電路功能與優勢

 

圖1所示的電路是電化學阻抗譜(EIS)測量係統，用於表征鋰離子(Li-Ion)和其他類型的電池。EIS是shi一yi種zhong用yong於yu檢jian測ce電dian化hua學xue係xi統tong內nei部bu發fa生sheng的de過guo程cheng的de安an全quan擾rao動dong技ji術shu。該gai係xi統tong測ce量liang電dian池chi在zai一yi定ding頻pin率lv範fan圍wei內nei的de阻zu抗kang。這zhe些xie數shu據ju可ke以yi確que定ding電dian池chi的de運yun行xing狀zhuang態tai(SOH)和充電狀態(SOC)。該係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。

 

老化會導致電池性能下降和電池化學成分發生不可逆變化。阻抗隨容量的下降而呈線性增加。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，從而減少係統停機時間和維護成本。

 

dianchixuyaojilidianliu，erbushidianya，erqiezukangzhizaihaooumufanweineihenxiao。gaixitongbaokuoxiangdianchizhurudianliudebiyaodianlu，bingyunxuxiaozhunhejiancedianchizhongdexiaozukang。

 

圖1.簡化電路功能框圖

 

電路描述

 

電池EIS理論

 

電池是非線性係統

；因此
，檢測電池I-V曲線的一個小樣本，使係統呈現偽線性行為。在偽線性係統中，正弦輸入產生的正弦輸出頻率完全相同，但相位和振幅發生了偏移。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）與阻抗的實分量（x軸）作圖。奈奎斯特圖的不同區域對應於電池中發生的各種化學和物理過程（見圖2）。

 

圖2：電池的奈奎斯特圖顯示與電化學過程相對應的不同區域

 

這些過程使用電阻
、電容和一種稱為Warburg電阻的元件來建模，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）。沒有簡單的電子元件來表示Warburg擴散電阻。

 

等效電路模型(ECM)

 

等效電路模型(ECM)使用簡單的電子電路（電阻和電容）來(lai)模(mo)擬(ni)電(dian)化(hua)學(xue)過(guo)程(cheng)。該(gai)模(mo)型(xing)用(yong)一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)電(dian)路(lu)來(lai)表(biao)示(shi)一(yi)個(ge)複(fu)雜(za)的(de)過(guo)程(cheng)
，以(yi)幫(bang)助(zhu)分(fen)析(xi)和(he)簡(jian)化(hua)計(ji)算(suan)。這(zhe)些(xie)模(mo)型(xing)基(ji)於(yu)從(cong)測(ce)試(shi)電(dian)池(chi)中(zhong)收(shou)集(ji)的(de)數(shu)據(ju)。對(dui)電(dian)池(chi)的(de)奈(nai)奎(kui)斯(si)特(te)圖(tu)進(jin)行(xing)表(biao)征(zheng)後(hou)，可(ke)以(yi)開(kai)發(fa)一(yi)種(zhong)ECM。大多數商業EIS軟件都包含一個選項，用於創建一個特定的、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。在創建電池模型時，有四個常見參數表示電池的化學性質。

 

電解（歐姆）電阻—RS

 

RS的特性如下：

 

•對應於電池中電解質的電阻

•在進行測試時受電極和所用導線長度的影響

•隨電池的老化而增加

•當頻率>1 kHz時占主導

 

雙層電容—CDL

 

CDL的特性如下：

 

•發生在電極和電解質之間

•由圍繞電極的兩層平行的相反電荷組成

•在1 Hz至1 kHz頻率範圍內占主導

 

電荷轉移電阻—RCT

 

•電阻是在電子從一種狀態轉移到另一種狀態

，即從固體（電極）轉移到液體（電解質）的過程中發生的

•隨電池的溫度和充電狀態而改變

•在1 Hz至1 kHz頻率範圍內占主導

 

Warburg（擴散）電阻—W

 

•表示對質量轉移即擴散控製的阻力

•典型地表現45°相移

•當頻率<1 Hz時占主導

 

表1提供了每個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)的過程通常以經驗為基礎，需要使用各種等效電路模型進行實驗，直到模型與測量的奈奎斯特圖匹配。

 

下麵幾節將介紹如何創建一個典型的電池模型。

 

Randel電路模型歐姆和電荷轉移效應

 

Randel電路是最常見的ECM。Randel電路包括電解質電阻(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。

 

簡化的Randel電路不僅是一個有用的基本模型，而且是其他更複雜模型的起點。

 

圖3.Randel電路

 

圖4.產生奈奎斯特圖的簡化Randel電路圖

 

簡化Randel電路的奈奎斯特圖始終是一個半圓。電解質電阻(R_S)是通過讀取電池特性的高頻截點處的實軸值來確定的，即線穿過圖左側的x軸處就是高頻區。在圖4中
，電解質電阻(R_S)是接近奈奎斯特圖起源的截點
，為30Ω。另一（低頻）截點的實軸值是電荷轉移電阻(R_CT)和電解質電阻（本例為270 Ω）的和。因此
，半圓的直徑等於電荷轉移電阻(R_CT)。

 

Warburg電路模型—擴散效應

 

對Warburg電阻建模時，將組件W與R_CT串聯添加（見圖5）。Warburg電阻的增加產生了45°線
，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

 

有些電池描繪兩個半圓形。第一個半圓對應固體電解質界麵(SEI)。SEI的生長是由電解質的不可逆電化學分解引起的。如果是鋰離子電池，SEI則隨著電池的老化在負極處形成。這種分解的產物在電極表麵形成一層固體。

