功能和优点图1所示电路是一个电化学阻抗谱(EIS)测量系统，用于表征锂离子(Li-Ion)和其他类型的电池。EIS是一种安全扰动技术，用于检测电化学系统中的过程。该系统在一定的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)。该系统使用超低功耗模拟前端(AFE)来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，电池化学成分发生不可逆的变化。阻抗随着容量的减小而线性增加。使用EIS监测电池阻抗的增加可以确定SOH和电池是否需要更换，从而减少系统停机时间和维护成本。
电池需要的是激励电流，而不是电压，阻抗值在毫欧范围内很小。该系统包括将电流注入电池的必要电路，并允许校准和检测电池中的小阻抗。
图一。简化电路功能框图
电路描述电池EIS理论
电池是一个非线性系统；因此，检测电池I-V曲线的小样本，使系统出现伪线性行为。在伪线性系统中，正弦输入产生相同的正弦输出频率，但相位和幅度发生偏移。在EIS中，交流激励信号被施加到电池上以获得数据。
EIS中的信息通常用奈奎斯特图表示，但也可以用波特图显示(本电路笔记重点介绍常见格式)。在奈奎斯特图中，阻抗的负虚部(Y轴)与阻抗的实部(X轴)相对应。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)。
图2:电池的奈奎斯特图显示了对应于电化学过程的不同区域。
这些过程使用电阻、电容和一个称为Warburg电阻的元件进行建模，Warburg电阻用字母W表示(更详细的描述见等效电路模型(ECM)部分)。没有简单的电子元件来代表沃伯格扩散电阻。
等效电路模型
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。该模型使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收集的数据。表征电池的奈奎斯特图后，可以开发ECM。大多数商业EIS软件都包含一个选项，可以创建一个特定的、唯一的等效电路模型，以更接近任何特定电池产生的奈奎斯特图的形状。创建电池模型时，有四个常用参数代表电池的化学性质。
电解(欧姆)电阻-RS
RS功能如下：
对应于电池中电解质的电阻
它受测试中使用的电极和电线长度的影响。
随着电池的老化而增加。
当频率为1 kHz时，占优势。
双电层电容器-—CDL
CDL的特点如下：
发生在电极和电解质之间。
它由电极周围两层平行相反的电荷组成。
在1赫兹至1千赫兹的频率范围内占主导地位
电荷转移电阻-—RCT
当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)时，就会产生电阻。
它随电池的温度和充电状态而变化。
在1赫兹至1千赫兹的频率范围内占主导地位
华堡抵抗运动—W
表示传质阻力，即扩散控制。
通常表现出45相移。
当频率“1 Hz”占优势时
表1提供了每个ECM部件的符号和表达式。
1.ECM部件
构建电池ECM
建立等效电路模型(ECM)的过程通常基于经验，需要对各种等效电路模型进行实验，直到模型与实测奈奎斯特图相匹配。
以下部分将描述如何创建典型的电池模型。
Randel电路模型的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并联，形成半圆形模拟形状。
简化的Randel电路不仅是一个有用的基本模型，也是其他更复杂模型的起点。
图3。兰德尔电路
图4。生成奈奎斯特图的简化Randel电路图
简化Randel电路的奈奎斯特图总是一个半圆。电解液电阻(RS)是通过读取电池特性高频截止点处的实轴值来确定的，即高频区域是图中左侧直线与X轴相交的地方。在图4中，电解质电阻(RS)是靠近奈奎斯特图原点的截止点，为30 。另一个(低频)交截点的实轴值是电荷转移电阻(RCT)和电解质电阻(本例中为270)之和。因此，半圆的直径等于电荷转移电阻(RCT)。
沃伯格电路模型-扩散效应
建模Warburg电阻时，将元件W与RCT串联(见图5)。Warburg电阻的增加产生了一条45线，这在图中的低频区很明显。
图5。沃伯格电路模型-扩散效应
图6。具有扩散效应的电解加工
Randel和Warburg组合电路模型
一些电池描绘了两个半圆。第一个半圆对应于固体电解质界面(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，随着电池的老化，在负极形成SEI。这种分解产物在电极表面形成一层固体。
初始SEI层形成后，电解质分子无法通过SEI到达活性物质表面，与锂离子和电子发生反应，从而抑制SEI的进一步生长。
两个Randel电路相结合来模拟该奈奎斯特图。阻力(RSEI)模拟SEI的阻力。
图8。修正的Randel电路模型；奈奎斯特图是SEI明显的锂离子电池。
利用AD5941求解电池阻抗
