模擬電路知識之電池的電化學阻抗譜(EIS)

2020-12-18 電子發燒友

模擬電路知識之電池的電化學阻抗譜(EIS)

EEWORLD 發表於 2020-05-19 10:36:19

（文章來源：EEWORLD）

圖所示的電路是電化學阻抗譜(EIS)測量系統，用於表徵鋰離子(Li-Ion)和其他類型的電池。EIS是一種用於檢測電化學系統內部發生的過程的安全擾動技術。該系統測量電池在一定頻率範圍內的阻抗。這些數據可以確定電池的運行狀態(SOH)和充電狀態(SOC)。該系統採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。

老化會導致電池性能下降和電池化學成分發生不可逆變化。阻抗隨容量的下降而呈線性增加。使用EIS監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範圍內很小。該系統包括向電池注入電流的必要電路，並允許校準和檢測電池中的小阻抗。

電池是非線性系統；因此，檢測電池I-V曲線的一個小樣本，使系統呈現偽線性行為。在偽線性系統中，正弦輸入產生的正弦輸出頻率完全相同，但相位和振幅發生了偏移。在EIS中，向電池應用交流激勵信號以獲得數據。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。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域對應於電池中發生的各種化學和物理過程。

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Warburg擴散電阻。

等效電路模型(ECM)使用簡單的電子電路來模擬電化學過程。該模型用一個簡單的電路來表示一個複雜的過程，以幫助分析和簡化計算。這些模型基於從測試電池中收集的數據。對電池的奈奎斯特圖進行表徵後，可以開發一種ECM。大多數商業EIS軟體都包含一個選項，用於創建一個特定的、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。在創建電池模型時，有四個常見參數表示電池的化學性質。

建立等效電路模型(ECM)的過程通常以經驗為基礎，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。Randel電路是最常見的ECM。Randel電路包括電解質電阻(RS)、雙層電容(CDL)和電荷轉移電阻(RCT)。雙層電容與電荷轉移電阻平行，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，而且是其他更複雜模型的起點。

簡化Randel電路的奈奎斯特圖始終是一個半圓。電解質電阻(RS)是通過讀取電池特性的高頻截點處的實軸值來確定的，即線穿過圖左側的x軸處就是高頻區。電解質電阻(RS)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移電阻(RCT)和電解質電阻（本例為270 Ω）的和。因此，半圓的直徑等於電荷轉移電阻(RCT)。

有些電池描繪兩個半圓形。第一個半圓對應固體電解質界面(SEI)。SEI的生長是由電解質的不可逆電化學分解引起的。如果是鋰離子電池，SEI則隨著電池的老化在負極處形成。這種分解的產物在電極表面形成一層固體。形成初始SEI層後，電解質分子無法通過SEI到達活性材料表面，與鋰離子和電子發生反應，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(RSEI)針對SEI的電阻建模。AD5941阻抗和電化學前端是EIS測量系統的核心。AD5941由一個低帶寬環路、一個高帶寬環路、一個高精度模數轉換器(ADC)和一個可編程開關矩陣組成。低帶寬環路由低功耗、雙輸出數模轉換器(DAC)和低功率跨阻抗放大器(TIA)組成，前者可產生VZERO和VBIAS，，後者可將輸入電流轉換為電壓。低帶寬環路用於低帶寬信號，其中激勵信號的頻率低於200 Hz，例如電池阻抗測量。

高帶寬環路用於EIS測量。高帶寬環路包括一個高速DAC，用於在進行阻抗測量時產生交流激勵信號。高帶寬環路有一個高速TIA，用於將高達200 kHz的高帶寬電流信號轉換為可由ADC測量的電壓。開關矩陣是一系列可編程開關，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。開關矩陣提供了一個接口，用於將外部校準電阻連接到測量系統。開關矩陣還提供電極連接的靈活性。

電池的阻抗通常在毫歐姆範圍內，需要一個類似值的校準電阻RCAL。此電路中的50 mΩ RCAL太小，AD5941無法直接測量。由於RCAL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，這對EIS應用至關重要。此外，在RCAL和實際電池上共用一個放大器有助於補償電纜、交流耦合電容和放大器產生的誤差。
      （責任編輯：fqj）

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