[23]。這些特征又與電池的荷電狀態、電極材料、電解質的老化程度及循環壽命等關鍵狀態緊密相關[24-25]。

因此，準確快速地獲取低頻段EIS 信息有助于對儲能電池進行檢測、分析與評估。研究可應用于儲能電池寬頻EIS 曲線的現場高效原位檢測，對推動阻抗譜信息在電池健康狀態、安全評估和熱失控預警中的應用具有重要意義。本文研究了一種基于電流激勵的電池寬頻EIS 檢測方法，通過激勵電流信號的設計和響應電壓信號的數據分析與處理，實現寬頻范圍內EIS 的重構，旨在提高EIS 檢測效率、降低其檢測成本，為該技術的現場推廣應用提供支撐。

1 EIS 檢測原理及方法

1.1 儲能電池系統的線性時不變性

儲能電池內部是一個復雜的化學反應系統，正極的電化學反應是發生在電極/電解液界面上的電子傳遞反應，負極的反應則是鋰離子的脫出和嵌入過程，以及發生在電解液中的擴散過程[26]。當電極/電解液界面發生單一電化學反應時，電位和電流之間的關系由Butler-Volmer 方程描述。

式中，I0為電極表面交換電流密度；η為電極過電位（η=E-Eq，Eq為電極平衡電位，E為電極電動勢）；α為電荷傳遞系數；v、F、R和Te分別為參與反應的電子數、法拉第常數、氣體常數及熱力學溫度。對于用于分析電極反應的電化學阻抗方法，應滿足三個條件：因果關系、線性和時間不變性。如式（1）所示，電流I與電極電動勢E滿足因果關系，且電極電流是電極電動勢的函數，即

將式（2）用泰勒公式展開[27]得到

式中，ΔI為由檢測電路引起的電流變化量；ΔE為電極電動勢變化量。若ΔE的幅值較小時，可以忽略式（3）中2 次及更高次項，則電極電流與電動勢可視為線性關系，即近似為線性時不變系統。

1.2 傳統電壓激勵EIS 檢測方法

若對儲能電池施加一角頻率為ω的正弦電壓信號E(jω)作為激勵，則回路中會產生一個同頻率的響應電流信號I(jω)，激勵電壓與響應電流之比則為儲能電池在該頻率下的阻抗，可以表示為

改變激勵電壓角頻率ω，則可得到儲能電池的寬頻阻抗特性[28]，即不同頻率下的Z(jω)，通常可以通過式（5）將Z(jω)的實部與虛部分離，即

式中，Z′為阻抗實部；Z′為阻抗虛部；φ為電壓電流相位差。以阻抗實部為橫軸，虛部的負值為縱軸繪制儲能電池的阻抗特性即為電化學阻抗譜（EIS），如圖1 所示。

圖1 儲能電池電化學阻抗譜（EIS）Fig.1 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of energy storage batteries

常用的儲能電池EIS 測試回路如圖2 所示，采用四電極體系，即工作電極（藍色，W）與對電極（紅色，C）構成工作回路，施加電壓源激勵并檢測電流；工作電極的輔助電極（黑色，WS）與參比電極（綠色，R）檢測儲能電池電極電動勢的變化（其與施加的電壓激勵信號一致），圖2 中E、E′、I分別表示施加的電壓激勵信號、電極電動勢變化和電流響應信號；φ1、φ2分別表示電壓、電流信號的相位；RWarburg、Rct、CPE、Rs分別表示Warburg 阻抗、電荷轉移電阻、雙電層電容和純歐姆電阻。

