电池阻抗谱的概念和作用
电池作为一种储能电化学系统,在近 40 年来一直被不断深入研究。随着新能源的发展势头愈加强劲,人们对电池的生产和测试威廉希尔官方网站 要求越来越高,以达到最大化利用电化学能量、提高电池产品性能的目的。电化学阻抗谱 (EIS) 是对电池测量的威廉希尔官方网站 手段之一,这种方法是使用多种正弦交流信号激励扰动电池电极,再采样分析其响应信号,它能够表征非常丰富的电池电化学特征信息。
对于电池 EIS 应用中,扫描的频率范围可以从 uHz 至 MHz 级别,将这一系列频点的复阻抗结果通过数学运算转换为实部和虚部后,可以绘制成奈奎斯特图,对电池的研究和生产工作有重要指导意义,奈奎斯特图的横轴是复阻抗的实部分量、纵轴是复阻抗的负虚部分量。如下图 (图1) 所示的是一种典型的锂离子电池 EIS 奈奎斯特图,对这类图形一般进行分区域分析。
图1典型的锂电池
上图 (图1) 从左至右大致分为三个区域:最左侧较为垂直的部分体现的是电池的欧姆效应,由 1kHz 以上的扰动信号测量所得,反映电池内部电解质特性,它会随着电池老化而明显增大 (图线向右偏移) ;中间类似半圆的部分则体现电池的电荷转移效应及电容效应,由 1Hz 至 1kHz 的扰动信号测量所得,反映电子从电极到电解质的迁移过程;最右侧 45 度角度上升部分体现的是电池的扩散效应,由 1Hz 以下的扰动信号测量所得,反映离子扩散的阻力。
由此可见,EIS 结果的奈奎斯特图的不同区域对应了电池内部的物理化学过程,通过数据的解析,可以定量或半定量地提取电池电极过程动力学信息。这项工作无论对电池工艺研究还是电芯制造生产都具有重要意义:对于工艺研究,它能够指导电极、隔膜、电解液等材料的优化;对于制造生产,它可以作为电芯出厂检验的重要手段。电池 EIS 扫描还有用于汽车电池寿命预测分析等场景,可降低工业应用中的停机时间和维护成本。
阻抗谱扫描的威廉希尔官方网站 手段与挑战
目前电池 EIS 扫描的常用手段是使用电化学工作站,这是因为电池也是属于电化学系统的一种。如下图 (图2) 所示,进行 EIS 扫描时,电化学工作站与电池的连接方法及工作原理示意图。考虑到功能的通用性,电化学工作站是常规的三线系统,分别为对电极 CE 、参比电极 RE 、工作电极 WE 。而电池作为两电极式的电化学系统,在与电化学工作站连接时,CE 、RE 需要接在一起并连接至电池负极;WE 连接至电池正极。
图2 电化学工作站测量电池 EIS的连接方法
电化学工作站通过 CE/RE 端向电池负极施加不同频率的电压扰动信号,而电池正极由于本身的电势差会向 WE 端流入电流,在此扰动下,这个电流将会是交流变化的。电化学工作站将这个变化的电流信号进行转换采集,并加以 DFT 等数学运算,最终形成一系列复阻抗结果输出。
电化学工作站作为一种专用的 EIS 扫描仪器,其准确度和专业度是不言而喻的,但在实际的工程应用中,它也存在着明显的缺点限制:电化学工作站的威廉希尔官方网站 难度和设备成本居高不下,行业内只有少数厂商具备设计制造能力,直接阻碍了电池 EIS 扫描测试的批量化应用进程,实际电池生产工厂中难以大规模部署这种出厂测试仪器。
其次,电化学工作站基于电压扰动的原理,若操作不当,会破坏电池内部稳定的化学平衡体系,造成电池材料的永久性不可逆损害。在用于燃料电池等特殊电化学系统时,电压扰动信号中的直流成分会改变活性电极的化学特征,使扫描得到的 EIS 结果失准。
高精度低成本的电池 EIS 扫描平台
ADI 作为高端仪器的芯片方案解决商,在交流阻抗威廉希尔官方网站 方面拥有深入的威廉希尔官方网站 储备和领先的性能产品。针对电池 EIS 扫描这一应用场景,ADI 围绕 AD5941 这款interwetten与威廉的赔率体系 前端芯片,提出了整体解决方案。骏龙科技基于这一解决方案,结合工程实际和客户使用需求,推出了一种高精度低成本的电池 EIS 扫描电路板级产品。
如下图 (图3) 所示的是本方案的核心功能 — EIS 扫描的电路结构原理。AD5941 是一款集成了 DAC、运放、ADC、数字预处理核等功能的模拟前端 (AFE) 芯片。测量使用的激励信号是连接三极管组成的放电电路,控制电池的正极进行不同频率的正弦波放电,这与电化学工作站的激励原理有着本质区别,使得原本的电池扰动过程变为了一种可控放电过程,从原理上完全避免了对电池的影响和潜在损害。
电路的接收采集分为了两条路径:参考电阻和被测电池,并用模拟开关 ADG636 进行切换。系统先测量高精度参考电阻的各目标频点的响应信号并记录,后续测量被测电池时,将其响应信号进行比例换算,即可得到准确数值。
图3电池 EIS扫描电路结构图
参考电阻和被测电池的复阻抗都在毫欧姆级别,且在放电激励下的响应电压幅度是 uV 级微弱信号,再由 AD8694 搭建的差分结构进行放大送入 AD5941,因此该系统对电路性能的要求是比较高的。AD5941 作为一款专用器件,在实现高度集成化的前提下,还能够满足高精度性能。
