1 电路功能及优点

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图1所示的电路是电化学阻抗谱(EIS)用于表示锂离子的测量系统(Li-Ion)还有其他类型的电池。EIS是一种安全扰动技术，用于检测电化学系统内部技术。该系统在一定频率范围内测量电池的阻抗。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)，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的不可逆变化。阻抗随容量的下降而线性增加。EIS可以确定监测电池阻抗的增加SOH是否需要更换电池，以降低系统的停机时间和维护成本。

电池需要激励电流，而不是电压，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。

2 电路描述

2.1 电池EIS理论

电池是非线性系统；因此，检测电池I-V曲线的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，但相位和振幅偏移。EIS通过向电池应用程序交流激励信号以获取数据。

EIS奈奎斯特图常用于中国信息，但波特图也可用于显示（本电路笔记侧重于常见格式）。在奈奎斯特图中，阻抗的负虚量（y轴)和阻抗的实分量（x轴)绘图。奈奎斯特图的不同区域对应于电池中的各种化学和物理过程(见图2)。

这些过程使用电阻、电容和一种称为电阻Warburg建模电阻元件，Warburg字母W表示阻抗(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。

2.2 等效电路模型(ECM)

等效电路模型(ECM)模拟电化学过程采用简单的电子电路(电阻和电容)。该模型用简单的电路来表示复杂的过程，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。在表征电池的奈奎斯特图后，可以开发一种ECM。大多数商业EIS该软件包含创建特定和独特的等效电路模型的选项，以更接近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，有四个常见的参数来表示电池的化学性质。

1)电解(欧姆)电阻——RS

RS 特点如下：

● 对应电池中电解质的电阻；

● 受电极和所用导线长度的影响；

● 随着电池老化而增加；

● 当频率>1kHz时占主导。

2）双层电容——CDL

CDL特点如下：

● 发生在电极和电解质之间；

● 由电极周围两层平行的相反电荷组成；

● 在1Hz～1kHz在频率范围内占主导地位。

3)电荷转移电阻——RCT

● 电阻发生在电子从一种状态转移到另一种状态的过程中，即从固体(电极)转移到液体(电解质)；

● 随电池温度和充电状态而变化；

● 在1Hz~1kHz在频率范围内占主导地位。

4）Warburg(扩散)电阻——W

● 表示对质量转移扩散控制的阻力；

● 典型地表现45°相移；

● 当频率<1Hz时占主导。

2.3 构建电池ECM

建立等效电路模型(ECM)在模型与测量的奈奎斯特图匹配之前，通常需要使用各种等效电路模型进行实验。

以下几节将介绍如何创建典型的电池模型。

1）Randel电路模型欧姆和电荷转移效应

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奈奎斯特图总是半圆。电解质电阻(RS)它是通过读取电池特性的高频截点的实轴值来确定的，即线穿过图左侧的x轴是高频区。在图4中，电解质电阻(RS)30是接近奈奎斯特图起源的截点Ω。另一个(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，半圆直径等于电荷转移电阻(RCT)。

2）Warburg电路模型-扩散效应

对Warburg电阻建模时，组件W和RCT串联添加(见图5)。Warburg电阻的增加导致45°电线在图中的低频区域很明显(。由于激励缓冲器产生的电流上限为3，因此需要电流放大器mA。典型的电池需要50元mA。

2.6 测量电压

有两个电压测量阶段：①测量RCAL上的压降；②测量电池电压。微伏压降在每个组件上(μV)的范围内很小。因此，测量的电压通过外部增益级发送。增益放大器AD通过引脚输出8694AIN2和引脚AIN3直接发送到AD5941芯片上的ADC。通过使用离散的傅里叶转换(DFT)硬件加速度计，对ADC数据执行DFT，实数和虚数计算并存储在数据中FIFO中，用于 RCAL电压测量和电池电压测量。ADG636对电池和RCAL多路复用，输出到AD8694增益级。

需要ADG消除636开关的超低电荷注入和小漏电流AD5941输入引脚上的寄生电容。AIN2和AIN3引脚均用于RCAL阻抗测量的信号路径与电池测量成比例。

2.7 计算未知阻抗(ZUNKNOWN )

EIS采用比例测量法(如图10所示)。测量未知阻抗(ZUNKNOWN)，在已知电阻RCAL施加交流电流信号，测量响应电压VRCAL。然后阻抗未知ZUNKNOWN相同的信号应用于测量响应电压VUNKNOWN。离散傅里叶转换响应电压，确定每次测量的实际值和虚拟值。未知阻抗可以通过以下公式计算：

(未完待续)

参考文献：

[1] CN0510:Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)for Batteries[R/OL].www.analog.com/CN0510.

(注:本文来源于科技期刊《AD/AD2020年第05期第32页，欢迎您在写论文时引用，并注明出处。

下一个链接：电路笔记：电池的电化学阻抗谱(EIS)（下） http://www.eepw.com.cn/article/202005/413598.htm