電路功能與優(yōu)勢

 

圖1所示的電路是電化學(xué)阻抗譜(EIS)測量系統，用于表征鋰離子(Li-Ion)和其他類(lèi)型的電池。EIS是一種用于檢測電化學(xué)系統內部發(fā)生的過(guò)程的安全擾動(dòng)技術(shù)。該系統測量電池在一定頻率范圍內的阻抗。這些數據可以確定電池的運行狀態(tài)(SOH)和充電狀態(tài)(SOC)。該系統采用超低功耗模擬前端(AFE)，旨在激勵和測量電池的電流、電壓或阻抗響應。

 

老化會(huì )導致電池性能下降和電池化學(xué)成分發(fā)生不可逆變化。阻抗隨容量的下降而呈線(xiàn)性增加。使用EIS監視電池阻抗的增加可以確定SOH以及電池是否需要更換，從而減少系統停機時(shí)間和維護成本。

 

電池需要激勵電流，而不是電壓，而且阻抗值在毫歐姆范圍內很小。該系統包括向電池注入電流的必要電路，并允許校準和檢測電池中的小阻抗。

 

圖1.簡(jiǎn)化電路功能框圖

 

電路描述

 

電池EIS理論

 

電池是非線(xiàn)性系統；因此，檢測電池I-V曲線(xiàn)的一個(gè)小樣本，使系統呈現偽線(xiàn)性行為。在偽線(xiàn)性系統中，正弦輸入產(chǎn)生的正弦輸出頻率完全相同，但相位和振幅發(fā)生了偏移。在EIS中，向電池應用交流激勵信號以獲得數據。

 

EIS中的信息常用奈奎斯特圖表示，但也可以使用波特圖顯示（本電路筆記側重常見(jiàn)格式）。在奈奎斯特圖中，使用阻抗的負虛分量（y軸）與阻抗的實(shí)分量（x軸）作圖。奈奎斯特圖的不同區域對應于電池中發(fā)生的各種化學(xué)和物理過(guò)程（見(jiàn)圖2）。

 

圖2：電池的奈奎斯特圖顯示與電化學(xué)過(guò)程相對應的不同區域

 

這些過(guò)程使用電阻、電容和一種稱(chēng)為Warburg電阻的元件來(lái)建模，Warburg電阻用字母W表示（在等效電路模型(ECM)部分有更詳細的描述）。沒(méi)有簡(jiǎn)單的電子元件來(lái)表示W(wǎng)arburg擴散電阻。

 

等效電路模型(ECM)

 

等效電路模型(ECM)使用簡(jiǎn)單的電子電路（電阻和電容）來(lái)模擬電化學(xué)過(guò)程。該模型用一個(gè)簡(jiǎn)單的電路來(lái)表示一個(gè)復雜的過(guò)程，以幫助分析和簡(jiǎn)化計算。這些模型基于從測試電池中收集的數據。對電池的奈奎斯特圖進(jìn)行表征后，可以開(kāi)發(fā)一種ECM。大多數商業(yè)EIS軟件都包含一個(gè)選項，用于創(chuàng )建一個(gè)特定的、獨特的等效電路模型，以更接近由任何特定電池生成的奈奎斯特圖的形狀。在創(chuàng )建電池模型時(shí)，有四個(gè)常見(jiàn)參數表示電池的化學(xué)性質(zhì)。

 

電解（歐姆）電阻—RS

 

RS的特性如下：

 

•對應于電池中電解質(zhì)的電阻

•在進(jìn)行測試時(shí)受電極和所用導線(xiàn)長(cháng)度的影響

•隨電池的老化而增加

•當頻率>1 kHz時(shí)占主導

 

雙層電容—CDL

 

CDL的特性如下：

 

•發(fā)生在電極和電解質(zhì)之間

•由圍繞電極的兩層平行的相反電荷組成

•在1 Hz至1 kHz頻率范圍內占主導

 

