電路筆記：電池的電化學(xué)阻抗譜(EIS)

電路評估板

電池測量板（EVAL－AD5941BATZ）

Arduino尺寸超低功耗Arm Cortex－M3開發(fā)平臺（EVAL－ADICUP3029）

設(shè)計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單、軟件

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示的電路是電化學(xué)阻抗譜（EIS）測量系統(tǒng)，用于表征鋰離子（Li－Ion）和其他類型的電池。EIS是一種用于檢測電化學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的過程的安全擾動技術(shù)。該系統(tǒng)測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），旨在激勵和測量電池的電流、電壓或阻抗響應(yīng)。

老化會導(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)時間和維護(hù)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(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)和檢測電池中的小阻抗。

圖1．簡化電路功能框圖

電路描述

電池EIS理論

電池是非線性系統(tǒng)；因此，檢測電池I－V曲線的一個小樣本，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)用交流激勵信號以獲得數(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)和物理過程（見圖2）。

圖2：電池的奈奎斯特圖顯示與電化學(xué)過程相對應(yīng)的不同區(qū)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(xì)的描述）。沒有簡單的電子元件來表示W(wǎng)arburg擴(kuò)散電阻。

等效電路模型（ECM）

等效電路模型（ECM）使用簡單的電子電路（電阻和電容）來模擬電化學(xué)過程。該模型用一個簡單的電路來表示一個復(fù)雜的過程，以幫助分析和簡化計算。這些模型基于從測試電池中收集的數(shù)據(jù)。對電池的奈奎斯特圖進(jìn)行表征后，可以開發(fā)一種ECM。大多數(shù)商業(yè)EIS軟件都包含一個選項，用于創(chuàng)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(chuàng)建電池模型時，有四個常見參數(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：

對應(yīng)于電池中電解質(zhì)的電阻

在進(jìn)行測試時受電極和所用導(dǎo)線長度的影響

隨電池的老化而增加

當(dāng)頻率＞1 kHz時占主導(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時占主導(dǎo)

表1提供了每個ECM組件的符號和表達(dá)式。

表1．ECM組件