電路筆記：電池的電化學(xué)阻抗譜(EIS)

電路評(píng)估板

電池測(cè)量板（EVAL－AD5941BATZ）

Arduino尺寸超低功耗Arm Cortex－M3開(kāi)發(fā)平臺(tái)（EVAL－ADICUP3029）

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單、軟件

電路功能與優(yōu)勢(shì)

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

老化會(huì)導(dǎo)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性增加。使用EIS監(jiān)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(tǒng)停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。

電池需要激勵(lì)電流，而不是電壓，而且阻抗值在毫歐姆范圍內(nèi)很小。該系統(tǒng)包括向電池注入電流的必要電路，并允許校準(zhǔn)和檢測(cè)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

電池是非線性系統(tǒng)；因此，檢測(cè)電池I－V曲線的一個(gè)小樣本，使系統(tǒng)呈現(xiàn)偽線性行為。在偽線性系統(tǒng)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(yīng)用交流激勵(lì)信號(hào)以獲得數(shù)據(jù)。

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(cè)重常見(jiàn)格式）。在奈奎斯特圖中，使用阻抗的負(fù)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(qū)域?qū)?yīng)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(duì)應(yīng)的不同區(qū)域

這些過(guò)程使用電阻、電容和一種稱為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(xì)的描述）。沒(méi)有簡(jiǎn)單的電子元件來(lái)表示W(wǎng)arburg擴(kuò)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(fù)雜的過(guò)程，以幫助分析和簡(jiǎn)化計(jì)算。這些模型基于從測(cè)試電池中收集的數(shù)據(jù)。對(duì)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(shù)商業(yè)EIS軟件都包含一個(gè)選項(xiàng)，用于創(chuàng)建一個(gè)特定的、獨(dú)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(shù)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(duì)應(yīng)于電池中電解質(zhì)的電阻

在進(jìn)行測(cè)試時(shí)受電極和所用導(dǎo)線長(zhǎng)度的影響

隨電池的老化而增加

當(dāng)頻率＞1 kHz時(shí)占主導(dǎo)

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(nèi)占主導(dǎo)

電荷轉(zhuǎn)移電阻—RCT

電阻是在電子從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一種狀態(tài)，即從固體（電極）轉(zhuǎn)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(nèi)占主導(dǎo)

Warburg（擴(kuò)散）電阻—W

表示對(duì)質(zhì)量轉(zhuǎn)移即擴(kuò)散控制的阻力

典型地表現(xiàn)45°相移

當(dāng)頻率＜1 Hz時(shí)占主導(dǎo)

表1提供了每個(gè)ECM組件的符號(hào)和表達(dá)式。

表1．ECM組件