電路評估板

電池測量板（EVAL－AD5941BATZ）

Arduino尺寸超低功耗Arm Cortex－M3開發平臺（EVAL－ADICUP3029）

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單、軟件

電路功能與優勢

圖1所示的電路是電化學阻抗譜（EIS）測量系統，用于表征鋰離子（Li－Ion）和其他類型的電池。EIS是一種用于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范圍內的阻抗。這些數據可以確定電池的運行狀態（SOH）和充電狀態（SOC）。該系統采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范圍內很小。該系統包括向電池注入電流的必要電路，并允許校準和檢測電池中的小阻抗。

圖1．簡化電路功能框圖

電路描述

電池EIS理論

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（本電路筆記側重常見格式）。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于電池中發生的各種化學和物理過程（見圖2）。

圖2：電池的奈奎斯特圖顯示與電化學過程相對應的不同區域

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）

等效電路模型（ECM）使用簡單的電子電路（電阻和電容）來模擬電化學過程。該模型用一個簡單的電路來表示一個復雜的過程，以幫助分析和簡化計算。這些模型基于從測試電池中收集的數據。對電池的奈奎斯特圖進行表征后，可以開發一種ECM。大多數商業EIS軟件都包含一個選項，用于創建一個特定的、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。

電解（歐姆）電阻—RS

RS的特性如下：

對應于電池中電解質的電阻

在進行測試時受電極和所用導線長度的影響

隨電池的老化而增加

當頻率＞1 kHz時占主導

雙層電容—CDL

CDL的特性如下：

發生在電極和電解質之間

由圍繞電極的兩層平行的相反電荷組成

在1 Hz至1 kHz頻率范圍內占主導

電荷轉移電阻—RCT

電阻是在電子從一種狀態轉移到另一種狀態，即從固體（電極）轉移到液體（電解質）的過程中發生的

隨電池的溫度和充電狀態而改變

在1 Hz至1 kHz頻率范圍內占主導

Warburg（擴散）電阻—W

表示對質量轉移即擴散控制的阻力

典型地表現45°相移

當頻率＜1 Hz時占主導

表1提供了每個ECM組件的符號和表達式。

表1．ECM組件