電池阻抗譜的概念和作用

電池作為一種儲能電化學系統(tǒng)，在近 40 年來一直被不斷深入研究。隨著新能源的發(fā)展勢頭愈加強勁，人們對電池的生產(chǎn)和測試技術(shù)要求越來越高，以達到最大化利用電化學能量、提高電池產(chǎn)品性能的目的。電化學阻抗譜 (EIS) 是對電池測量的技術(shù)手段之一，這種方法是使用多種正弦交流信號激勵擾動電池電極，再采樣分析其響應(yīng)信號，它能夠表征非常豐富的電池電化學特征信息。

對于電池 EIS 應(yīng)用中，掃描的頻率范圍可以從 uHz 至 MHz 級別，將這一系列頻點的復阻抗結(jié)果通過數(shù)學運算轉(zhuǎn)換為實部和虛部后，可以繪制成奈奎斯特圖，對電池的研究和生產(chǎn)工作有重要指導意義，奈奎斯特圖的橫軸是復阻抗的實部分量、縱軸是復阻抗的負虛部分量。如下圖 (圖1) 所示的是一種典型的鋰離子電池 EIS 奈奎斯特圖，對這類圖形一般進行分區(qū)域分析。

圖1典型的鋰電池

上圖 (圖1) 從左至右大致分為三個區(qū)域：最左側(cè)較為垂直的部分體現(xiàn)的是電池的歐姆效應(yīng)，由 1kHz 以上的擾動信號測量所得，反映電池內(nèi)部電解質(zhì)特性，它會隨著電池老化而明顯增大 (圖線向右偏移) ；中間類似半圓的部分則體現(xiàn)電池的電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)及電容效應(yīng)，由 1Hz 至 1kHz 的擾動信號測量所得，反映電子從電極到電解質(zhì)的遷移過程；最右側(cè) 45 度角度上升部分體現(xiàn)的是電池的擴散效應(yīng)，由 1Hz 以下的擾動信號測量所得，反映離子擴散的阻力。

由此可見，EIS 結(jié)果的奈奎斯特圖的不同區(qū)域?qū)?yīng)了電池內(nèi)部的物理化學過程，通過數(shù)據(jù)的解析，可以定量或半定量地提取電池電極過程動力學信息。這項工作無論對電池工藝研究還是電芯制造生產(chǎn)都具有重要意義：對于工藝研究，它能夠指導電極、隔膜、電解液等材料的優(yōu)化；對于制造生產(chǎn)，它可以作為電芯出廠檢驗的重要手段。電池 EIS 掃描還有用于汽車電池壽命預測分析等場景，可降低工業(yè)應(yīng)用中的停機時間和維護成本。

阻抗譜掃描的技術(shù)手段與挑戰(zhàn)

目前電池 EIS 掃描的常用手段是使用電化學工作站，這是因為電池也是屬于電化學系統(tǒng)的一種。如下圖 (圖2) 所示，進行 EIS 掃描時，電化學工作站與電池的連接方法及工作原理示意圖。考慮到功能的通用性，電化學工作站是常規(guī)的三線系統(tǒng)，分別為對電極 CE 、參比電極 RE 、工作電極 WE 。而電池作為兩電極式的電化學系統(tǒng)，在與電化學工作站連接時，CE 、RE 需要接在一起并連接至電池負極；WE 連接至電池正極。

圖2 電化學工作站測量電池 EIS的連接方法

電化學工作站通過 CE/RE 端向電池負極施加不同頻率的電壓擾動信號，而電池正極由于本身的電勢差會向 WE 端流入電流，在此擾動下，這個電流將會是交流變化的。電化學工作站將這個變化的電流信號進行轉(zhuǎn)換采集，并加以 DFT 等數(shù)學運算，最終形成一系列復阻抗結(jié)果輸出。

電化學工作站作為一種專用的 EIS 掃描儀器，其準確度和專業(yè)度是不言而喻的，但在實際的工程應(yīng)用中，它也存在著明顯的缺點限制：電化學工作站的技術(shù)難度和設(shè)備成本居高不下，行業(yè)內(nèi)只有少數(shù)廠商具備設(shè)計制造能力，直接阻礙了電池 EIS 掃描測試的批量化應(yīng)用進程，實際電池生產(chǎn)工廠中難以大規(guī)模部署這種出廠測試儀器。

