【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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