AD5941 除了具备优秀的模拟电路,还内置了硬件 DFT 数字功能模块,芯片可以自动按照指令顺序进行数学运算等处理,用户直接读取芯片寄存器数据即可。更重要的是,本文提出的 EIS 扫描方案的电路成本仅为百元人民币级别。基于这个 EIS 扫描电路方案,我们改进并设计了板级产品,它是全功能型硬件产品,方便工程师快速上手使用。实物图如下图 (图4) 所示:
图4 电池 EIS 功能板产品实物图
板级产品具备的功能特性
电池开路电压测量功能
一体式的四线制开尔文测试线
电路自动校准保障长期准确性
板载及可外接的运行模式指示灯
用于多通道并行使用的交互协议和硬件设计
可灵活配置的 15mHz 至 200kHz 电池 EIS 扫描功能
成品板级的功能板卡可以保障电路制造方面的性能,使不同批次产品的测量结果一致性更好。从电路板设计层面,电路需要按照功能特点进行布局和走线,否则会影响精密模拟电路的性能;从软件层面,需要基于 AD5941 的功能进行合理配置、读取数据并进行数据二次运算加工。另外,还要考虑多通道应用、开路电压测量等行业客户实际需求。
优异的性能表现与高性价比
为了验证本文提出的 EIS 扫描平台的性能表现,在实际测试中,使用了 2 种电池与某型号电化学工作站进行对比实验。测试频段为 1Hz 至 10kHz,采用 Log 分布方式扫描了共 30 个频点。
对于板级产品,可以直接输出频点、复阻抗实部、负虚部的数值,无需任何数据转换即可直接绘制奈奎斯特图。如下图 (图5、图6) 所示,分别为某 3800mAh 平板锂聚合物电池的 EIS 扫描奈奎斯特对比图,以及 5000mAh 型号的扫描结果对比图。
通过图线对比,可以看到本方案的 EIS 奈奎斯特图线形状与电化学工作站完全一致,能够表征电池的电极过程动力学特征。通过细节观察还可以发现,本方案的奈奎斯特图线整体比电化学工作站的图线向左侧平移,即整体测量得到的复阻抗实部更小,这说明此款板级产品相比电化学工作站有更低的线损,测量结果更接近电池的真实值。
综合来看,本方案在性能上能够媲美动辄上万元的电化学工作站,因此它拥有绝对的性价比优势。需要注意的是,两者相比而言,电化学工作站针对 1Hz 以下频点的扫描是更具备优势的,而本方案原理受限于放大器 1/f 噪声问题,并不擅长准确测量 1Hz 以下的频点数据,本文未做比对,在此推荐用户只将本方案用于 1Hz 以上的电池 EIS 扫描。
多通道并行和易用交互指令
结合实际用户的使用需求,板级产品专门设计开发了多通道并行的硬件特性和软件协议。如下图 (图7) 所示,展示了八通道方案实物图。
图7八通道电池 EIS扫描方案实物图
如下图 (图8) 所示,展示了本方案针对多通道应用的硬件设计功能点:
8 档拨码开关用于自定义地址位
入口隔离电源方式避免通道间串扰
隔离式 485 接口实现类 Modbus 协议
总线式主板设计,兼容多种通信接口
图8适配多通道的硬件设计
前文提到由于电路前级接收的模拟信号十分微弱,因此为了保障测量结果的一致性,对电路板设计的要求较高。如下图 (图9) 所示,为随机测试的两块功能板对同一电池的 EIS 扫描结果 (1Hz 至 5kHz)。通过横向数据比对,两个通道的各频点测量结果误差保持在 1% 以内,能够控制在低于 1 毫欧姆的水平,因此说明本板卡产品有较好的一致性。
图9 两块功能板的扫描结果一致性对比
对于数据交互指令,主要是对各通道的扫描参数进行配置,包括 EIS 起止频率、扫描点数、激励强度等,其次就是运行模式控制指令及数据读取指令。交互指令的架构是采用类似 Modbus 的主动轮询式,以防止多通道之间的数据冲突,但与传统 Modbus 十六进制数据包不同的是,全部指令均为自然语言的易读字符串,如下图 (图10) 所示是部分指令交互效果,可以直接使用类似串口助手的 PC 端工具软件。当然,如果需要传统 Modbus 或其他形式的交互协议,可以联系咨询骏龙科技的威廉希尔官方网站 人员定制开发。
图10易读型交互指令效果
总结
电池的 EIS 扫描是一项先进且实用的电池研究、测试手段,但受限于电化学工作站的高昂设备成本,行业内很难进行批量实施。本文介绍了 ADI 的电池 EIS 方案平台的工作原理,并基于此威廉希尔官方网站 进行升级改进,推出了板级功能产品。通过扫描结果与电化学工作站对比、板间一致性对比,表明本方案产品在性能指标上能够满足实际应用。此外,本方案具有低成本、支持多通道的特点,使电池 EIS 扫描的大规模使用成为可能。
审核编辑:汤梓红
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原文标题:高精度低成本电池阻抗谱扫描平台
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