電路筆記:電池的電化學阻抗譜(上)
1 電路功能與優(yōu)勢
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202004/412560.htm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(fā)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(tài)(SOH)和充電狀態(tài)(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(fā)生不可逆變化。阻抗隨容量的下降而呈線性增加。使用EIS監(jiān)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。
2 電路描述
2.1 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(fā)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(qū)域對應于電池中發(fā)生的各種化學和物理過程(見圖2)。
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阻抗用字母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。
2.2 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(fā)一種ECM。大多數商業(yè)EIS軟件都包含一個選項,用于創(chuàng)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(chuàng)建電池模型時,有4個常見參數表示電池的化學性質。
1)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>1kHz時占主導。
2)雙層電容——CDL
CDL的特性如下:
● 發(fā)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1Hz~1kHz頻率范圍內占主導。
3)電荷轉移電阻——RCT
● 電阻是在電子從一種狀態(tài)轉移到另一種狀態(tài),即從固體(電極)轉移到液體(電解質)的過程中發(fā)生的;
● 隨電池的溫度和充電狀態(tài)而改變;
● 在1Hz~1kHz頻率范圍內占主導。
4)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<1Hz時占主導。
2.3 構建電池ECM
建立等效電路模型(ECM)的過程通常以經驗為基礎,需要使用各種等效電路模型進行實驗,直到模型與測量的奈奎斯特圖匹配。
下面幾節(jié)將介紹如何創(chuàng)建一個典型的電池模型。
1)Randel電路模型歐姆和電荷轉移效應
Randel電路是最常見的ECM。Randel電路包括電解質電阻(RS)、雙層電容(CDL)和電荷轉移電阻(RCT)。雙層電容與電荷轉移電阻平行,形成半圓模擬形狀。
簡化的Randel電路不僅是一個有用的基本模型,而且是其他更復雜模型的起點。
簡化Randel電路的奈奎斯特圖始終是一個半圓。電解質電阻(RS)是通過讀取電池特性的高頻截點處的實軸值來確定的,即線穿過圖左側的x軸處就是高頻區(qū)。在圖4中,電解質電阻(RS)是接近奈奎斯特圖起源的截點,為30Ω。另一(低頻)截點的實軸值是電荷轉移電阻(RCT)和電解質電阻(本例為270Ω)的和。因此,半圓的直徑等于電荷轉移電阻(RCT)。
2)Warburg電路模型——擴散效應
對Warburg電阻建模時,將組件W與RCT串聯添加(見圖5)。Warburg電阻的增加產生了45°線,在圖的低頻區(qū)很明顯(如圖6)。
2.3 組合Randel和Warburg電路模型
有些電池描繪2個半圓形。第1個半圓對應固體電解質界面(SEI)。SEI的生長是由電解質的不可逆電化學分解引起的。如果是鋰離子電池,SEI則隨著電池的老化在負極處形成。這種分解的產物在電極表面形成一層固體。
形成初始SEI層后,電解質分子無法通過SEI到達活性材料表面,與鋰離子和電子發(fā)生反應,從而抑制了SEI的進一步生長。
將2個Randel電路組合起來,為這種奈奎斯特圖建模(如圖7)。電阻(RSEI)針對SEI的電阻建模(如圖8)。
2.4 使用AD5941的電池阻抗解決方案
AD5941阻抗和電化學前端是EIS測量系統的核心。AD5941由1個低帶寬環(huán)路、1個高帶寬環(huán)路、1個高精度模數轉換器(ADC)和1個可編程開關矩陣組成。
低帶寬環(huán)路由低功耗、雙輸出數模轉換器(DAC)和低功率跨阻抗放大器(TIA)組成,前者可產生VZERO和VBIAS,后者可將輸入電流轉換為電壓。
低帶寬環(huán)路用于低帶寬信號,其中激勵信號的頻率低于200Hz,例如電池阻抗測量。
高帶寬環(huán)路用于EIS測量。高帶寬環(huán)路包括1個高速DAC,用于在進行阻抗測量時產生交流激勵信號。高帶寬環(huán)路有1個高速TIA,用于將高達200kHz的高帶寬電流信號轉換為可由ADC測量的電壓。
開關矩陣是一系列可編程開關,允許將外部引腳連接到高速DAC激勵放大器和高速TIA反相輸入端。開關矩陣提供了1個接口,用于將外部校準電阻連接到測量系統。開關矩陣還提供電極連接的靈活性。
電池的阻抗通常在m?范圍內,需要1個類似值的校準電阻RCAL。此電路中的50m? RCAL太小,AD5941無法直接測量。由于RCAL較小,外部增益級使用AD8694來放大接收信號。AD8694具有超低噪聲性能以及低偏置和漏電流參數,這對EIS應用至關重要。此外,在RCAL和實際電池上共用1個放大器,有助于補償電纜、交流耦合電容和放大器產生的誤差。
2.5 激勵信號
AD5941使用其波形發(fā)生器、高速DAC(HSDAC)和激勵放大器來產生正弦波激勵信號。頻率可編程,范圍為0.015mHz~200kHz。信號通過CE0引腳和外部達林頓對晶體管配置應用于電池,如圖9所示。需要電流放大器,因為激勵緩沖器所能產生的電流上限為3mA。典型電池需要高達50mA。
2.6 測量電壓
有2個電壓測量階段:①測量RCAL上的壓降;②測量電池電壓。每個組件上的壓降在微伏(μV)的范圍內很小。因此,測得的電壓通過1個外部增益級發(fā)送。增益放大器AD8694的輸出通過引腳AIN2和引腳AIN3直接發(fā)送到至AD5941芯片上的ADC。通過利用離散傅里葉變換(DFT)硬件加速度計,對ADC數據執(zhí)行DFT,其中實數和虛數計算并存儲在數據FIFO中,用于 RCAL電壓測量和電池電壓測量。ADG636對電池和RCAL進行多路復用,輸出至AD8694增益級。
需要ADG636開關的超低電荷注入和小漏電流來消除AD5941輸入引腳上的寄生電容。由于AIN2和AIN3引腳均用于RCAL測量和電池測量,阻抗測量的信號路徑是成比例的。
2.7 計算未知阻抗(ZUNKNOWN )
EIS采用比例式測量法(如圖10)。為了測量未知阻抗(ZUNKNOWN),在已知電阻RCAL上施加交流電流信號,并測量響應電壓VRCAL。然后在未知阻抗ZUNKNOWN上施加相同的信號,并測量響應電壓VUNKNOWN。對響應電壓執(zhí)行離散傅里葉變換,確定每次測量的實值和虛值??墒褂孟率接嬎阄粗杩梗?/p>
(未完待續(xù))
參考文獻:
[1] CN0510:Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)for Batteries[R/OL].www.analog.com/CN0510.
?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a品世界》2020年第05期第32頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。)
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