电池的电化学阻抗谱(EIS) |
您所在的位置:网站首页 › eis横坐标 › 电池的电化学阻抗谱(EIS) |
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1.ECM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3.Randel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5.Warburg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 (TI A)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TI A,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TI A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 m?6?8 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AI N2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FIF O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VR CAL。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10.EIS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-ADI CUP3029开发板。 •CN-0510参考软件 •USB A型转mi cro 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。 analog.com wiki网站上提供了下载说明。 5.将嵌入式软件配置为应用所需的参数。 a.使用AD5940BATStrucTI nit(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RealTe rm)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) 来源:厂商供稿 作者:ADI 免责声明:本文由作者原创,文章内容系作者个人观点,电子发烧友网转载仅作为传达一种不同的观点,不代表电子发烧友网对该观点的赞同或支持,如有异议,欢迎联系电子发烧友网。返回搜狐,查看更多 |
CopyRight 2018-2019 办公设备维修网 版权所有 豫ICP备15022753号-3 |