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基于电化学阻抗谱测量方法精准监测锂电池状态

【导读】虽说汽车电动化已成大势,但正值冬季,不少想买电动汽车的朋友总担心在电动汽车的续航不够,甚至在严寒的天气里在车内开空调也变成一件奢侈的事情。事实上,低温一直以来都是电池的大敌,电动汽车动力电池也一样害怕低温,这是由电动汽车动力电池材料特性决定的。绝大部分电动汽车动力电池材料由正极的多元素锂材料和负极的石墨材料构成,锂离子在电解液中由电势差和电解液浓度差驱动穿过隔膜形成电流。但是锂离子在低温下活性降低,可以穿过隔膜的锂离子变少了,表现为低温下动力电池的内阻增加,可用电量减少。


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锂离子电池工作原理


采用现代化测试手段研究锂离子电池性能是降低电池成本、提高续航里程的重要实现形式。

电化学阻抗谱(EIS)广泛应用于锂离子电池正负极材料分析、锂离子脱嵌动力学参数研究、固体电解质、界面反应和SOC预测等方面的研究,是分析锂离子电池性能的有力工具。


下图所示的电路是电化学阻抗谱测量系统,用于表征锂离子和其他类型的电池。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,该系统测量电池在一定频率范围内的阻抗。这些数据可以确定电池的运行状态(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。


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简化电路功能框图


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完整 EIS 电池系统


由于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。ADI公司的阻抗和电化学前端AD5941是EIS测量系统的核心。


AD5941 是一款高精度、低功耗模拟前端 (AFE),专为需要高精度、基于电化学的测量技术(如电流、伏安或阻抗测量)的便携式应用而设计。AD5941由一个低带宽环路、一个高带宽环路、一个高精度模数转换器(ADC)和一个可编程开关矩阵组成,其中:


● 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200 Hz,例如电池阻抗测量


● 高带宽环路用于EIS测量。高带宽环路包括一个高速DAC,用于在进行阻抗测量时产生交流激励信号。高带宽环路有一个高速TIA,用于将高达200 kHz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。开关矩阵提供了一个接口,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。


由于电池的阻抗通常在毫欧姆范围内,还需要一个类似值的校准电阻RCAL。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,这对EIS应用至关重要。此外,在RCAL和实际电池上共用一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。


其工作原理为AD5941使用波形发生器、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0.015 mHz至200 kHz。信号通过CE0引脚和外部达林顿对晶体管配置应用于电池。该电路需要电流放大器,因为激励缓冲器所能产生的电流上限为3 mA。典型电池需要高达50 mA。


该过程中有两个电压测量阶段。首先,测量RCAL上的压降。其次,测量电池电压。每个组件上的压降在微伏的范围内很小(μV)。因此,测得的电压通过一个外部增益级发送。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。


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EIS测量图


EIS采用比例式测量法。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VZUNKNOWN。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:


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电化学内阻图谱测试方法是通过注入一定的电流把电池的电压变化,来分析在不同频率的电流情况下,通过它的电压电流特性来反映出整个电池里面内阻变化,也就基本上能反映出电池电化学特性的变化。它对于整个电池的寿命预测,包括对于电池能否安全工作是一个很关键的参数。这种电化学内阻的测试也是一个相对比较复杂的技术,ADI基于高精度、阻抗和电化学前端芯片AD5941提供了一种相对比较简单、成本比较低的一种方式,可以估算出电池电化学内阻。



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