回收电子料路笔记 - 回收电子料池的回收电子料化学阻抗谱EIS

回收电子料路功能与上风

图1所示的回收电子料路是回收电子料化学阻抗谱（EIS）测量系统，用于表征锂离子（Li-Ion）和其他类型的回收电子料池。EIS是一种用于检测回收电子料化学系统内部发生的过程的安全扰动技术。该系统测量回收电子料池在肯定频率范围内的阻抗。这些数据可以确定回收电子料池的运行状况（SOH）和充回收电子料状况（SOC）。该系统采用超低功耗模拟前端（AFE），旨在激励和测量回收电子料池的回收电子料流、回收电子料压或阻抗相应。

老化会导致回收电子料池性能降落和回收电子料池化学成分发生不可逆转变。阻抗随容量的降落而呈线性增长。使用EIS监视回收电子料池阻抗的增长可以确定SOH以及回收电子料池是否必要替换，从而削减系统停机时间和维护成本。

回收电子料池必要激励回收电子料流，而不是回收电子料压，而且阻抗值在毫欧姆范围内很小。该系统包括向回收电子料池注入回收电子料流的需要回收电子料路，并许可校准和检测回收电子料池中的小阻抗。

图1.简化回收电子料路功能框图

回收电子料路描述

回收电子料池EIS理论

回收电子料池是非线性系统；因此，检测回收电子料池I-V曲线的一个小样本，使系统呈现伪线性举动。在伪线性系统中，正弦输入产生的正弦输出频率完全雷同，但相位和振幅发生了偏移。在EIS中，向回收电子料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透露表现，但也可以使用波特图表现（本回收电子料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回收电子料池中发生的各种化学和物理过程（见图2）。

图2：回收电子料池的奈奎斯特图表现与回收电子料化学过程相对应的不同区域

这些过程使用回收电子料阻、回收电子料容和一种称为Warburg回收电子料阻的元件来建模，Warburg回收电子料阻用字母W透露表现（在等效回收电子料路模型（ECM）部分有更细致的描述）。没有简单的回收电子料子元件来透露表现Warburg扩散回收电子料阻。

等效回收电子料路模型（ECM）

等效回收电子料路模型（ECM）使用简单的回收电子料子回收电子料路（回收电子料阻和回收电子料容）来模拟回收电子料化学过程。该模型用一个简单的回收电子料路来透露表现一个复杂的过程，以帮助分析和简化计算。这些模型基于从测试回收电子料池中收集的数据。对回收电子料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、独特的等效回收电子料路模型，以更接近由任何特定回收电子料池生成的奈奎斯特图的外形。在创建回收电子料池模型时，有四个常见参数透露表现回收电子料池的化学性子。

回收电子料解（欧姆）回收电子料阻—RS

RS的特征如下：

?对应于回收电子料池中回收电子料解质的回收电子料阻

?在进行测试时受回收电子料极和所用导线长度的影响

?随回收电子料池的老化而增长

?当频率》1 kHz时占主导

双层回收电子料容—CDL

CDL的特征如下：

?发生在回收电子料极和回收电子料解质之间

?由围绕回收电子料极的两层平行的相反回收电子料荷组成

?在1 Hz至1 kHz频率范围内占主导

回收电子料荷转移回收电子料阻—RCT

?回收电子料阻是在回收电子料子从一种状况转移到另一种状况，即从固体（回收电子料极）转移到液体（回收电子料解质）的过程中发生的

?随回收电子料池的温度和充回收电子料状况而改变

?在1 Hz至1 kHz频率范围内占主导

Warburg（扩散）回收电子料阻—W

?透露表现对质量转移即扩散控制的阻力

?典型地体现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

构建回收电子料池ECM

建立等效回收电子料路模型（ECM）的过程通常以经验为基础，必要使用各种等效回收电子料路模型进行实验，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回收电子料池模型。

Randel回收电子料路模型欧姆和回收电子料荷转移效应

Randel回收电子料路是最常见的ECM。Randel回收电子料路包括回收电子料解质回收电子料阻（RS）、双层回收电子料容（CDL）和回收电子料荷转移回收电子料阻（RCT）。双层回收电子料容与回收电子料荷转移回收电子料阻平行，形成半圆模拟外形。

简化的Randel回收电子料路不仅是一个有效的基本模型，而且是其他更复杂模型的起点。

图3.Randel回收电子料路

图4.产生奈奎斯特图的简化Randel回收电子料路图

简化Randel回收电子料路的奈奎斯特图始终是一个半圆。回收电子料解质回收电子料阻（RS）是通过读取回收电子料池特征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，回收电子料解质回收电子料阻（RS）是接近奈奎斯特图起源的截点，为30Ω。另一（低频）截点的实轴值是回收电子料荷转移回收电子料阻（RCT）和回收电子料解质回收电子料阻（本例为270 Ω）的和。因此，半圆的直径等于回收电子料荷转移回收电子料阻（RCT）。

