【導(dǎo)讀】雖說汽車電動化已成大勢，但正值冬季，不少想買電動汽車的朋友總擔(dān)心在電動汽車的續(xù)航不夠，甚至在嚴(yán)寒的天氣里在車內(nèi)開空調(diào)也變成一件奢侈的事情。事實上，低溫一直以來都是電池的大敵，電動汽車動力電池也一樣害怕低溫，這是由電動汽車動力電池材料特性決定的。絕大部分電動汽車動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差和電解液濃度差驅(qū)動穿過隔膜形成電流。但是鋰離子在低溫下活性降低，可以穿過隔膜的鋰離子變少了，表現(xiàn)為低溫下動力電池的內(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、鋰離子脫嵌動力學(xué)參數(shù)研究、固體電解質(zhì)、界面反應(yīng)和SOC預(yù)測等方面的研究，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 是一種用于檢測電化學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的過程的安全擾動技術(shù)，該系統(tǒng)測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)，旨在激勵和測量電池的電流、電壓或阻抗響應(yīng)。
簡化電路功能框圖
完整 EIS 電池系統(tǒng)
由于老化會導(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)停機時間和維護(hù)成本。ADI公司的阻抗和電化學(xué)前端AD5941是EIS測量系統(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)的測量技術(shù)（如電流、伏安或阻抗測量）的便攜式應(yīng)用而設(shè)計。AD5941由一個低帶寬環(huán)路、一個高帶寬環(huán)路、一個高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個可編程開關(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，其中激勵信號的頻率低于200 Hz，例如電池阻抗測量
● 高帶寬環(huán)路用于EIS測量。高帶寬環(huán)路包括一個高速DAC，用于在進(jìn)行阻抗測量時產(chǎn)生交流激勵信號。高帶寬環(huán)路有一個高速TIA，用于將高達(dá)200 kHz的高帶寬電流信號轉(zhuǎn)換為可由ADC測量的電壓。
● 開關(guān)矩陣是一系列可編程開關(guān)，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(guān)矩陣提供了一個接口，用于將外部校準(zhǔn)電阻連接到測量系統(tǒng)。開關(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)，還需要一個類似值的校準(zhǔn)電阻RCAL。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(shù)，這對EIS應(yīng)用至關(guān)重要。此外，在RCAL和實際電池上共用一個放大器有助于補償電纜、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)和激勵放大器來產(chǎn)生正弦波激勵信號。頻率可編程，范圍為0.015 mHz至200 kHz。信號通過CE0引腳和外部達(dá)林頓對晶體管配置應(yīng)用于電池。該電路需要電流放大器，因為激勵緩沖器所能產(chǎn)生的電流上限為3 mA。典型電池需要高達(dá)50 mA。
該過程中有兩個電壓測量階段。首先，測量RCAL上的壓降。其次，測量電池電壓。每個組件上的壓降在微伏的范圍內(nèi)很小(μV)。因此，測得的電壓通過一個外部增益級發(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(shù)據(jù)執(zhí)行DFT，其中實數(shù)和虛數(shù)計算并存儲在數(shù)據(jù)FIFO中，用于RCAL電壓測量和電池電壓測量。ADG636對電池和RCAL進(jìn)行多路復(fù)用，輸出至AD8694增益級。
EIS測量圖
EIS采用比例式測量法。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(yīng)電壓VRCAL。然后在未知阻抗ZUNKNOWN上施加相同的信號，并測量響應(yīng)電壓VZUNKNOWN。對響應(yīng)電壓執(zhí)行離散傅里葉變換，確定每次測量的實值和虛值。可使用下式計算未知阻抗：
電化學(xué)內(nèi)阻圖譜測試方法是通過注入一定的電流把電池的電壓變化，來分析在不同頻率的電流情況下，通過它的電壓電流特性來反映出整個電池里面內(nèi)阻變化，也就基本上能反映出電池電化學(xué)特性的變化。它對于整個電池的壽命預(yù)測，包括對于電池能否安全工作是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。這種電化學(xué)內(nèi)阻的測試也是一個相對比較復(fù)雜的技術(shù)，ADI基于高精度、阻抗和電化學(xué)前端芯片AD5941提供了一種相對比較簡單、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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