AD5941的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。
低带宽环路由一个低功耗、双输出数模转换器(DAC)和一个低功耗跨阻放大器(TIA)组成。前者可以产生VZERO和VBIAS，后者可以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。
高带宽回路用于EIS测量。高带宽环路包括一个高速DAC，用于在阻抗测量期间产生交流激励信号。高带宽环路有一个高速TIA，用于将最高200 kHz的高带宽电流信号转换为ADC可以测量的电压。
开关矩阵是一系列可编程开关，允许外部引脚连接到高速DAC驱动放大器和高速TIA反相输入。矩阵提供了将外部校准电阻连接到测量系统的接口。开关矩阵还提供了电极连接的灵活性。
电池的阻抗通常在毫欧范围内，需要一个具有类似阻值的校准电阻RCAL。这条赛道50米？6?8 RCAL太小，AD5941无法直接测量。由于RCAL很小，外部增益级使用AD8694来放大接收信号。AD8694具有超低噪声性能、低偏置和漏电流参数，这些特性对于EIS应用非常重要。此外，在RCAL和实际电池之间共享放大器有助于补偿电缆、交流耦合电容和放大器引起的误差。
激励信号
AD5941利用其波形发生器、高速DAC(HSDAC)和驱动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施加于电池，如图9所示。需要一个电流放大器，因为激励缓冲器能够产生的电流上限为3 mA。通常，电池需要高达50毫安的电流。
图9。达林顿晶体管对
测量电压
电压测量有两个阶段。首先，测量RCAL的压降。其次，测量电池电压。每个元件上的压降很小(V ),在微伏范围内。因此，测得的电压通过外部增益级发送。增益放大器AD8694的输出通过引脚AIN2和引脚AIN3直接发送至AD5941芯片上的ADC。离散傅里叶变换(DFT)硬件加速度计用于对ADC数据执行DFT，计算实数和虚数并存储在数据FIFO中，用于RCAL电压测量和电池电压测量。ADG636多路复用电池和RCAL，并将其输出至AD8694的增益级。
ADG636开关需要超低电荷注入和小漏电流，以消除AD5941输入引脚上的寄生电容。由于AIN2和AIN3引脚用于RCAL测量和电池测量，因此阻抗测量的信号路径是成比例的。
计算未知阻抗(未知)
EIS采用比例测量法。为了测量ZUNKNOWN阻抗，将交流信号施加到已知电阻RCAL，并测量响应电压VRCAL。然后，将相同的信号施加到未知阻抗ZUNKNOWN，并且测量响应电压VZUNKNOWN。对响应电压进行离散傅立叶变换，确定每次测量的实值和虚值。未知阻抗可通过以下公式计算：
图10。EIS勘测图
电路评估和测试
以下部分概述了CN-0510电路设计的测试程序和结果收集。有关硬件和软件设置的完整详情，请参考CN-0510用户指南。
设施请求
带USB端口和Windows 7或更高版本的PC。
EVAL-AD5941BATZ电路板
Eval-ADI cup 3029开发板
CN-0510参考软件
Usb a型转微型USB电缆
卡口式尼尔-康塞尔曼(BNC)连接器，用于连接夹子/鳄鱼夹
电池(被测设备，DUT)
图11。参考设计板
开始被使用
1.通过Arduino连接器将EVAL-AD5941BATZ连接到EVAL-ADICUP3029。
2.插入BNC，连接F、F、S和S上的电缆
3.将微型USB电缆连接到EVAL ADI cup 3029上的P10，为开发板供电，并将USB电缆的另一端插入计算机。
A.连接电池之前，请确保开发板已通电，以避免短路。
4.从GitHub下载示例固件。
下载说明可在analog.com维基网站上找到。
5.将嵌入式软件配置为应用所需的参数。
A.使用AD5940BATStrucTInit(void)函数。(例子如下。)
图12。固件配置
A.使用建议的交互式开发环境(IDE)构建代码，并将其下载到EVAL-ADICUP3029目标板。安装详情参见AD5940用户指南。
6.如图13所示连接电池。将F和S引线连接到电池的正极，将S-和F-连接到电池的负极。
7.按下EVAL adicup 3029上的3029-复位按钮。
图13。完整的EIS电池系统
电池测试和结果
1.使用程序(如RealTerm)打开串行终端。
2.将波特率配置为230，400。
A.选择EVAL-ADICUP3029连接的COM端口。
3.测量结果通过UART传输，可以保存到文件中进行分析。
请注意，校准功能在程序开始时执行一次。如果激励频率较低，至少需要4个周期才能捕捉到波形。测量0.1 Hz需要40多秒。
请注意，硬件针对1 Hz以上的频率进行了优化。由于外部放大器的1/f噪声，低于该值的测量噪声更大。
图14。结果显示在终端程序中
图15显示了用EVAL-AD5941BATZ测量的示例锂离子电池的奈奎斯特图。
图15。奈奎斯特图(扫描范围为1.11 Hz至50 kHz)
标签：电池电路图