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)停機時間和維護成本。

 

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)部分有更詳細的描述）。沒有簡單的電子元件來表示W(wǎng)arburg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（擴散）電阻—W

 

•表示對質(zhì)量轉(zhuǎn)移即擴散控制的阻力

•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組件的符號和表達式。

 

表1.ECM組件

 

構(gòu)建電池ECM

 

建立等效電路模型(ECM)的過程通常以經(jīng)驗為基礎(chǔ)，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。

 

下面幾節(jié)將介紹如何創(chuàng)建一個典型的電池模型。

 

Randel電路模型歐姆和電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)

 

Randel電路是最常見的ECM。Randel電路包括電解質(zhì)電阻(R_S)、雙層電容(C_DL)和電荷轉(zhuǎn)移電阻(R_CT)。雙層電容與電荷轉(zhuǎn)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，而且是其他更復(fù)雜模型的起點。

 

圖3.Randel電路

 

圖4.產(chǎn)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(zhì)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(cè)的x軸處就是高頻區(qū)。在圖4中，電解質(zhì)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(zhuǎn)移電阻(R_CT)和電解質(zhì)電阻（本例為270 Ω）的和。因此，半圓的直徑等于電荷轉(zhuǎn)移電阻(R_CT)。

 

Warburg電路模型—擴散效應(yīng)

 

對Warburg電阻建模時，將組件W與R_CT串聯(lián)添加（見圖5）。Warburg電阻的增加產(chǎn)生了45°線，在圖的低頻區(qū)很明顯。

 

圖5.Warburg電路模型—擴散效應(yīng)

 

圖6.具有擴散效應(yīng)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(yīng)固體電解質(zhì)界面(SEI)。SEI的生長是由電解質(zhì)的不可逆電化學(xué)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(chǎn)物在電極表面形成一層固體。

 

形成初始SEI層后，電解質(zhì)分子無法通過SEI到達活性材料表面，與鋰離子和電子發(fā)生反應(yīng)，從而抑制了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(xué)前端是EIS測量系統(tǒng)的核心。AD5941由一個低帶寬環(huán)路、一個高帶寬環(huán)路、一個高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個可編程開關(guān)矩陣組成。

 

低帶寬環(huán)路由低功耗、雙輸出數(shù)模轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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)路包括一個高速DAC，用于在進行阻抗測量時產(chǎn)生交流激勵信號。高帶寬環(huán)路有一個高速TIA，用于將高達200 kHz的高帶寬電流信號轉(zhuǎn)換為可由ADC測量的電壓。

 

開關(guān)矩陣是一系列可編程開關(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。開關(guān)矩陣提供了一個接口，用于將外部校準(zhǔn)電阻連接到測量系統(tǒng)。開關(guān)矩陣還提供電極連接的靈活性。

 

電池的阻抗通常在毫歐姆范圍內(nèi)，需要一個類似值的校準(zhǔn)電阻R_CAL。此電路中的50 m? R_CAL太小，AD5941無法直接測量。由于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(shù)，這對EIS應(yīng)用至關(guān)重要。此外，在R_CAL和實際電池上共用一個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。

 

激勵信號

 

AD5941使用其波形發(fā)生器、高速DAC(HSDAC)和激勵放大器來產(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CE0引腳和外部達林頓對晶體管配置應(yīng)用于電池，如圖9所示。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。

 

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范圍內(nèi)很小(μV)。因此，測得的電壓通過一個外部增益級發(fā)送。增益放大器AD8694的輸出通過引腳AIN2和引腳AIN3直接發(fā)送到至AD5941芯片上的ADC。通過利用離散傅里葉變換(DFT)硬件加速度計，對ADC數(shù)據(jù)執(zhí)行DFT，其中實數(shù)和虛數(shù)計算并存儲在數(shù)據(jù)FIFO中，用于R_CAL電壓測量和電池電壓測量。ADG636對電池和R_CAL進行多路復(fù)用，輸出至AD8694增益級。

 

需要ADG636開關(guān)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。由于AIN2和AIN3引腳均用于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，并測量響應(yīng)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(yīng)電壓V_ZUNKNOWN。對響應(yīng)電壓執(zhí)行離散傅里葉變換，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(jié)概述CN-0510電路設(shè)計的測試程序和結(jié)果的收集。有關(guān)硬件和軟件設(shè)置的完整詳細信息，請參閱CN-0510用戶指南。

 

設(shè)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(fā)板。

•CN-0510參考軟件

•USB A型轉(zhuǎn)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(shè)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(fā)板供電，并將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(fā)板通電，以避免短路。

4.從GitHub下載示例固件。

analog.com wiki網(wǎng)站上提供了下載說明。

5.將嵌入式軟件配置為應(yīng)用所需的參數(shù)。

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

 

圖12.固件配置

 

a.使用建議的交互式開發(fā)環(huán)境(IDE)構(gòu)建代碼并將代碼下載到EVAL-ADICUP3029目標(biāo)板。有關(guān)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電池系統(tǒng)

 

電池測試和結(jié)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(jié)果通過UART流式傳輸，并可以保存到文件中進行分析。

 

請注意，在程序開始時執(zhí)行一次校準(zhǔn)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(yōu)化。低于此值的測量值由于外部放大器的1/f噪聲而更加嘈雜。

 

圖14.顯示在終端程序中的結(jié)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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