電荷轉移電阻—RCT

 

•電阻是在電子從一種狀態(tài)轉移到另一種狀態(tài)，即從固體（電極）轉移到液體（電解質(zhì)）的過(guò)程中發(fā)生的

•隨電池的溫度和充電狀態(tài)而改變

•在1 Hz至1 kHz頻率范圍內占主導

 

Warburg（擴散）電阻—W

 

•表示對質(zhì)量轉移即擴散控制的阻力

•典型地表現45°相移

•當頻率<1 Hz時(shí)占主導

 

表1提供了每個(gè)ECM組件的符號和表達式。

 

表1.ECM組件

 

構建電池ECM

 

建立等效電路模型(ECM)的過(guò)程通常以經(jīng)驗為基礎，需要使用各種等效電路模型進(jìn)行實(shí)驗，直到模型與測量的奈奎斯特圖匹配。

 

下面幾節將介紹如何創(chuàng )建一個(gè)典型的電池模型。

 

Randel電路模型歐姆和電荷轉移效應

 

Randel電路是最常見(jiàn)的ECM。Randel電路包括電解質(zhì)電阻(R_S)、雙層電容(C_DL)和電荷轉移電阻(R_CT)。雙層電容與電荷轉移電阻平行，形成半圓模擬形狀。

 

簡(jiǎn)化的Randel電路不僅是一個(gè)有用的基本模型，而且是其他更復雜模型的起點(diǎn)。

 

圖3.Randel電路

 

圖4.產(chǎn)生奈奎斯特圖的簡(jiǎn)化Randel電路圖

 

簡(jiǎn)化Randel電路的奈奎斯特圖始終是一個(gè)半圓。電解質(zhì)電阻(R_S)是通過(guò)讀取電池特性的高頻截點(diǎn)處的實(shí)軸值來(lái)確定的，即線(xiàn)穿過(guò)圖左側的x軸處就是高頻區。在圖4中，電解質(zhì)電阻(R_S)是接近奈奎斯特圖起源的截點(diǎn)，為30Ω。另一（低頻）截點(diǎn)的實(shí)軸值是電荷轉移電阻(R_CT)和電解質(zhì)電阻（本例為270 Ω）的和。因此，半圓的直徑等于電荷轉移電阻(R_CT)。

 

Warburg電路模型—擴散效應

 

對Warburg電阻建模時(shí)，將組件W與R_CT串聯(lián)添加（見(jiàn)圖5）。Warburg電阻的增加產(chǎn)生了45°線(xiàn)，在圖的低頻區很明顯。

 

圖5.Warburg電路模型—擴散效應

 

圖6.具有擴散效應的ECM

 

組合Randel和Warburg電路模型

 

有些電池描繪兩個(gè)半圓形。第一個(gè)半圓對應固體電解質(zhì)界面(SEI)。SEI的生長(cháng)是由電解質(zhì)的不可逆電化學(xué)分解引起的。如果是鋰離子電池，SEI則隨著(zhù)電池的老化在負極處形成。這種分解的產(chǎn)物在電極表面形成一層固體。

 

形成初始SEI層后，電解質(zhì)分子無(wú)法通過(guò)SEI到達活性材料表面，與鋰離子和電子發(fā)生反應，從而抑制了SEI的進(jìn)一步生長(cháng)。

 

將兩個(gè)Randel電路組合起來(lái)，為這種奈奎斯特圖建模。電阻(R_SEI)針對SEI的電阻建模。

 

圖7.兩個(gè)Randel電路

 

圖8.修改的Randel電路模型；奈奎斯特圖是一個(gè)具有明顯SEI的鋰離子電池

 

使用AD5941的電池阻抗解決方案

 

AD5941阻抗和電化學(xué)前端是EIS測量系統的核心。AD5941由一個(gè)低帶寬環(huán)路、一個(gè)高帶寬環(huán)路、一個(gè)高精度模數轉換器(ADC)和一個(gè)可編程開(kāi)關(guān)矩陣組成。

