评估和设计支持

电路评估板

电池测量板(eval-ad5941batz)

arduino尺寸超低功耗arm® cortex-m3开发平台(eval-adicup3029)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单、软件

电路功能与优势

图1所示的电路是电化学阻抗谱(eis)测量系统，用于表征锂离子(li-ion)和其他类型的电池。eis是一种用于检测电化学系统内部发生的过程的安全扰动技术。该系统测量电池在一定频率范围内的阻抗。这些数据可以确定电池的运行状态(soh)和充电状态(soc)。该系统采用超低功耗模拟前端(afe)，旨在激励和测量电池的电流、电压或阻抗响应。

老化会导致电池性能下降和电池化学成分发生不可逆变化。阻抗随容量的下降而呈线性增加。使用eis监视电池阻抗的增加可以确定soh以及电池是否需要更换，从而减少系统停机时间和维护成本。

电池需要激励电流，而不是电压，而且阻抗值在毫欧姆范围内很小。该系统包括向电池注入电流的必要电路，并允许校准和检测电池中的小阻抗。

图1.简化电路功能框图

电路描述

电池eis理论

电池是非线性系统；因此，检测电池i-v曲线的一个小样本，使系统呈现伪线性行为。在伪线性系统中，正弦输入产生的正弦输出频率完全相同，但相位和振幅发生了偏移。在eis中，向电池应用交流激励信号以获得数据。

eis中的信息常用奈奎斯特图表示，但也可以使用波特图显示（本电路笔记侧重常见格式）。在奈奎斯特图中，使用阻抗的负虚分量（y轴）与阻抗的实分量（x轴）作图。奈奎斯特图的不同区域对应于电池中发生的各种化学和物理过程（见图2）。

图2：电池的奈奎斯特图显示与电化学过程相对应的不同区域

这些过程使用电阻、电容和一种称为warburg电阻的元件来建模，warburg电阻用字母w表示（在等效电路模型(ecm)部分有更详细的描述）。没有简单的电子元件来表示warburg扩散电阻。

等效电路模型(ecm)

等效电路模型(ecm)使用简单的电子电路（电阻和电容）来模拟电化学过程。该模型用一个简单的电路来表示一个复杂的过程，以帮助分析和简化计算。这些模型基于从测试电池中收集的数据。对电池的奈奎斯特图进行表征后，可以开发一种ecm。大多数商业eis软件都包含一个选项，用于创建一个特定的、独特的等效电路模型，以更接近由任何特定电池生成的奈奎斯特图的形状。在创建电池模型时，有四个常见参数表示电池的化学性质。

电解（欧姆）电阻—rs

rs的特性如下：

• 对应于电池中电解质的电阻

• 在进行测试时受电极和所用导线长度的影响

• 随电池的老化而增加

• 当频率>;1 khz时占主导

双层电容—cdl

cdl的特性如下：

• 发生在电极和电解质之间

• 由围绕电极的两层平行的相反电荷组成

• 在1 hz至1 khz频率范围内占主导

电荷转移电阻—rct

• 电阻是在电子从一种状态转移到另一种状态，即从固体（电极）转移到液体（电解质）的过程中发生的

• 随电池的温度和充电状态而改变

• 在1 hz至1 khz频率范围内占主导

warburg（扩散）电阻—w

• 表示对质量转移即扩散控制的阻力

• 典型地表现45°相移

• 当频率<1 hz时占主导

表1提供了每个ecm组件的符号和表达式。

表组件

构建电池ecm

建立等效电路模型(ecm)的过程通常以经验为基础，需要使用各种等效电路模型进行实验，直到模型与测量的奈奎斯特图匹配。

下面几节将介绍如何创建一个典型的电池模型。

randel电路模型欧姆和电荷转移效应

randel电路是最常见的ecm。randel电路包括电解质电阻(rs)、双层电容(cdl)和电荷转移电阻(rct)。双层电容与电荷转移电阻平行，形成半圆模拟形状。

简化的randel电路不仅是一个有用的基本模型，而且是其他更复杂模型的起点。

图电路

图4.产生奈奎斯特图的简化randel电路图

简化randel电路的奈奎斯特图始终是一个半圆。电解质电阻(rs)是通过读取电池特性的高频截点处的实轴值来确定的，即线穿过图左侧的x轴处就是高频区。在图4中，电解质电阻(rs)是接近奈奎斯特图起源的截点，为30ω。另一（低频）截点的实轴值是电荷转移电阻(rct)和电解质电阻（本例为270 ω）的和。因此，半圆的直径等于电荷转移电阻(rct)。

warburg电路模型—扩散效应

对warburg电阻建模时，将组件w与rct串联添加（见图5）。warburg电阻的增加产生了45°线，在图的低频区很明显。

图g电路模型—扩散效应

图6.具有扩散效应的ecm

组合randel和warburg电路模型

有些电池描绘两个半圆形。第一个半圆对应固体电解质界面(sei)。sei的生长是由电解质的不可逆电化学分解引起的。如果是锂离子电池，sei则随着电池的老化在负极处形成。这种分解的产物在电极表面形成一层固体。

