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6up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)和其他类型的。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。该系统测量的运行状态(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可以确定SOH以及电池是否需要更换,从而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,但也可以使用波特图显示(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。奈奎斯特图的不同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。6up

  ● 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,需要使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面形成一层固体。

  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,6up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