電池作為一種儲(chǔ)能電化學(xué)系統(tǒng)，在近 40 年來(lái)一直被不斷深入研究。隨著新能源的發(fā)展勢(shì)頭愈加強(qiáng)勁，人們對(duì)電池的生產(chǎn)和測(cè)試技術(shù)要求越來(lái)越高，以達(dá)到最大化利用電化學(xué)能量、提高電池產(chǎn)品性能的目的。

電池阻抗譜的概念和作用

電化學(xué)阻抗譜 (EIS) 是對(duì)電池測(cè)量的技術(shù)手段之一，這種方法是使用多種正弦交流信號(hào)激勵(lì)擾動(dòng)電池電極，再采樣分析其響應(yīng)信號(hào)，它能夠表征非常豐富的電池電化學(xué)特征信息。

對(duì)于電池 EIS 應(yīng)用中，掃描的頻率范圍可以從 uHz 至 MHz 級(jí)別，將這一系列頻點(diǎn)的復(fù)阻抗結(jié)果通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為實(shí)部和虛部后，可以繪制成奈奎斯特圖，對(duì)電池的研究和生產(chǎn)工作有重要指導(dǎo)意義，奈奎斯特圖的橫軸是復(fù)阻抗的實(shí)部分量、縱軸是復(fù)阻抗的負(fù)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(duì)這類圖形一般進(jìn)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(gè)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(dòng)信號(hào)測(cè)量所得，反映電池內(nèi)部電解質(zhì)特性，它會(huì)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(dòng)信號(hào)測(cè)量所得，反映電子從電極到電解質(zhì)的遷移過(guò)程；最右側(cè) 45 度角度上升部分體現(xiàn)的是電池的擴(kuò)散效應(yīng)，由 1Hz 以下的擾動(dòng)信號(hào)測(cè)量所得，反映離子擴(kuò)散的阻力。

由此可見(jiàn)，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(xué)過(guò)程，通過(guò)數(shù)據(jù)的解析，可以定量或半定量地提取電池電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)信息。這項(xiàng)工作無(wú)論對(duì)電池工藝研究還是電芯制造生產(chǎn)都具有重要意義：對(duì)于工藝研究，它能夠指導(dǎo)電極、隔膜、電解液等材料的優(yōu)化；對(duì)于制造生產(chǎn)，它可以作為電芯出廠檢驗(yàn)的重要手段。電池 EIS 掃描還有用于汽車電池壽命預(yù)測(cè)分析等場(chǎng)景，可降低工業(yè)應(yīng)用中的停機(jī)時(shí)間和維護(hù)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(xué)工作站，這是因?yàn)殡姵匾彩菍儆陔娀瘜W(xué)系統(tǒng)的一種。如下圖 (圖2) 所示，進(jìn)行 EIS 掃描時(shí)，電化學(xué)工作站與電池的連接方法及工作原理示意圖?？紤]到功能的通用性，電化學(xué)工作站是常規(guī)的三線系統(tǒng)，分別為對(duì)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(xué)系統(tǒng)，在與電化學(xué)工作站連接時(shí)，CE 、RE 需要接在一起并連接至電池負(fù)極；WE 連接至電池正極。

圖2 電化學(xué)工作站測(cè)量電池 EIS 的連接方法

電化學(xué)工作站通過(guò) CE/RE 端向電池負(fù)極施加不同頻率的電壓擾動(dòng)信號(hào)，而電池正極由于本身的電勢(shì)差會(huì)向 WE 端流入電流，在此擾動(dòng)下，這個(gè)電流將會(huì)是交流變化的。電化學(xué)工作站將這個(gè)變化的電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換采集，并加以 DFT 等數(shù)學(xué)運(yùn)算，最終形成一系列復(fù)阻抗結(jié)果輸出。

