电路笔记：电池的电化学阻抗谱(上)

　　图1所示的电路是电化学阻抗谱(EIS)测量系统，用于表征锂离子(Li-Ion)和别的类型的。EIS是一种用于检测电化学系统内部发生的过程的安全扰动技术。该系统测量的运作时的状态(SOH)和充电状态(SOC)。该系统采用超低功耗模拟前端(AFE)，旨在激励和测量电池的电流、电压或阻抗响应。

　　老化会导致电池性能直线下降和电池化学成分发生不可逆变化。阻抗随容量的下降而呈线性增加。使用EIS监视电池阻抗的增加能确定SOH以及电池要不要更换，由此减少系统停机时间和维护成本。

　　电池需要激励电流，而不是电压，而且阻抗值在毫欧姆范围内很小。该系统包括向电池注入电流的必要电路，并允许校准和检测电池中的小阻抗。

　　电池是非线性系统；因此，检测电池I-V曲线的一个小样本，使系统呈现伪线性行为。在伪线性系统中，正弦输入产生的正弦输出频率完全相同，但相位和振幅发生了偏移。在EIS中，向电池应用交流激励信号以获得数据。

　　EIS中的信息常用奈奎斯特图表示，但也能够正常的使用波特图显示（本电路笔记侧重常见格式）。在奈奎斯特图中，使用阻抗的负虚分量（y轴）与阻抗的实分量（x轴）作图。奈奎斯特图的不一样的区域对应于电池中发生的各种化学和物理过程（见图2）。

　　这些过程使用电阻、电容和一种称为Warburg电阻的元件来建模，Warburg阻抗用字母W表示（在等效电路模型(ECM)部分有更详细的描述）。没有简单的电子元件来表示Warburg扩散电阻。

　　等效电路模型(ECM)使用简单的电子电路（电阻和电容）来模拟电化学过程。该模型用一个简单的电路来表示一个复杂的过程，以帮助分析和简化计算。这些模型基于从测试电池中收集的数据。对电池的奈奎斯特图进行表征后，可以开发一种ECM。大多数商业EIS软件都包含一个选项，用于创建一个特定的、独特的等效电路模型，以更接近由任何特定电池生成的奈奎斯特图的形状。在创建电池模型时，有4个常见参数表示电池的化学性质。

　　● 电阻是在电子从一种状态转移到另一种状态，即从固体（电极）转移到液体（电解质）的过程中发生的；

　　建立等效电路模型(ECM)的过程通常以经验为基础，需要用各种等效电路模型进行实验，直到模型与测量的奈奎斯特图匹配。

　　Randel电路是最常见的ECM。Randel电路包括电解质电阻(RS)、双层电容(CDL)和电荷转移电阻(RCT)。双层电容与电荷转移电阻平行，形成半圆模拟形状。

　　简化的Randel电路不仅是一个有用的基本模型，而且是其他更复杂模型的起点。

　　简化Randel电路的奈奎斯特图始终是一个半圆。电解质电阻(RS)是通过读取电池特性的高频截点处的实轴值来确定的，即线穿过图左侧的x轴处就是高频区。在图4中，电解质电阻(RS)是接近奈奎斯特图起源的截点，为30Ω。另一（低频）截点的实轴值是电荷转移电阻(RCT)和电解质电阻（本例为270Ω）的和。因此，半圆的直径等于电荷转移电阻(RCT)。

　　对Warburg电阻建模时，将组件W与RCT串联添加（见图5）。Warburg电阻的增加产生了45°线，在图的低频区很明显（如图6）。

　　有些电池描绘2个半圆形。第1个半圆对应固体电解质界面(SEI)。SEI的生长是由电解质的不可逆电化学分解引起的。如果是锂离子电池，SEI则随着电池的老化在负极处形成。这种分解的产物在电极表明产生一层固体。

　　形成初始SEI层后，电解质分子无法通过SEI到达活性材料表面，与锂离子和电子发生反应，从而抑制了SEI的进一步生长。

　　将2个Randel电路组合起来，为这种奈奎斯特图建模（如图7）。电阻(RSEI)针对SEI的电阻建模（如图8）。

　　AD5941阻抗和电化学前端是EIS测量系统的核心。AD5941由1个低带宽环路、1个高带宽环路、1个高精度模数转换器(ADC)和1个可编程开关矩阵组成。

　　低带宽环路由低功耗、双输出数模转换器(DAC)和低功率跨阻抗放大器(TIA)组成，前者可产生VZERO和VBIAS，后者可将输入电流转换为电压。

　　低带宽环路用于低带宽信号，其中激励信号的频率低于200Hz，例如电池阻抗测量。

　　高带宽环路用于EIS测量。高带宽环路包括1个高速DAC，用于在进行阻抗测量时产生交流激励信号。高带宽环路有1个高速TIA，用于将高达200kHz的高带宽电流信号转换为可由ADC测量的电压。

　　开关矩阵是一系列可编程开关，允许将外部引脚连接到高速DAC激励放大器和高速TIA反相输入端。开关矩阵提供了1个接口，用于将外部校准电阻连接到测量系统。开关矩阵还提供电极连接的灵活性。

　　电池的阻抗通常在mΩ范围内，需要1个类似值的校准电阻RCAL。此电路中的50mΩ RCAL太小，AD5941无法直接测量。由于RCAL较小，外部增益级使用AD8694来放大接收信号。AD8694具有超低噪声性能以及低偏置和漏电流参数，这对EIS应用至关重要。此外，在RCAL和实际电池上共用1个放大器，有助于补偿电缆、交流耦合电容和放大器产生的误差。

　　AD5941使用其波形发生器、高速DAC(HSDAC)和激励放大器来产生正弦波激励信号。频率可编程，范围为0.015mHz~200kHz。信号通过CE0引脚和外部达林顿对晶体管配置应用于电池，如图9所示。需要电流放大器，因为激励缓冲器所能产生的电流上限为3mA。典型电池需要高达50mA。

　　有2个电压测量阶段：①测量RCAL上的压降；②测量电池电压。每个组件上的压降在微伏(μV)的范围内很小。因此，测得的电压通过1个外部增益级发送。增益放大器AD8694的输出通过引脚AIN2和引脚AIN3直接发送到至AD5941芯片上的ADC。通过利用离散傅里叶变换(DFT)硬件加速度计，对ADC数据执行DFT，其中实数和虚数计算并存储在数据FIFO中，用于 RCAL电压测量和电池电压测量。ADG636对电池和RCAL进行多路复用，输出至AD8694增益级。

　　需要ADG636开关的超低电荷注入和小漏电流来消除AD5941输入引脚上的寄生电容。由于AIN2和AIN3引脚均用于RCAL测量和电池测量，阻抗测量的信号路径是成比例的。

　　EIS采用比例式测量法（如图10）。为了测量未知阻抗(ZUNKNOWN)，在已知电阻RCAL上施加交流电流信号，并测量响应电压VRCAL。然后在未知阻抗ZUNKNOWN上施加相同的信号，并测量响应电压VUNKNOWN。对响应电压执行离散傅里叶变换，确定每次测量的实值和虚值。可使用下式计算未知阻抗：

　　（注：本文来源于科技期刊《电子科技类产品世界》2020年第05期第32页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。）

　　下篇链接：电路笔记：电池的电化学阻抗谱(EIS)（下）/413598.htm