形成初始sei层后，电解质分子无法通过sei到达活性材料表面，与锂离子和电子发生反应，从而抑制了sei的进一步生长。

将两个randel电路组合起来，为这种奈奎斯特图建模。电阻(rsei)针对sei的电阻建模。

图7.两个randel电路

图8.修改的randel电路模型；奈奎斯特图是一个具有明显sei的锂离子电池

使用ad5941的电池阻抗解决方案

ad5941阻抗和电化学前端是eis测量系统的核心。ad5941由一个低带宽环路、一个高带宽环路、一个高精度模数转换器(adc)和一个可编程开关矩阵组成。

低带宽环路由低功耗、双输出数模转换器(dac)和低功率跨阻抗放大器(tia)组成，前者可产生vzero和vbias，，后者可将输入电流转换为电压。

低带宽环路用于低带宽信号，其中激励信号的频率低于200 hz，例如电池阻抗测量。

高带宽环路用于eis测量。高带宽环路包括一个高速dac，用于在进行阻抗测量时产生交流激励信号。高带宽环路有一个高速tia，用于将高达200 khz的高带宽电流信号转换为可由adc测量的电压。

开关矩阵是一系列可编程开关，允许将外部引脚连接到高速dac激励放大器和高速tia反相输入端。开关矩阵提供了一个接口，用于将外部校准电阻连接到测量系统。开关矩阵还提供电极连接的灵活性。

电池的阻抗通常在毫欧姆范围内，需要一个类似值的校准电阻rcal。此电路中的50 mΩ rcal太小，ad5941无法直接测量。由于rcal较小，外部增益级使用ad8694来放大接收信号。ad8694具有超低噪声性能以及低偏置和漏电流参数，这对eis应用至关重要。此外，在rcal和实际电池上共用一个放大器有助于补偿电缆、交流耦合电容和放大器产生的误差。

激励信号

ad5941使用其波形发生器、高速dac(hsdac)和激励放大器来产生正弦波激励信号。频率可编程，范围为0.015 mhz至200 khz。信号通过ce0引脚和外部达林顿对晶体管配置应用于电池，如图9所示。需要电流放大器，因为激励缓冲器所能产生的电流上限为3 ma。典型电池需要高达50 ma。

图9.达林顿晶体管对

测量电压

有两个电压测量阶段。首先，测量rcal上的压降。其次，测量电池电压。每个组件上的压降在微伏的范围内很小(μv)。因此，测得的电压通过一个外部增益级发送。增益放大器ad8694的输出通过引脚ain2和引脚ain3直接发送到至ad5941芯片上的adc。通过利用离散傅里叶变换(dft)硬件加速度计，对adc数据执行dft，其中实数和虚数计算并存储在数据fifo中，用于rcal电压测量和电池电压测量。adg636对电池和rcal进行多路复用，输出至ad8694增益级。

需要adg636开关的超低电荷注入和小漏电流来消除ad5941输入引脚上的寄生电容。由于ain2和ain3引脚均用于rcal测量和电池测量，阻抗测量的信号路径是成比例的。

计算未知阻抗(zunknown)

eis采用比例式测量法。为了测量未知阻抗(zunknown)，在已知电阻rcal上施加交流电流信号，并测量响应电压vrcal。然后在未知阻抗zunknown上施加相同的信号，并测量响应电压vzunknown。对响应电压执行离散傅里叶变换，确定每次测量的实值和虚值。可使用下式计算未知阻抗：

图测量图

电路评估与测试

下节概述cn-0510电路设计的测试程序和结果的收集。有关硬件和软件设置的完整详细信息，请参阅cn-0510用户指南。

设备要求

• 带usb端口和windows® 7或更高版本的pc。

• eval-ad5941batz电路板。

• eval-adicup3029开发板。

• cn-0510参考软件

• usb a型转micro usb电缆

• 连接抓取器/鳄鱼夹的bayonet neill–concelman (bnc)连接器

• 电池（待测器件，dut）

图11.参考设计板

开始使用

1. 通过arduino接头将eval-ad5941batz连接到eval-adicup3029。

2. 插入bnc，连接f+、f、s+、s上的电缆。

3. 通过将micro usb电缆连接到eval-adicup3029上的p10为开发板供电，并将usb电缆的另一端插入您的电脑。

a. 在连接电池之前，确保开发板通电，以避免短路。

4. 从github下载示例固件。

5. 将嵌入式软件配置为应用所需的参数。

a. 使用ad5940batstructinit(void)函数。（示例如下。）

图12.固件配置

a. 使用建议的交互式开发环境(ide)构建代码并将代码下载到eval-adicup3029目标板。有关安装详细信息，请参阅ad5940用户指南。

6. 按照图13所示连接电池。将f+和s+引线连接到电池的正极，将s-和f-连接到电池的负极。

7. 按eval-adicup3029上的3029-reset按钮。

图13.完整eis电池系统

电池测试和结果

1. 使用程序（如realterm）打开串行终端。

2. 将波特率配置为230,400。

a. 选择eval-adicup3029连接到的com端口。

3. 测量结果通过uart流式传输，并可以保存到文件中进行分析。

请注意，在程序开始时执行一次校准功能。如果激励频率较低，则至少需要4个周期才能捕获波形。要测量0.1 hz，需要40秒以上才能完成。

请注意，硬件针对1 hz以上的频率进行优化。低于此值的测量值由于外部放大器的1/f噪声而更加嘈杂。

图14.显示在终端程序中的结果

图15显示使用eval-ad5941batz测量示例锂离子电池的奈奎斯特图。

图15.奈奎斯特图（扫描1.11 hz至50 khz）

以上是网络信息转载，信息真实性自行斟酌。