【導讀】雖sui說shuo汽qi車che電dian動dong化hua已yi成cheng大da勢shi
，但dan正zheng值zhi冬dong季ji，不bu少shao想xiang買mai電dian動dong汽qi車che的de朋peng友you總zong擔dan心xin在zai電dian動dong汽qi車che的de續xu航hang不bu夠gou，甚shen至zhi在zai嚴yan寒han的de天tian氣qi裏li在zai車che內nei開kai空kong調tiao也ye變bian成cheng一yi件jian奢she侈chi的de事shi情qing。事shi實shi上shang，低di溫wen一yi直zhi以yi來lai都dou是shi電dian池chi的de大da敵di，電dian動dong汽qi車che動dong力li電dian池chi也ye一yi樣yang害hai怕pa低di溫wen
，這zhe是shi由you電dian動dong汽qi車che動dong力li電dian池chi材cai料liao特te性xing決jue定ding的de。絕jue大da部bu分fen電dian動dong汽qi車che動dong力li電dian池chi材cai料liao由you正zheng極ji的de多duo元yuan素su鋰li材cai料liao和he負fu極ji的de石shi墨mo材cai料liao構gou成cheng
，鋰li離li子zi在zai電dian解jie液ye中zhong由you電dian勢shi差cha和he電dian解jie液ye濃nong度du差cha驅qu動dong穿chuan過guo隔ge膜mo形xing成cheng電dian流liu。但dan是shi鋰li離li子zi在zai低di溫wen下xia活huo性xing降jiang低di
，可ke以yi穿chuan過guo隔ge膜mo的de鋰li離li子zi變bian少shao了le，表biao現xian為wei低di溫wen下xia動dong力li電dian池chi的de內nei阻zu增zeng加jia，可ke用yong電dian量liang減jian少shao。

鋰離子電池工作原理

采用現代化測試手段研究鋰離子電池性能是降低電池成本
、提高續航裏程的重要實現形式。

電化學阻抗譜（EIS）廣泛應用於鋰離子電池正負極材料分析
、鋰離子脫嵌動力學參數研究、固體電解質、界麵反應和SOC預測等方麵的研究，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阻抗譜測量係統，用於表征鋰離子和其他類型的電池。EIS 是(shi)一(yi)種(zhong)用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)電(dian)化(hua)學(xue)係(xi)統(tong)內(nei)部(bu)發(fa)生(sheng)的(de)過(guo)程(cheng)的(de)安(an)全(quan)擾(rao)動(dong)技(ji)術(shu)，該(gai)係(xi)統(tong)測(ce)量(liang)電(dian)池(chi)在(zai)一(yi)定(ding)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)阻(zu)抗(kang)。這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)可(ke)以(yi)確(que)定(ding)電(dian)池(chi)的(de)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)(SOH)和充電狀態(SOC)。該係統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。

簡化電路功能框圖

完整 EIS 電池係統

由於老化會導致電池性能下降和電池化學成分發生不可逆變化
，阻抗隨容量的下降而呈線性增加，使用 EIS 監視電池阻抗的增加可以確定 SOH 以及電池是否需要更換
，從而減少係統停機時間和維護成本。ADI公司的阻抗和電化學前端AD5941是EIS測量係統的核心。

AD5941 是一款高精度
、低功耗模擬前端 (AFE)，專為需要高精度、基於電化學的測量技術（如電流、伏安或阻抗測量）的便攜式應用而設計。AD5941由一個低帶寬環路

、一個高帶寬環路
、一個高精度模數轉換器(ADC)和一個可編程開關矩陣組成，其中：

●     低帶寬環路由低功耗、雙輸出數模轉換器(DAC)和低功率跨阻抗放大器(TIA)組成，前者可產生V_ZERO和V_BIAS，後者可將輸入電流轉換為電壓。低帶寬環路用於低帶寬信號
，其中激勵信號的頻率低於200 Hz，例如電池阻抗測量

●     高帶寬環路用於EIS測量。高帶寬環路包括一個高速DAC，用於在進行阻抗測量時產生交流激勵信號。高帶寬環路有一個高速TIA，用於將高達200 kHz的高帶寬電流信號轉換為可由ADC測量的電壓。

●     開關矩陣是一係列可編程開關
，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。開關矩陣提供了一個接口，用於將外部校準電阻連接到測量係統。開關矩陣還提供電極連接的靈活性。

由於電池的阻抗通常在毫歐姆範圍內，還需要一個類似值的校準電阻R_CAL。R_CAL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
，這對EIS應用至關重要。此外
，在R_CAL和實際電池上共用一個放大器有助於補償電纜
、交流耦合電容和放大器產生的誤差。

其工作原理為AD5941使用波形發生器、高速DAC(HSDAC)和激勵放大器來產生正弦波激勵信號。頻率可編程
，範圍為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用於電池。該電路需要電流放大器
，因為激勵緩衝器所能產生的電流上限為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R_CAL上的壓降。其次，測量電池電壓。每個組件上的壓降在微伏的範圍內很小(μV)。因此，測得的電壓通過一個外部增益級發送。增益放大器AD8694的輸出通過引腳AIN2和引腳AIN3直接發送到至AD5941芯片上的ADC。通過利用離散傅裏葉變換(DFT)硬件加速度計，對ADC數據執行DFT，其中實數和虛數計算並存儲在數據FIFO中，用於R_CAL電壓測量和電池電壓測量。ADG636對電池和R_CAL進行多路複用
，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(Z_UNKNOWN)
，在已知電阻R_CAL上施加交流電流信號
，並測量響應電壓V_RCAL。然後在未知阻抗Z_UNKNOWN上施加相同的信號，並測量響應電壓V_ZUNKNOWN。對響應電壓執行離散傅裏葉變換，確定每次測量的實值和虛值。可使用下式計算未知阻抗：

電dian化hua學xue內nei阻zu圖tu譜pu測ce試shi方fang法fa是shi通tong過guo注zhu入ru一yi定ding的de電dian流liu把ba電dian池chi的de電dian壓ya變bian化hua
，來lai分fen析xi在zai不bu同tong頻pin率lv的de電dian流liu情qing況kuang下xia，通tong過guo它ta的de電dian壓ya電dian流liu特te性xing來lai反fan映ying出chu整zheng個ge電dian池chi裏li麵mian內nei阻zu變bian化hua
，也ye就jiu基ji本ben上shang能neng反fan映ying出chu電dian池chi電dian化hua學xue特te性xing的de變bian化hua。它ta對dui於yu整zheng個ge電dian池chi的de壽shou命ming預yu測ce
，包bao括kuo對dui於yu電dian池chi能neng否fou安an全quan工gong作zuo是shi一yi個ge很hen關guan鍵jian的de參can數shu。這zhe種zhong電dian化hua學xue內nei阻zu的de測ce試shi也ye是shi一yi個ge相xiang對dui比bi較jiao複fu雜za的de技ji術shu，ADI基於高精度、阻抗和電化學前端芯片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內阻。

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