圖2 四電極體系EIS 離線檢測Fig.2 Off-line detection of EIS in four-electrode system

為保證儲能電池的電流與電壓的函數關系處于線性區間，應控制電壓激勵處于較小的幅值范圍，文獻[29-30]中分別采用了5 mV 及10～20 mV 的激勵電壓幅值。

目前，儲能電池的EIS 檢測通常在穩態條件下，即在給定荷電狀態（SOC）下進行檢測[31]。然而，儲能電池經常處于恒流充電狀態，其充電回路可等效為電流源，儲能電池則作為負載。若采用電壓源激勵的EIS 檢測方法對儲能電池進行原位檢測，由于電壓源具有輸入阻抗低的特點，會對儲能電池充電回路電流產生分流作用。電壓源激勵的原位檢測拓撲結構如圖3 所示。當開關S1閉合、S2斷開時，儲能電池處于直流充電狀態，I0為儲能電池在恒電流充電狀態下的充電回路電流，為直流電流，I2為充電電流，I1為檢測回路電流，此時I0=I2、I1=0。當S1斷開、S2閉合時，則為圖2 所示的電壓源激勵檢測電路的離線拓撲結構，其檢測原理與圖2 一致。當S1、S2同時閉合時，即為充電過程中的原位在線檢測拓撲結構，由于電壓源輸入阻抗較小，檢測回路電流I1將急劇增大，充電電流I2大幅減小，不僅影響儲能電池充電效率，而且可能引發過電流或短路等風險對儲能系統造成嚴重危害，從而限制電壓激勵EIS 在現場的應用前景。

圖3 原位檢測拓撲結構（電壓源激勵）Fig.3 In-situ detection topology (voltage source excitation)

1.3 電流激勵EIS 檢測方法

電流源因其具有輸入阻抗大等特點，有望在儲能電池充放電過程中對其阻抗特性進行實時跟蹤，記錄EIS、充放電電壓曲線簇[32]，并進行熱失控預警。電流源激勵的原位檢測拓撲結構如圖4 所示。從圖4 可以看出，若檢測系統采用輸入阻抗較大的電流源激勵，則檢測回路電流I1幾乎不受到充電回路電流I0的影響。相較于圖3 中的電壓源激勵測試回路，該測試回路輸入阻抗得到較大提升，無短路過電流等風險，且充電電流I2與充電效率幾乎不受影響。根據Butler-Volmer 方程與式（3）可知，若將檢測電流I2引起的電壓響應控制在較小的范圍內，與電壓激勵EIS 的電壓幅值相一致，即近似為線性時不變系統，此時儲能電池充電電流I2及其響應電壓波形如圖5 所示，充電電流I2表現為電流I1與I0的疊加，采集到的電壓信號E′則表現為開路電壓（EOCV）、直流電壓（ΔEDC，即直流充電電流引起的電壓變化量）和響應電壓的疊加，均可由式（4）、式（5）計算得到儲能電池寬頻阻抗特性并繪制EIS 曲線。

圖4 原位檢測拓撲結構（電流源激勵）Fig.4 In-situ detection topology (current source excitation)

圖5 電流與采集到的電壓信號Fig.5 Current and acquired voltage signal

2 基于多頻正弦疊加電流激勵的EIS 高效測試原理

2.1 掃頻測試原理及效率

由于儲能電池系統近似為線性時不變系統，因此無論激勵信號是電壓還是電流，若對儲能電池系統施加單一激勵信號e(n)，則會產生響應信號r(n)，對e(n)和r(n)作離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform, DFT）[33]，即