其次，電化學工作站基于電壓擾動的原理，若操作不當，會破壞電池內(nèi)部穩(wěn)定的化學平衡體系，造成電池材料的永久性不可逆損害。在用于燃料電池等特殊電化學系統(tǒng)時，電壓擾動信號中的直流成分會改變活性電極的化學特征，使掃描得到的 EIS 結(jié)果失準。

高精度低成本的電池 EIS 掃描平臺

ADI 作為高端儀器的芯片方案解決商，在交流阻抗技術(shù)方面擁有深入的技術(shù)儲備和領(lǐng)先的性能產(chǎn)品。針對電池 EIS 掃描這一應(yīng)用場景，ADI 圍繞 AD5941 這款模擬前端芯片，提出了整體解決方案。駿龍科技基于這一解決方案，結(jié)合工程實際和客戶使用需求，推出了一種高精度低成本的電池 EIS 掃描電路板級產(chǎn)品。

如下圖 (圖3) 所示的是本方案的核心功能 — EIS 掃描的電路結(jié)構(gòu)原理。AD5941 是一款集成了 DAC、運放、ADC、數(shù)字預處理核等功能的模擬前端 (AFE) 芯片。測量使用的激勵信號是連接三極管組成的放電電路，控制電池的正極進行不同頻率的正弦波放電，這與電化學工作站的激勵原理有著本質(zhì)區(qū)別，使得原本的電池擾動過程變?yōu)榱艘环N可控放電過程，從原理上完全避免了對電池的影響和潛在損害。

電路的接收采集分為了兩條路徑：參考電阻和被測電池，并用模擬開關(guān) ADG636 進行切換。系統(tǒng)先測量高精度參考電阻的各目標頻點的響應(yīng)信號并記錄，后續(xù)測量被測電池時，將其響應(yīng)信號進行比例換算，即可得到準確數(shù)值。

圖3電池 EIS掃描電路結(jié)構(gòu)圖

參考電阻和被測電池的復阻抗都在毫歐姆級別，且在放電激勵下的響應(yīng)電壓幅度是 uV 級微弱信號，再由 AD8694 搭建的差分結(jié)構(gòu)進行放大送入 AD5941，因此該系統(tǒng)對電路性能的要求是比較高的。AD5941 作為一款專用器件，在實現(xiàn)高度集成化的前提下，還能夠滿足高精度性能。

AD5941 除了具備優(yōu)秀的模擬電路，還內(nèi)置了硬件 DFT 數(shù)字功能模塊，芯片可以自動按照指令順序進行數(shù)學運算等處理，用戶直接讀取芯片寄存器數(shù)據(jù)即可。更重要的是，本文提出的 EIS 掃描方案的電路成本僅為百元人民幣級別。基于這個 EIS 掃描電路方案，我們改進并設(shè)計了板級產(chǎn)品，它是全功能型硬件產(chǎn)品，方便工程師快速上手使用。實物圖如下圖 (圖4) 所示：

圖4 電池 EIS 功能板產(chǎn)品實物圖

板級產(chǎn)品具備的功能特性

電池開路電壓測量功能

一體式的四線制開爾文測試線

電路自動校準保障長期準確性

板載及可外接的運行模式指示燈

用于多通道并行使用的交互協(xié)議和硬件設(shè)計

可靈活配置的 15mHz 至 200kHz 電池 EIS 掃描功能

成品板級的功能板卡可以保障電路制造方面的性能，使不同批次產(chǎn)品的測量結(jié)果一致性更好。從電路板設(shè)計層面，電路需要按照功能特點進行布局和走線，否則會影響精密模擬電路的性能；從軟件層面，需要基于 AD5941 的功能進行合理配置、讀取數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)二次運算加工。另外，還要考慮多通道應(yīng)用、開路電壓測量等行業(yè)客戶實際需求。

優(yōu)異的性能表現(xiàn)與高性價比

為了驗證本文提出的 EIS 掃描平臺的性能表現(xiàn)，在實際測試中，使用了 2 種電池與某型號電化學工作站進行對比實驗。測試頻段為 1Hz 至 10kHz，采用 Log 分布方式掃描了共 30 個頻點。

