【導(dǎo)讀】雖說(shuō)汽車電動(dòng)化已成大勢(shì)，但正值冬季，不少想買電動(dòng)汽車的朋友總擔(dān)心在電動(dòng)汽車的續(xù)航不夠，甚至在嚴(yán)寒的天氣里在車內(nèi)開(kāi)空調(diào)也變成一件奢侈的事情。事實(shí)上，低溫一直以來(lái)都是電池的大敵，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池也一樣害怕低溫，這是由電動(dòng)汽車動(dòng)力電池材料特性決定的。絕大部分電動(dòng)汽車動(dòng)力電池材料由正極的多元素鋰材料和負(fù)極的石墨材料構(gòu)成，鋰離子在電解液中由電勢(shì)差和電解液濃度差驅(qū)動(dòng)穿過(guò)隔膜形成電流。但是鋰離子在低溫下活性降低，可以穿過(guò)隔膜的鋰離子變少了，表現(xiàn)為低溫下動(dòng)力電池的內(nèi)阻增加，可用電量減少。
鋰離子電池工作原理
采用現(xiàn)代化測(cè)試手段研究鋰離子電池性能是降低電池成本、提高續(xù)航里程的重要實(shí)現(xiàn)形式。
電化學(xué)阻抗譜（EIS）廣泛應(yīng)用于鋰離子電池正負(fù)極材料分析、鋰離子脫嵌動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究、固體電解質(zhì)、界面反應(yīng)和SOC預(yù)測(cè)等方面的研究，是分析鋰離子電池性能的有力工具。
下圖所示的電路是電化學(xué)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，用于表征鋰離子和其他類型的電池。EIS 是一種用于檢測(cè)電化學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的過(guò)程的安全擾動(dòng)技術(shù)，該系統(tǒng)測(cè)量電池在一定頻率范圍內(nèi)的阻抗。這些數(shù)據(jù)可以確定電池的運(yùn)行狀態(tài)(SOH)和充電狀態(tài)(SOC)。該系統(tǒng)采用超低功耗模擬前端(AFE)，旨在激勵(lì)和測(cè)量電池的電流、電壓或阻抗響應(yīng)。
簡(jiǎn)化電路功能框圖
完整 EIS 電池系統(tǒng)
由于老化會(huì)導(dǎo)致電池性能下降和電池化學(xué)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(tǒng)停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。ADI公司的阻抗和電化學(xué)前端AD5941是EIS測(cè)量系統(tǒng)的核心。
AD5941 是一款高精度、低功耗模擬前端 (AFE)，專為需要高精度、基于電化學(xué)的測(cè)量技術(shù)（如電流、伏安或阻抗測(cè)量）的便攜式應(yīng)用而設(shè)計(jì)。AD5941由一個(gè)低帶寬環(huán)路、一個(gè)高帶寬環(huán)路、一個(gè)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個(gè)可編程開(kāi)關(guān)矩陣組成，其中：
● 低帶寬環(huán)路由低功耗、雙輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和低功率跨阻抗放大器(TIA)組成，前者可產(chǎn)生VZERO和VBIAS，后者可將輸入電流轉(zhuǎn)換為電壓。低帶寬環(huán)路用于低帶寬信號(hào)，其中激勵(lì)信號(hào)的頻率低于200 Hz，例如電池阻抗測(cè)量
● 高帶寬環(huán)路用于EIS測(cè)量。高帶寬環(huán)路包括一個(gè)高速DAC，用于在進(jìn)行阻抗測(cè)量時(shí)產(chǎn)生交流激勵(lì)信號(hào)。高帶寬環(huán)路有一個(gè)高速TIA，用于將高達(dá)200 kHz的高帶寬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為可由ADC測(cè)量的電壓。
● 開(kāi)關(guān)矩陣是一系列可編程開(kāi)關(guān)，允許將外部引腳連接到高速DAC激勵(lì)放大器和高速TIA反相輸入端。開(kāi)關(guān)矩陣提供了一個(gè)接口，用于將外部校準(zhǔn)電阻連接到測(cè)量系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)矩陣還提供電極連接的靈活性。
由于電池的阻抗通常在毫歐姆范圍內(nèi)，還需要一個(gè)類似值的校準(zhǔn)電阻RCAL。RCAL較小，外部增益級(jí)使用AD8694來(lái)放大接收信號(hào)。AD8694具有超低噪聲性能以及低偏置和漏電流參數(shù)，這對(duì)EIS應(yīng)用至關(guān)重要。此外，在RCAL和實(shí)際電池上共用一個(gè)放大器有助于補(bǔ)償電纜、交流耦合電容和放大器產(chǎn)生的誤差。
其工作原理為AD5941使用波形發(fā)生器、高速DAC(HSDAC)和激勵(lì)放大器來(lái)產(chǎn)生正弦波激勵(lì)信號(hào)。頻率可編程，范圍為0.015 mHz至200 kHz。信號(hào)通過(guò)CE0引腳和外部達(dá)林頓對(duì)晶體管配置應(yīng)用于電池。該電路需要電流放大器，因?yàn)榧?lì)緩沖器所能產(chǎn)生的電流上限為3 mA。典型電池需要高達(dá)50 mA。
該過(guò)程中有兩個(gè)電壓測(cè)量階段。首先，測(cè)量RCAL上的壓降。其次，測(cè)量電池電壓。每個(gè)組件上的壓降在微伏的范圍內(nèi)很小(μV)。因此，測(cè)得的電壓通過(guò)一個(gè)外部增益級(jí)發(fā)送。增益放大器AD8694的輸出通過(guò)引腳AIN2和引腳AIN3直接發(fā)送到至AD5941芯片上的ADC。通過(guò)利用離散傅里葉變換(DFT)硬件加速度計(jì)，對(duì)ADC數(shù)據(jù)執(zhí)行DFT，其中實(shí)數(shù)和虛數(shù)計(jì)算并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)FIFO中，用于RCAL電壓測(cè)量和電池電壓測(cè)量。ADG636對(duì)電池和RCAL進(jìn)行多路復(fù)用，輸出至AD8694增益級(jí)。
EIS測(cè)量圖
EIS采用比例式測(cè)量法。為了測(cè)量未知阻抗(ZUNKNOWN)，在已知電阻RCAL上施加交流電流信號(hào)，并測(cè)量響應(yīng)電壓VRCAL。然后在未知阻抗ZUNKNOWN上施加相同的信號(hào)，并測(cè)量響應(yīng)電壓VZUNKNOWN。對(duì)響應(yīng)電壓執(zhí)行離散傅里葉變換，確定每次測(cè)量的實(shí)值和虛值。可使用下式計(jì)算未知阻抗：
電化學(xué)內(nèi)阻圖譜測(cè)試方法是通過(guò)注入一定的電流把電池的電壓變化，來(lái)分析在不同頻率的電流情況下，通過(guò)它的電壓電流特性來(lái)反映出整個(gè)電池里面內(nèi)阻變化，也就基本上能反映出電池電化學(xué)特性的變化。它對(duì)于整個(gè)電池的壽命預(yù)測(cè)，包括對(duì)于電池能否安全工作是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。這種電化學(xué)內(nèi)阻的測(cè)試也是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的技術(shù)，ADI基于高精度、阻抗和電化學(xué)前端芯片AD5941提供了一種相對(duì)比較簡(jiǎn)單、成本比較低的一種方式，可以估算出電池電化學(xué)內(nèi)阻。
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