式中，s(n)為激勵或響應信號；k為頻率序列數；N為采樣點數。當激勵為頻率為f0的標準正弦信號時，有

若采樣率為fs，則可得到

式中，Ts為采樣間隔。可見頻譜成分單一，若要獲取寬頻阻抗特性，需要多個不同頻率的標準正弦信號作為激勵信號，且通常需要多個完整周期，因此測試時間t1可計算為

式中，fk為頻率成分；p為頻率個數；mk為不同頻率下的測試周期數。由式（9）可知，測試時間至少為各標準正弦信號的數個周期的總和。

EIS 頻率范圍通常為0.01 Hz～1 kHz，采用逐頻掃描的方式進行檢測。為保證測試準確與可靠，各頻率下的阻抗特性由多次測量取平均值獲得，且單次測量中會發出多個周期的激勵信號并截取相對穩定的數個周期進行計算。而低頻段信號周期較長，采用該方法會導致儲能電池的EIS 檢測時間較長，完整測量一次EIS 需要數十分鐘，無法對儲能電池的寬頻阻抗信息進行實時跟蹤。以0.01 Hz～1 kHz為例，每十倍頻通常測試10 個點，每個測試點重復測量數次取平均值以減小干擾。如果在0.01～1 Hz頻率段內測試20 點，每個頻率點重復測試4 個周期； 1 Hz～1 kHz 測試30 點，各點重復測試8 個周期，完成上述一次實際測試時間通常超過20 min。另一方面，檢測時間過長會導致儲能電池狀態在檢測期間不滿足不變性要求，特別是在恒流充放電期間，會降低檢測精度，造成EIS 曲線紊亂。因此，需要一種快速的EIS 檢測方法，能在近似恒定狀態下對儲能電池進行完整的寬頻EIS 檢測。

2.2 多頻成分信號激勵的EIS 高效測試原理

為克服傳統掃頻方法在低頻段測試效率低的問題，可考慮將激勵信號由固定頻率的正弦信號更改為包含多頻成分的時域信號，從而達到加速測試的目的。對滿足狄里赫利條件的任意信號s(n)，可進行離散傅里葉級數展開，即

信號s(n)總是包含N個獨立諧波分量，即基頻與N-1 個各次諧波，對于標準正弦信號，僅僅在對應頻率處的幅值不為0。因此，為了提高EIS 低頻段檢測效率，可將基頻及其各次諧波疊加形成激勵信號e(n)，則響應信號r(n)中同樣包含相對應的頻率成分，對不同頻率點的EIS 進行同步測試，通過DFT 可計算各頻率下的幅值與相位信息，由式（11）可得到復頻域阻抗為

式中，|Ef|與|If|分別為電壓、電流信號的各頻率成分幅值；φe與φi分別為電壓、電流信號各頻率成分相位。若基頻為f0，采樣點數為N，L為激勵信號時間，則信號頻率分辨率為

由于激勵信號e(n)總是包含基頻與各次諧波，因此基頻頻率應為信號頻率分辨率的整數倍，即

式中，M為正整數。

疊加的信號通常具有整數個周期，能夠有效地減少柵欄效應，避免出現頻譜泄露等問題。該疊加信號可以表示為

式中，Ak、φk分別為幅值和相位。測試時間t2和激勵信號周期T由基頻信號頻率決定，若m為周期數，則t2可表示為

因此，在0.01～1 kHz 頻率范圍內，若f0=0.01，m=1，則信號時間為100 s，其中包含了數個0.01 Hz以上的信號成分，頻率越高，周期數越多，不僅保證了頻率成分豐富，而且0.01 Hz 以上頻率成分具有多個穩定周期，檢測時間僅100 s，相較于傳統方法的20 min 具有明顯優勢。

2.3 多頻正弦疊加激勵信號設計

為了得到良好的EIS 測試效果，對激勵信號e(n)下的響應信號r(n)進行準確測量至關重要，需根據實際的硬件測試系統條件，設計合適的激勵信號e(n)。由于EIS 低頻段耗時極長，因此本文主要關注低頻區，高頻區因耗時短采用掃頻方式檢測。

以0.01～0.2 Hz 為例，采用該頻率范圍內的有限個不同頻率信號疊加形成非標準正弦激勵信號。由于0.01 Hz 的周期過長，因此選取0.02 Hz 為基頻f0，則p=9。由式（14）可知，若對不同頻率的幅值Ak與相位φk進行設計，理論上可以很好地控制該多頻混合信號的幅值與均勻程度。周期為50 s 的多頻疊加非標準正弦信號如圖6 所示，一方面，若固定幅值，僅調制相位φk，能獲得分布更加均勻、各頻率成分幅值更大的激勵信號，圖中未調制信號（紅色實線）Ak=0.75，φk=0；調制后信號（黑色點畫線）Ak=1，φk=[2.1, 0.4, 0.06, 1.7, 0.9, 2.9, 3.1, 0.9, 2.5]。另一方面，考慮到在不同頻段范圍內儲能電池阻抗的變化情況，可將較大頻率成分的幅值適當增大以更好地激發相應頻率下的EIS 特性。

