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[电子] 模拟电路知识之电池的电化学阻抗谱(EIS)

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发表于 2020-5-21 21:17:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
模拟电路知识之电池的电化学阻抗谱(EIS)


图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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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。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。

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电阻用字母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,有四个常见参数表示电池的化学性质。

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。

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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。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270 Ω)的和。因此,半圆的直径等于电荷转移电阻(RCT)。

有些电池描绘两个半圆形。第一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。

将两个Randel电路组合起来,为这种奈奎斯特图建模。电阻(RSEI)针对SEI的电阻建模。AD5941阻抗和电化学前端是EIS测量系统的核心。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。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。

电池的阻抗通常在毫欧姆范围内,需要一个类似值的校准电阻RCAL。此电路中的50 mΩ 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,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。
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