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电子工程世界 技术文章—电路笔记：电池的电化学阻抗谱(EIS)( 二 )


下面几节将介绍如何创建一个典型的电池模型 。
Randel电路模型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平行 ， 形成半圆模拟形状 。
简化的Randel电路不仅是一个有用的基本模型 ， 而且是其他更复杂模型的起点 。
图3.Randel电路
电子工程世界 技术文章—电路笔记：电池的电化学阻抗谱(EIS)
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图4.产生奈奎斯特图的简化Randel电路图
简化Randel电路的奈奎斯特图始终是一个半圆 。 电解质电阻(RS)是通过读取电池特性的高频截点处的实轴值来确定的 ， 即线穿过图左侧的x轴处就是高频区 。 在图4中 ， 电解质电阻(RS)是接近奈奎斯特图起源的截点 ， 为30Ω 。 另一（低频）截点的实轴值是电荷转移电阻(RCT)和电解质电阻（本例为270Ω）的和 。 因此 ， 半圆的直径等于电荷转移电阻(RCT) 。
Warburg电路模型—扩散效应
对Warburg电阻建模时 ， 将组件W与RCT串联添加（见图5） 。 Warburg电阻的增加产生了45°线 ， 在图的低频区很明显 。
图5.Warburg电路模型—扩散效应
电子工程世界 技术文章—电路笔记：电池的电化学阻抗谱(EIS)
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图6.具有扩散效应的ECM
组合Randel和Warburg电路模型
有些电池描绘两个半圆形 。 第一个半圆对应固体电解质界面(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 ， SEI则随着电池的老化在负极处形成 。 这种分解的产物在电极表面形成一层固体 。
形成初始SEI层后 ， 电解质分子无法通过SEI到达活性材料表面 ， 与锂离子和电子发生反应 ， 从而抑制了SEI的进一步生长 。
将两个Randel电路组合起来 ， 为这种奈奎斯特图建模 。 电阻(RSEI)针对SEI的电阻建模 。
图7.两个Randel电路
电子工程世界 技术文章—电路笔记：电池的电化学阻抗谱(EIS)
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图8.修改的Randel电路模型；奈奎斯特图是一个具有明显SEI的锂离子电池
使用AD5941的电池阻抗解决方案
AD5941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 。
低带宽环路由低功耗、双输出数模转换器(DAC)和低功率跨阻抗放大器(TIA)组成 ， 前者可产生VZERO和VBIAS ，， 后者可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200Hz ， 例如电池阻抗测量 。
高带宽环路用于EIS测量 。 高带宽环路包括一个高速DAC ， 用于在进行阻抗测量时产生交流激励信号 。 高带宽环路有一个高速TIA ， 用于将高达200kHz的高带宽电流信号转换为可由ADC测量的电压 。
开关矩阵是一系列可编程开关 ， 允许将外部引脚连接到高速DAC激励放大器和高速TIA反相输入端 。 开关矩阵提供了一个接口 ， 用于将外部校准电阻连接到测量系统 。 开关矩阵还提供电极连接的灵活性 。
电池的阻抗通常在毫欧姆范围内 ， 需要一个类似值的校准电阻RCAL 。 此电路中的50m?RCAL太小 ， AD5941无法直接测量 。 由于RCAL较小 ， 外部增益级使用AD8694来放大接收信号 。 AD8694具有超低噪声性能以及低偏置和漏电流参数 ， 这对EIS应用至关重要 。 此外 ， 在RCAL和实际电池上共用一个放大器有助于补偿电缆、交流耦合电容和放大器产生的误差 。
激励信号
AD5941使用其波形发生器、高速DAC(HSDAC)和激励放大器来产生正弦波激励信号 。 频率可编程 ， 范围为0.015mHz至200kHz 。 信号通过CE0引脚和外部达林顿对晶体管配置应用于电池 ， 如图9所示 。 需要电流放大器 ， 因为激励缓冲器所能产生的电流上限为3mA 。 典型电池需要高达50mA 。


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