對于板級產(chǎn)品，可以直接輸出頻點、復阻抗實部、負虛部的數(shù)值，無需任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換即可直接繪制奈奎斯特圖。如下圖 (圖5、圖6) 所示，分別為某 3800mAh 平板鋰聚合物電池的 EIS 掃描奈奎斯特對比圖，以及 5000mAh 型號的掃描結(jié)果對比圖。

通過圖線對比，可以看到本方案的 EIS 奈奎斯特圖線形狀與電化學工作站完全一致，能夠表征電池的電極過程動力學特征。通過細節(jié)觀察還可以發(fā)現(xiàn)，本方案的奈奎斯特圖線整體比電化學工作站的圖線向左側(cè)平移，即整體測量得到的復阻抗實部更小，這說明此款板級產(chǎn)品相比電化學工作站有更低的線損，測量結(jié)果更接近電池的真實值。

綜合來看，本方案在性能上能夠媲美動輒上萬元的電化學工作站，因此它擁有絕對的性價比優(yōu)勢。需要注意的是，兩者相比而言，電化學工作站針對 1Hz 以下頻點的掃描是更具備優(yōu)勢的，而本方案原理受限于放大器 1/f 噪聲問題，并不擅長準確測量 1Hz 以下的頻點數(shù)據(jù)，本文未做比對，在此推薦用戶只將本方案用于 1Hz 以上的電池 EIS 掃描。

多通道并行和易用交互指令

結(jié)合實際用戶的使用需求，板級產(chǎn)品專門設(shè)計開發(fā)了多通道并行的硬件特性和軟件協(xié)議。如下圖 (圖7) 所示，展示了八通道方案實物圖。

圖7八通道電池 EIS掃描方案實物圖

如下圖 (圖8) 所示，展示了本方案針對多通道應(yīng)用的硬件設(shè)計功能點：

8 檔撥碼開關(guān)用于自定義地址位

入口隔離電源方式避免通道間串擾

隔離式 485 接口實現(xiàn)類 Modbus 協(xié)議

總線式主板設(shè)計，兼容多種通信接口

圖8適配多通道的硬件設(shè)計

前文提到由于電路前級接收的模擬信號十分微弱，因此為了保障測量結(jié)果的一致性，對電路板設(shè)計的要求較高。如下圖 (圖9) 所示，為隨機測試的兩塊功能板對同一電池的 EIS 掃描結(jié)果 (1Hz 至 5kHz)。通過橫向數(shù)據(jù)比對，兩個通道的各頻點測量結(jié)果誤差保持在 1% 以內(nèi)，能夠控制在低于 1 毫歐姆的水平，因此說明本板卡產(chǎn)品有較好的一致性。

圖9 兩塊功能板的掃描結(jié)果一致性對比

對于數(shù)據(jù)交互指令，主要是對各通道的掃描參數(shù)進行配置，包括 EIS 起止頻率、掃描點數(shù)、激勵強度等，其次就是運行模式控制指令及數(shù)據(jù)讀取指令。交互指令的架構(gòu)是采用類似 Modbus 的主動輪詢式，以防止多通道之間的數(shù)據(jù)沖突，但與傳統(tǒng) Modbus 十六進制數(shù)據(jù)包不同的是，全部指令均為自然語言的易讀字符串，如下圖 (圖10) 所示是部分指令交互效果，可以直接使用類似串口助手的 PC 端工具軟件。當然，如果需要傳統(tǒng) Modbus 或其他形式的交互協(xié)議，可以聯(lián)系咨詢駿龍科技的技術(shù)人員定制開發(fā)。

圖10易讀型交互指令效果

總結(jié)

電池的 EIS 掃描是一項先進且實用的電池研究、測試手段，但受限于電化學工作站的高昂設(shè)備成本，行業(yè)內(nèi)很難進行批量實施。本文介紹了 ADI 的電池 EIS 方案平臺的工作原理，并基于此技術(shù)進行升級改進，推出了板級功能產(chǎn)品。通過掃描結(jié)果與電化學工作站對比、板間一致性對比，表明本方案產(chǎn)品在性能指標上能夠滿足實際應(yīng)用。此外，本方案具有低成本、支持多通道的特點，使電池 EIS 掃描的大規(guī)模使用成為可能。

審核編輯：湯梓紅