 

形成初始SEI層後，電解質分子無法通過SEI到達活性材料表麵，與鋰離子和電子發生反應，從而抑製了SEI的進一步生長。

 

將兩個Randel電路組合起來

，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Randel電路

 

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

 

使用AD5941的電池阻抗解決方案

 

AD5941阻抗和電化學前端是EIS測量係統的核心。AD5941由一個低帶寬環路
、一個高帶寬環路、一個高精度模數轉換器(ADC)和一個可編程開關矩陣組成。

 

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

 

低帶寬環路用於低帶寬信號，其中激勵信號的頻率低於200 Hz
，例如電池阻抗測量。

 

高帶寬環路用於EIS測量。高帶寬環路包括一個高速DAC
，用於在進行阻抗測量時產生交流激勵信號。高帶寬環路有一個高速TIA，用於將高達200 kHz的高帶寬電流信號轉換為可由ADC測量的電壓。

 

開關矩陣是一係列可編程開關，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。開關矩陣提供了一個接口，用於將外部校準電阻連接到測量係統。開關矩陣還提供電極連接的靈活性。

 

電池的阻抗通常在毫歐姆範圍內
，需要一個類似值的校準電阻R_CAL。此電路中的50 mΩ R_CAL太小，AD5941無法直接測量。由於R_CAL較小，外部增益級使用AD8694來放大接收信號。AD8694具有超低噪聲性能以及低偏置和漏電流參數，這對EIS應用至關重要。此外，在R_CAL和實際電池上共用一個放大器有助於補償電纜
、交流耦合電容和放大器產生的誤差。

 

激勵信號

 

AD5941使用其波形發生器、高速DAC(HSDAC)和激勵放大器來產生正弦波激勵信號。頻率可編程
，範圍為0.015 mHz至200 kHz。信號通過CE0引腳和外部達林頓對晶體管配置應用於電池，如圖9所示。需要電流放大器
，因為激勵緩衝器所能產生的電流上限為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。每個組件上的壓降在微伏的範圍內很小(μV)。因此
，測得的電壓通過一個外部增益級發送。增益放大器AD8694的輸出通過引腳AIN2和引腳AIN3直接發送到至AD5941芯片上的ADC。通過利用離散傅裏葉變換(DFT)硬件加速度計，對ADC數據執行DFT
，其中實數和虛數計算並存儲在數據FIFO中，用於R_CAL電壓測量和電池電壓測量。ADG636對電池和R_CAL進行多路複用，輸出至AD8694增益級。

 

需要ADG636開關的超低電荷注入和小漏電流來消除AD5941輸入引腳上的寄生電容。由於AIN2和AIN3引腳均用於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，並測量響應電壓V_RCAL。然後在未知阻抗Z_UNKNOWN上施加相同的信號，並測量響應電壓V_ZUNKNOWN。對響應電壓執行離散傅裏葉變換，確定每次測量的實值和虛值。可使用下式計算未知阻抗：

 

圖10.EIS測量圖

 

電路評估與測試

 

下節概述CN-0510電路設計的測試程序和結果的收集。有關硬件和軟件設置的完整詳細信息，請參閱CN-0510用戶指南。

 

設備要求

 

•帶USB端口和Windows® 7或更高版本的PC。

•EVAL-AD5941BATZ電路板。

•EVAL-ADICUP3029開發板。

•CN-0510參考軟件

•USB A型轉micro USB電纜

•連接抓取器/鱷魚夾的Bayonet Neill–Concelman (BNC)連接器

•電池（待測器件，DUT）

 

圖11.參考設計板

 

開始使用

 

1.通過Arduino接頭將EVAL-AD5941BATZ連接到EVAL-ADICUP3029。

2.插入BNC，連接F+、F、S+、S上的電纜。

3.通過將micro USB電纜連接到EVAL-ADICUP3029上的P10為開發板供電

，並將USB電纜的另一端插入您的電腦。

a.在連接電池之前
，確保開發板通電，以避免短路。

4.從GitHub下載示例固件。

analog.com wiki網站上提供了下載說明。

5.將嵌入式軟件配置為應用所需的參數。

a.使用AD5940BATStructInit(void)函數。（示例如下。）

 

圖12.固件配置

 

a.使用建議的交互式開發環境(IDE)構建代碼並將代碼下載到EVAL-ADICUP3029目標板。有關安裝詳細信息
，請參閱AD5940用戶指南。

 

6.按照圖13所示連接電池。將F+和S+引線連接到電池的正極，將S-和F-連接到電池的負極。

7.按EVAL-ADICUP3029上的3029-RESET按鈕。

 

圖13.完整EIS電池係統

 

電池測試和結果

 

1.使用程序（如RealTerm）打開串行終端。

2.將波特率配置為230,400。

a.選擇EVAL-ADICUP3029連接到的COM端口。

3.測量結果通過UART流式傳輸
，並可以保存到文件中進行分析。

 

請注意，在程序開始時執行一次校準功能。如果激勵頻率較低
，則至少需要4個周期才能捕獲波形。要測量0.1 Hz，需要40秒以上才能完成。

 

請注意，硬件針對1 Hz以上的頻率進行優化。低於此值的測量值由於外部放大器的1/f噪聲而更加嘈雜。

 

圖14.顯示在終端程序中的結果

 

圖15顯示使用EVAL-AD5941BATZ測量示例鋰離子電池的奈奎斯特圖。

 

圖15.奈奎斯特圖（掃描1.11 Hz至50 kHz）

 

 

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