【導讀】雖說(shuō)汽車(chē)電動(dòng)化已成大勢，但正值冬季，不少想買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)的朋友總擔心在電動(dòng)汽車(chē)的續航不夠，甚至在嚴寒的天氣里在車(chē)內開(kāi)空調也變成一件奢侈的事情。事實(shí)上，低溫一直以來(lái)都是電池的大敵，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池也一樣害怕低溫，這是由電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池材料特性決定的。絕大部分電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池材料由正極的多元素鋰材料和負極的石墨材料構成，鋰離子在電解液中由電勢差和電解液濃度差驅動(dòng)穿過(guò)隔膜形成電流。但是鋰離子在低溫下活性降低，可以穿過(guò)隔膜的鋰離子變少了，表現為低溫下動(dòng)力電池的內阻增加，可用電量減少。

鋰離子電池工作原理

采用現代化測試手段研究鋰離子電池性能是降低電池成本、提高續航里程的重要實(shí)現形式。

電化學(xué)阻抗譜（EIS）廣泛應用于鋰離子電池正負極材料分析、鋰離子脫嵌動(dòng)力學(xué)參數研究、固體電解質(zhì)、界面反應和SOC預測等方面的研究，是分析鋰離子電池性能的有力工具。

下圖所示的電路是電化學(xué)阻抗譜測量系統，用于表征鋰離子和其他類(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。

簡(jiǎn)化電路功能框圖

完整 EIS 電池系統

由于老化會(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。ADI公司的阻抗和電化學(xué)前端AD5941是EIS測量系統的核心。

AD5941 是一款高精度、低功耗模擬前端 (AFE)，專(zhuān)為需要高精度、基于電化學(xué)的測量技術(shù)（如電流、伏安或阻抗測量）的便攜式應用而設計。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，其中：

●     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。

由于電池的阻抗通常在毫歐姆范圍內，還需要一個(gè)類(lèi)似值的校準電阻R_CAL。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。

其工作原理為AD5941使用波形發(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。該電路需要電流放大器，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。

該過(guò)程中有兩個(gè)電壓測量階段。首先，測量R_CAL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。

EIS測量圖

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?/p>

電化學(xué)內阻圖譜測試方法是通過(guò)注入一定的電流把電池的電壓變化，來(lái)分析在不同頻率的電流情況下，通過(guò)它的電壓電流特性來(lái)反映出整個(gè)電池里面內阻變化，也就基本上能反映出電池電化學(xué)特性的變化。它對于整個(gè)電池的壽命預測，包括對于電池能否安全工作是一個(gè)很關(guān)鍵的參數。這種電化學(xué)內阻的測試也是一個(gè)相對比較復雜的技術(shù)，ADI基于高精度、阻抗和電化學(xué)前端芯片AD5941提供了一種相對比較簡(jiǎn)單、成本比較低的一種方式，可以估算出電池電化學(xué)內阻。

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