圖6 周期為50 s 的多頻疊加非標準正弦信號Fig.6 Multi-frequency superimposed nonstandard sinusoidal signal with a period of 50 s

同時為了保證儲能電池內部電化學反應的阻抗響應保持在線性區間，且有較高的信噪比，需控制該信號的最大值，使響應電壓幅值不超過20 mV。且為保證輸出信號光滑，應盡可能使fs足夠大。

3 電池EIS 高效測試系統的組成

3.1 EIS 測試系統結構

為實現上述快速EIS 檢測原理，本文設計并搭建了EIS 檢測系統，檢測系統結構如圖7 所示，采用NI6356 采集卡作為可編程信號發生器，Smaqc 5711 信號采集卡采集電流激勵信號與電壓響應信號，V/I轉換器使用OPA549 功率放大器，由兩個開關電源串聯形成正負電源供電，I/V信號轉換器采用1 Ω的精密功率電阻。通過上位機程序驅動NI6356采集卡發出特定電壓信號，由OPA549 功率放大器將電壓信號轉換為電流信號輸入儲能電池，由數據同步采集器同時采集儲能電池兩端的電壓響應信號Vbattery以及回路電流信號Ib，通過數據處理程序，獲得儲能電池EIS 曲線。

圖7 快速EIS 檢測系統結構Fig.7 Structure of fast EIS detection system

由于NI6356 僅用于信號輸出，并不對檢測電路輸出功率，檢測系統的功率主要來源于V/I轉換器，因此V/I轉換器的供電電源即開關電源的額定功率需要符合電路功率要求。一般地，單個電池開路電壓不超過4 V，若回路電流幅值為5 A，則I/V轉換器兩端電壓最大不超過5 V，由此可知檢測回路負載電壓不超過10 V，最大瞬時功率約為50 W，單個開關電源額定功率應不小于75 W。另一方面，開關電源電壓一部分作用于負載，另一部分直接作用于V/I轉換器。若開關電源電壓過高，產生于V/I轉換器兩端的電壓降過大，會產生大量熱量導致其熱關斷，嚴重影響該系統性能，因此開關電源電壓不宜選擇過大，而V/I轉換器的功率上限應盡可能寬裕。本文采用兩個額定電壓為24 V，功率為150 W的開關電源串聯形成±24 V 電源為V/I轉換器供電。V/I轉換器采用OPA549 功率放大器，功率上限為170 W，均設計了較大的功率裕度，能很好地滿足檢測要求，且具有檢測高電壓電池組的應用前景。

針對信號的輸出與采集，采集卡均為16 位雙量程電壓采集卡，且輸出端采樣率fs=100 kHz，輸入端采樣率應滿足奈奎斯特采樣定律。本研究中寬頻范圍內采樣率均為5 kHz。考慮到儲能電池兩端開路電壓范圍一般為1～4 V，電壓響應信號幅值不超過20 mV，因此電壓采集卡采集電池電壓信號時，選取±5 V 的量程，電壓分辨率大約為0.15 mV，產生的誤差小于1%，在允許范圍內。

對激勵信號的頻率成分進行調制，由于頻率范圍較窄（0.02～0.2 Hz），因此對幅值進行調制意義不大，僅對相位進行調制，發現信號幅值僅下降25%，且V/I轉換器會產生一定程度的相移，無法與初始相位一致，為了保證該測試系統的穩定性和精確度，選取Ak=0.75，φk=0，激勵信號如圖6（紅色實線）所示。

