电路笔记：电池的电化学阻抗谱(EIS)

电路评估板

电池测量板（EVAL－AD5941BATZ）

Arduino尺寸超低功耗Arm Cortex－M3开发平台（EVAL－ADICUP3029）

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单、软件

电路功能与优势

图1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。

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。

图1．简化电路功能框图

电路描述

电池EIS理论

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（本电路笔记侧重常见格式）。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（见图2）。

图2：电池的奈奎斯特图显示与电化学过程相对应的不同区域

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）

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。

电解（欧姆）电阻—RS

RS的特性如下：

对应于电池中电解质的电阻

在进行测试时受电极和所用导线长度的影响

随电池的老化而增加

当频率＞1 kHz时占主导

双层电容—CDL

CDL的特性如下：

发生在电极和电解质之间

由围绕电极的两层平行的相反电荷组成

在1 Hz至1 kHz频率范围内占主导

电荷转移电阻—RCT

电阻是在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）的过程中发生的

随电池的温度和充电状态而改变

在1 Hz至1 kHz频率范围内占主导

Warburg（扩散）电阻—W

表示对质量转移即扩散控制的阻力

典型地表现45°相移

当频率＜1 Hz时占主导

表1提供了每个ECM组件的符号和表达式。

表1．ECM组件

审核编辑：符乾江