Warburg回收电子料路模型—扩散效应

对Warburg回收电子料阻建模时，将组件W与RCT串联添加（见图5）。Warburg回收电子料阻的增长产生了45°线，在图的低频区很显明。

图5.Warburg回收电子料路模型—扩散效应

图6.具有扩散效应的ECM

组合Randel和Warburg回收电子料路模型

有些回收电子料池描绘两个半圆形。第一个半圆对应固体回收电子料解质界面（SEI）。SEI的生长是由回收电子料解质的不可逆回收电子料化学分解引起的。假如是锂离子回收电子料池，SEI则随着回收电子料池的老化在负极处形成。这种分解的产物在回收电子料极外观形成一层固体。

形成初始SEI层后，回收电子料解质分子无法通过SEI到达活性材料外观，与锂离子和回收电子料子发生反应北京人事考试网站，从而克制了SEI的进一步生长。

将两个Randel回收电子料路组合起来，为这种奈奎斯特图建模。回收电子料阻（RSEI）针对SEI的回收电子料阻建模。

图8.修改的Randel回收电子料路模型；奈奎斯特图是一个具有显明SEI的锂离子回收电子料池

使用AD5941的回收电子料池阻抗解决方案

AD5941阻抗和回收电子料化学前端是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，，后者可将输入回收电子料流转换为回收电子料压。

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，例如回收电子料池阻抗测量。

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的高带宽回收电子料流信号转换为可由ADC测量的回收电子料压。

开关矩阵是一系列可编程开关，许可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，用于将外部校准回收电子料阻连接到测量系统。开关矩阵还提供回收电子料极连接的天真性。

回收电子料池的阻抗通常在毫欧姆范围内，必要一个类似值的校准回收电子料阻RCAL。此回收电子料路中的50 m？6？8 RCAL太小，AD5941无法直接测量。因为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回收电子料流参数，这对EIS应用至关紧张。此外百度关键词排名，在RCAL和现实回收电子料池上共用一个放大器有助于补偿回收电子料缆、交流耦合回收电子料容和放大器产生的偏差。

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回收电子料池，如图9所示。必要回收电子料流放大器，由于激励缓冲器所能产生的回收电子料流上限为3 mA。典型回收电子料池必要高达50 mA。

图9.达林顿晶体管对

测量回收电子料压

有两个回收电子料压测量阶段。首先，测量RCAL上的压降。其次，测量回收电子料池回收电子料压。每个组件上的压降在微伏的范围内很小（μV）。因此，测得的回收电子料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。通过行使离散傅里叶变换（DFT）硬件加速度计，对ADC数据实行DFT，其中实数和虚数计算并存储在数据FIFO中，用于RCAL回收电子料压测量和回收电子料池回收电子料压测量。ADG636对回收电子料池和RCAL进行多路复用，输出至AD8694增益级。

必要ADG636开关的超低回收电子料荷注入和小漏回收电子料流来消弭AD5941输入引脚上的寄生回收电子料容。因为AIN2和AIN3引脚均用于RCAL测量和回收电子料池测量，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），在已知回收电子料阻RCAL上施加交流回收电子料流信号，并测量相应回收电子料压VRCAL。然后在未知阻抗ZUNKNOWN上施加雷同的信号新疆人事考试信息网，并测量相应回收电子料压VZUNKNOWN。对相应回收电子料压实行离散傅里叶变换，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

回收电子料路评估与测试

下节概述CN-0510回收电子料路设计的测试程序和效果的收集。有关硬件和软件设置的完备细致信息，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回收电子料路板。

?EVAL-ADICUP3029开发板。

?CN-0510参考软件

?USB A型转micro USB回收电子料缆

?连接抓取器/鳄鱼夹的Bayonet Neill–Concelman （BNC）连接器

?回收电子料池（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上的回收电子料缆。

3.通过将micro USB回收电子料缆连接到EVAL-ADICUP3029上的P10为开发板供回收电子料，并将USB回收电子料缆的另一端插入您的回收电子料脑。

a.在连接回收电子料池之前，确保开发板通回收电子料，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。有关安装细致信息，请参阅AD5940用户指南。

6.按照图13所示连接回收电子料池。将F+和S+引线连接到回收电子料池的正极，将S-和F-连接到回收电子料池的负极。

7.按EVAL-ADICUP3029上的3029-RESET按钮。

图13.完备EIS回收电子料池系统

回收电子料池测试和效果

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.测量效果通过UART流式传输，并可以保存到文件中进行分析。

请细致，在程序开始时实行一次校准功能。假如激励频率较低EU箱，则至少必要4个周期才能捕捉波形。要测量0.1 Hz，必要40秒以上才能完成。

请细致，硬件针对1 Hz以上的频率进行优化。低于此值的测量值因为外部放大器的1/f噪声而更加喧华。

图14.表现在终端程序中的效果

图15表现使用EVAL-AD5941BATZ测量示例锂离子回收电子料池的奈奎斯特图。

图15.奈奎斯特图（扫描1.11 Hz至50 kHz）