3.2 低頻信號處理

濾波前后的低頻段電壓響應信號如圖8 所示。響應信號周期為50 s，采樣點數為250×103。由于儲能電池本身的電壓波動和環境噪聲，電壓響應信號將受到較大干擾，同時，為了保證儲能電池系統的線性，電壓響應幅值應該控制在較小范圍（本文電壓響應信號幅值不超過20 mV），因此電壓響應信號的信噪比會受到較大影響。從圖8 中可見，最大干擾信號幅值約為20 mV，均為高頻干擾信號。將響應信號通過低通數字濾波器，其截止頻率為10 Hz，能有效地提升信號的幅頻特性和相頻特性質量。信號頻譜信息采用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）進行計算。為了補償低通數字濾波器造成的相位誤差，將激勵和響應信號均通過性能參數相同的低通數字濾波器，則能有效地減小相位誤差。頻率在0.2 Hz 及以上則采用逐頻掃描方式進行測試，通過式（5）和式（11）可計算儲能電池阻抗的實部和虛部，繪制奈奎斯特圖即可得到儲能電池EIS 曲線。

圖8 濾波前后的低頻段電壓響應信號Fig.8 Voltage response signal before and after filtering

4 測試結果與分析

4.1 重復性與準確性檢驗

本實驗使用天能動力公司制造的磷酸鐵鋰電池，容量為27 A·h，工作電壓為3.2～3.3 V。為驗證所設計的EIS 檢測系統的重復性，對開路電壓為3.3 V的磷酸鐵鋰電池，在相同環境狀態下進行了多次重復性測試，測試頻率為0.02 Hz～1 kHz，其EIS 結果如圖9 所示。可以看出，五次連續測量的EIS 基本重合，最大誤差在低頻0.3 Hz 處，實部測量標準差為0.031 67 mΩ。因此本文所設計的EIS 檢測系統重復性較好，精度較高。除此之外，本文采用德國Zahner 電化學工作站對相同狀態的鋰電池進行了測試，并與本文的結果進行了對比，結果如圖10所示。從圖10 中可以看出，本文設計的EIS 檢測系統與商用電化學工作站Zahner 檢測結果比較相符，在檢測時間方面，德國Zahner 檢測時間為20 min，頻率范圍為0.02 Hz～1 kHz，檢測點數為39 點；而本文設計的EIS 檢測系統檢測時長為120 s，檢測點數為52 點。因此綜合檢測時間與檢測精度，本文設計的EIS 檢測系統具有顯著優勢。

圖9 五次連續測量獲得的鋰電池EIS 曲線Fig.9 EIS curve of lithium battery obtained from five consecutive measurements

圖10 本文系統與Zahner 檢測結果比較Fig.10 Comparison of test results between self-designed equipment and Zahner

4.2 寬頻EIS 靈敏性檢驗

將鋰電池放電至2.9 V 后對其進行恒流充電，充電電流為5 A。當電池開路電壓EOCV在2.9、3.0、3.15、3.25、3.3、3.33 V 時分別進行EIS 檢測，得到不同開路電壓下的鋰電池EIS 和鋰電池頻域阻抗譜分別如圖11 和圖12 所示。從圖11 中可以看出，隨著鋰電池開路電壓的增大，EIS 曲線整體向左收縮，在低頻區和中頻區的變化較大，而高頻區幾乎維持不變。中頻區向左移動主要是由于電荷轉移電阻Rct的減小；而高頻區，特別是1 kHz 的阻抗實部幾乎不變，而虛部趨近于零，主要體現了鋰電池的純歐姆電阻Rs，其反映鋰電池整體老化特性而對鋰電池的SOC 沒有依賴性。中頻區的半圓分布主要與鋰電池內部雙電層及固體電解質界面（Solid Electrolyte Interface, SEI）膜電容的弛豫時間有關[32]。圖12 中，通過鋰電池阻抗的伯德圖可以更加清楚地看出，隨著鋰電池開路電壓升高，阻抗模值曲線整體向下移動，低頻區阻抗的衰減速度更快。因此，本文設計的EIS 檢測系統的精度可以快速、準確地檢測不同開路電壓下的鋰電池 EIS 曲線，快速獲取寬頻段（0.02 Hz～1 kHz）EIS 曲線信息，檢測精度較高，阻抗分辨率達到1 mΩ及以下。