電化學(xué)工作站作為一種專用的 EIS 掃描儀器，其準(zhǔn)確度和專業(yè)度是不言而喻的，但在實(shí)際的工程應(yīng)用中，它也存在著明顯的缺點(diǎn)限制：電化學(xué)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(jì)制造能力，直接阻礙了電池 EIS 掃描測(cè)試的批量化應(yīng)用進(jìn)程，實(shí)際電池生產(chǎn)工廠中難以大規(guī)模部署這種出廠測(cè)試儀器。

其次，電化學(xué)工作站基于電壓擾動(dòng)的原理，若操作不當(dāng)，會(huì)破壞電池內(nèi)部穩(wěn)定的化學(xué)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(xué)系統(tǒng)時(shí)，電壓擾動(dòng)信號(hào)中的直流成分會(huì)改變活性電極的化學(xué)特征，使掃描得到的 EIS 結(jié)果失準(zhǔn)。

高精度低成本的電池 EIS 掃描模塊

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(chǔ)備和領(lǐng)先的性能產(chǎn)品。針對(duì)電池 EIS 掃描這一應(yīng)用場(chǎng)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(shí)際和客戶使用需求，推出了一種高精度低成本的電池 EIS 掃描模塊 MCUM5941-BATZ。

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(yùn)放、ADC、數(shù)字預(yù)處理核等功能的模擬前端 (AFE) 芯片。測(cè)量使用的激勵(lì)信號(hào)是連接三極管組成的放電電路，控制電池的正極進(jìn)行不同頻率的正弦波放電，這與電化學(xué)工作站的激勵(lì)原理有著本質(zhì)區(qū)別，使得原本的電池?cái)_動(dòng)過(guò)程變?yōu)榱艘环N可控放電過(guò)程，從原理上完全避免了對(duì)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(cè)電池，并用模擬開(kāi)關(guān) ADG636 進(jìn)行切換。系統(tǒng)先測(cè)量高精度參考電阻的各目標(biāo)頻點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)并記錄，后續(xù)測(cè)量被測(cè)電池時(shí)，將其響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行比例換算，即可得到準(zhǔn)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(cè)電池的復(fù)阻抗都在毫歐姆級(jí)別，且在放電激勵(lì)下的響應(yīng)電壓幅度是 uV 級(jí)微弱信號(hào)，再由 AD8694 搭建的差分結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大送入 AD5941，因此該系統(tǒng)對(duì)電路性能的要求是比較高的。AD5941 作為一款專用器件，在實(shí)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(dòng)按照指令順序進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)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(jí)別?；谶@個(gè) EIS 掃描電路方案，我們改進(jìn)并設(shè)計(jì)了板級(jí)模塊 MCUM5941-BATZ，它是全功能型硬件產(chǎn)品，方便工程師快速上手使用。實(shí)物圖如下圖 (圖4) 所示：

圖4 電池 EIS 掃描板塊 MCUM5941-BATZ實(shí)物圖

MCUM5941-BATZ 板塊具備的功能特性

電池開(kāi)路電壓測(cè)量功能

一體式的四線制開(kāi)爾文測(cè)試線

電路自動(dòng)校準(zhǔn)保障長(zhǎng)期準(zhǔn)確性

板載及可外接的運(yùn)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(jì)

可靈活配置的 15mHz 至 200kHz 電池 EIS 掃描功能

成品板級(jí)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(cè)量結(jié)果一致性更好。從電路板設(shè)計(jì)層面，電路需要按照功能特點(diǎn)進(jìn)行布局和走線，否則會(huì)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(jìn)行合理配置、讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)二次運(yùn)算加工。另外，還要考慮多通道應(yīng)用、開(kāi)路電壓測(cè)量等行業(yè)客戶實(shí)際需求。

優(yōu)異的性能表現(xiàn)與高性價(jià)比

為了驗(yàn)證本文提出的 EIS 掃描模塊 MCUM5941-BATZ 的性能表現(xiàn)，在實(shí)際測(cè)試中，使用了 2 種電池與某型號(hào)電化學(xué)工作站進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。測(cè)試頻段為 1Hz 至 10kHz，采用 Log 分布方式掃描了共 30 個(gè)頻點(diǎn)。