 

低帶寬環(huán)路由低功耗、雙輸出數模轉換器(DAC)和低功率跨阻抗放大器(TIA)組成，前者可產(chǎn)生V_ZERO和V_BIAS，，后者可將輸入電流轉換為電壓。

 

低帶寬環(huán)路用于低帶寬信號，其中激勵信號的頻率低于200 Hz，例如電池阻抗測量。

 

高帶寬環(huán)路用于EIS測量。高帶寬環(huán)路包括一個(gè)高速DAC，用于在進(jìn)行阻抗測量時(shí)產(chǎn)生交流激勵信號。高帶寬環(huán)路有一個(gè)高速TIA，用于將高達200 kHz的高帶寬電流信號轉換為可由ADC測量的電壓。

 

開(kāi)關(guān)矩陣是一系列可編程開(kāi)關(guān)，允許將外部引腳連接到高速DAC激勵放大器和高速TIA反相輸入端。開(kāi)關(guān)矩陣提供了一個(gè)接口，用于將外部校準電阻連接到測量系統。開(kāi)關(guān)矩陣還提供電極連接的靈活性。

 

電池的阻抗通常在毫歐姆范圍內，需要一個(gè)類(lèi)似值的校準電阻R_CAL。此電路中的50 m? R_CAL太小，AD5941無(wú)法直接測量。由于R_CAL較小，外部增益級使用AD8694來(lái)放大接收信號。AD8694具有超低噪聲性能以及低偏置和漏電流參數，這對EIS應用至關(guān)重要。此外，在R_CAL和實(shí)際電池上共用一個(gè)放大器有助于補償電纜、交流耦合電容和放大器產(chǎn)生的誤差。

 

激勵信號

 

AD5941使用其波形發(fā)生器、高速DAC(HSDAC)和激勵放大器來(lái)產(chǎn)生正弦波激勵信號。頻率可編程，范圍為0.015 mHz至200 kHz。信號通過(guò)CE0引腳和外部達林頓對晶體管配置應用于電池，如圖9所示。需要電流放大器，因為激勵緩沖器所能產(chǎn)生的電流上限為3 mA。典型電池需要高達50 mA。

 

圖9.達林頓晶體管對

 

測量電壓

 

有兩個(gè)電壓測量階段。首先，測量RCAL上的壓降。其次，測量電池電壓。每個(gè)組件上的壓降在微伏的范圍內很小(μV)。因此，測得的電壓通過(guò)一個(gè)外部增益級發(fā)送。增益放大器AD8694的輸出通過(guò)引腳AIN2和引腳AIN3直接發(fā)送到至AD5941芯片上的ADC。通過(guò)利用離散傅里葉變換(DFT)硬件加速度計，對ADC數據執行DFT，其中實(shí)數和虛數計算并存儲在數據FIFO中，用于R_CAL電壓測量和電池電壓測量。ADG636對電池和R_CAL進(jìn)行多路復用，輸出至AD8694增益級。

 

需要ADG636開(kāi)關(guān)的超低電荷注入和小漏電流來(lái)消除AD5941輸入引腳上的寄生電容。由于A(yíng)IN2和AIN3引腳均用于RCAL測量和電池測量，阻抗測量的信號路徑是成比例的。

 

計算未知阻抗(Z_UNKNOWN)

 

EIS采用比例式測量法。為了測量未知阻抗(Z_UNKNOWN)，在已知電阻R_CAL上施加交流電流信號，并測量響應電壓V_RCAL。然后在未知阻抗Z_UNKNOWN上施加相同的信號，并測量響應電壓V_ZUNKNOWN。對響應電壓執行離散傅里葉變換，確定每次測量的實(shí)值和虛值?？墒褂孟率接嬎阄粗杩梗?/div>