圖11 不同開路電壓下的鋰電池EISFig.11 EIS of lithium battery under different open circuit voltage

圖12 鋰電池頻域阻抗譜Fig.12 Impedance spectrum of lithium battery in frequency domain

同時，本文采用圖3 所示的等效電路對鋰電池EIS 曲線進行了擬合，得到了鋰電池純歐姆電阻Rs和電荷轉移電阻Rct隨開路電壓而變化的趨勢，如圖13 所示。由于本研究采用的是全新的磷酸鐵鋰電池，額定內阻約為1～3 mΩ，與實驗結果一致，且對開路電壓幾乎沒有依賴性，而電荷轉移電阻Rct則與開路電壓有較大依賴性。隨著電壓升高，電荷轉移電阻Rct表現出明顯減小的趨勢并與之前的報道相一致[14]，均表明本文設計的EIS 檢測系統可靠性較高。

圖13 純歐姆電阻Rs、電荷轉移電阻Rct 隨開路電壓的變化趨勢Fig.13 Variation trend of pure ohmic resistance Rs and charge transfer resistance Rct with open circuit voltage

本文設計的EIS 檢測系統可每50 s 獲取一次低頻信息并對其進行分析，EIS 曲線低頻段及其擬合斜率K如圖14 所示。EIS 曲線低頻段斜率隨著鋰電池開路電壓的變化而發生改變，與其SOC 有著密切關系，為了獲得鋰離子的擴散系數以對鋰電池狀態進行準確評估，需要對低頻段的Z′-ω（ω=2πf）曲線進行準確擬合得到Warburg 系數σ[25]，即

圖14 EIS 曲線低頻段及其擬合斜率Fig.14 Low frequency band of EIS curve and its fitting slope

然而，由于低頻斜率的改變，直接假設θ=0.5 進行擬合計算σ會產生較大誤差，從而導致對鋰電池的狀態評估產生極大誤差。本文設計的檢測系統能及時跟蹤寬頻段EIS 曲線，快速、準確地檢測低頻段特征參數，有助于提高鋰離子電池及其他儲能電池狀態評估的準確性。

5 結論

本文針對儲能電池的EIS 檢測，提出了一種基于電流激勵的多頻疊加信號的快速EIS 檢測方法，設計了電路拓撲結構，搭建了測試系統并進行了儲能電池EIS 的實際測試，得到以下結論：

1）本文提出了一種以電流激勵獲取EIS 曲線的測試回路，相比于電壓激勵，該測試回路具有輸入阻抗大、回路電流可控、拓撲結構簡單可靠等特點，適用于儲能電池的原位檢測。

2）考慮到EIS 曲線低頻信息豐富且對于儲能電池狀態評估十分關鍵，但測試效率低的矛盾，提出了一種基于時域多頻疊加的非標準正弦信號方法，極大地提高了低頻段測試效率。

3）搭建了儲能電池EIS 快速測試系統，對相同狀態下的鋰離子電池進行了多次重復性實驗，檢測結果重復性高，最大誤差僅為0.031 67 mΩ，單次測量時間縮短至120 s，實際測量時間縮短90%，并與電化學工作站測試結果進行對比，結果表明EIS 曲線重合較好，其中高頻段和中頻段基本重合，低頻段僅存在微小誤差。

4）通過對不同電壓狀態下的鋰離子電池進行測試，結果表明，鋰電池的純歐姆電阻Rs與SOC 狀態的關聯性較小，電荷轉移電阻Rct與SOC 的關聯性較大，與其他相關文獻中的結果相一致。低頻段斜率與SOC 也有著較大關聯，充分驗證了本文設計的EIS 檢測系統能及時跟蹤寬頻段EIS，快速獲取寬頻段阻抗特性，有助于儲能電池的原位狀態評估。