對(duì)于板級(jí)產(chǎn)品，可以直接輸出頻點(diǎn)、復(fù)阻抗實(shí)部、負(fù)虛部的數(shù)值，無(wú)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(duì)比圖，以及 5000mAh 型號(hào)的掃描結(jié)果對(duì)比圖。

通過(guò)圖線對(duì)比，可以看到本方案的 EIS 奈奎斯特圖線形狀與電化學(xué)工作站完全一致，能夠表征電池的電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)特征。通過(guò)細(xì)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(xué)工作站的圖線向左側(cè)平移，即整體測(cè)量得到的復(fù)阻抗實(shí)部更小，這說(shuō)明此款電池 EIS 掃描模塊 MCUM5941-BATZ 相比電化學(xué)工作站有更低的線損，測(cè)量結(jié)果更接近電池的真實(shí)值。

綜合來(lái)看，本方案在性能上能夠媲美動(dòng)輒上萬(wàn)元的電化學(xué)工作站，因此它擁有絕對(duì)的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。需要注意的是，兩者相比而言，電化學(xué)工作站針對(duì) 1Hz 以下頻點(diǎn)的掃描是更具備優(yōu)勢(shì)的，而本方案原理受限于放大器 1/f 噪聲問(wèn)題，并不擅長(zhǎng)準(zhǔn)確測(cè)量 1Hz 以下的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，本文未做比對(duì)，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(shí)際用戶的使用需求，電池 EIS 掃描模塊 MCUM5941-BATZ 專門設(shè)計(jì)開(kāi)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(shí)物圖。

圖7 八通道電池 EIS 掃描方案實(shí)物圖

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

8 檔撥碼開(kāi)關(guān)用于自定義地址位

入口隔離電源方式避免通道間串?dāng)_

隔離式 485 接口實(shí)現(xiàn)類 Modbus 協(xié)議

總線式主板設(shè)計(jì)，兼容多種通信接口

圖8 適配多通道的硬件設(shè)計(jì)

前文提到由于電路前級(jí)接收的模擬信號(hào)十分微弱，因此為了保障測(cè)量結(jié)果的一致性，對(duì)電路板設(shè)計(jì)的要求較高。如下圖 (圖9) 所示，為隨機(jī)測(cè)試的兩塊功能板對(duì)同一電池的 EIS 掃描結(jié)果 (1Hz 至 5kHz)。通過(guò)橫向數(shù)據(jù)比對(duì)，兩個(gè)通道的各頻點(diǎn)測(cè)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(shuō)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(duì)比

對(duì)于數(shù)據(jù)交互指令，主要是對(duì)各通道的掃描參數(shù)進(jìn)行配置，包括 EIS 起止頻率、掃描點(diǎn)數(shù)、激勵(lì)強(qiáng)度等，其次就是運(yùn)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(dòng)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(jìn)制數(shù)據(jù)包不同的是，全部指令均為自然語(yǔ)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(dāng)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(kāi)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(xiàng)先進(jìn)且實(shí)用的電池研究、測(cè)試手段，但受限于電化學(xué)工作站的高昂設(shè)備成本，行業(yè)內(nèi)很難進(jìn)行批量實(shí)施。本文介紹了 ADI 的電池 EIS 方案平臺(tái)的工作原理，并基于此技術(shù)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，推出了板級(jí)功能模塊 MCUM5941-BATZ。通過(guò)掃描結(jié)果與電化學(xué)工作站對(duì)比、板間一致性對(duì)比，表明本方案產(chǎn)品在性能指標(biāo)上能夠滿足實(shí)際應(yīng)用。此外，本方案具有低成本、支持多通道的特點(diǎn)，使電池 EIS 掃描的大規(guī)模使用成為可能。

作者：駿龍科技Boris Wang