电路评价板
电池丈量板(eval-AD5941BATZ)
Arduino尺度超低功耗Arm® Cortex-M3开发渠道(eval-ADICUP3029)
规划和集成文件
原理图、布局文件、物料清单、软件
电路功用与优势
图1所示的电路是电化学阻抗谱(EIS)丈量体系，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体系内部发生的进程的安全扰动技能。该体系丈量电池在必定频率规模内的阻抗。这些数据能够确认电池的运转状况(SOH)和充电状况(SOC)。该体系选用超低功耗模仿前端(AFE)，旨在鼓励和丈量电池的电流、电压或阻抗呼应。
老化会导致电池功用下降和电池化学成分发生不可逆改动。阻抗随容量的下降而呈线性添加。运用EIS监督电池阻抗的添加能够确认SOH以及电池是否需求替换，然后削减体系停机时刻和保护本钱。、
电池需求鼓励电流，而不是电压，并且阻抗值在毫欧姆规模内很小。该体系包含向电池注入电流的必要电路，并答应校准和检测电池中的小阻抗。
图1.简化电路功用框图
电路描绘
电池EIS理论
电池对错线性体系；因而，检测电池I-V曲线的一个小样本，使体系出现伪线性行为。在伪线性体系中，正弦输入发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，向电池运用沟通鼓励信号以取得数据。
EIS中的信息常用奈奎斯特图表明，但也能够运用波特图显现（本电路笔记偏重常见格局）。在奈奎斯特图中，运用阻抗的负虚重量（y轴）与阻抗的实重量（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进程（见图2）。
图2：电池的奈奎斯特图显现与电化学进程相对应的不同区域
这些进程运用电阻、电容和一种称为Warburg电阻的元件来建模，Warburg电阻用字母W表明（在等效电路模型(ECM)部分有更具体的描绘）。没有简略的电子元件来表明Warburg分散电阻。
等效电路模型(ECM)
等效电路模型(ECM)运用简略的电子电路（电阻和电容）来模仿电化学进程。该模型用一个简略的电路来表明一个杂乱的进程，以协助剖析和简化核算。这些模型根据从测验电池中搜集的数据。对电池的奈奎斯特图进行表征后，能够开发一种ECM。大多数商业EIS软件都包含一个选项，用于创立一个特定的、共同的等效电路模型，以更挨近由任何特定电池生成的奈奎斯特图的形状。在创立电池模型时，有四个常见参数表明电池的化学性质。
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
在进行测验时受电极和所用导线长度的影响
随电池的老化而添加
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
由环绕电极的两层平行的相反电荷组成
在1 Hz至1 kHz频率规模内占主导
电荷搬运电阻—RCT
电阻是在电子从一种状况搬运到另一种状况，即从固体（电极）搬运到液体（电解质）的进程中发生的
随电池的温度和充电状况而改动
在1 Hz至1 kHz频率规模内占主导
Warburg（分散）电阻—W
表明对质量搬运即分散控制的阻力
典型地体现45°相移
当频率<1 Hz时占主导
表1供给了每个ECM组件的符号和表达式。
表1.ECM组件
构建电池ECM
树立等效电路模型(ECM)的进程通常以经历为根底，需求运用各种等效电路模型进行试验，直到模型与丈量的奈奎斯特图匹配。
下面几节将介绍怎么创立一个典型的电池模型。
Randel电路模型欧姆和电荷搬运效应
Randel电路是最常见的ECM。Randel电路包含电解质电阻(RS)、双层电容(CDL)和电荷搬运电阻(RCT)。双层电容与电荷搬运电阻平行，构成半圆模仿形状。
简化的Randel电路不仅是一个有用的根本模型，并且是其他更杂乱模型的起点。
图3.Randel电路
图4.发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)是经过读取电池特性的高频截点处的实轴值来确认的，即线穿过图左边的x轴处便是高频区。在图4中，电解质电阻(RS)是挨近奈奎斯特图来源的截点，为30Ω。另一（低频）截点的实轴值是电荷搬运电阻(RCT)和电解质电阻（本例为270 Ω）的和。因而，半圆的直径等于电荷搬运电阻(RCT)。
Warburg电路模型—分散效应
对Warburg电阻建模时，将组件W与RCT串联添加（见图5）。Warburg电阻的添加发生了45°线，在图的低频区很显着。
图5.Warburg电路模型—分散效应
图6.具有分散效应的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的成长是由电解质的不可逆电化学分化引起的。假如是锂离子电池，SEI则跟着电池的老化在负极处构成。这种分化的产品在电极外表构成一层固体。
构成初始SEI层后，电解质分子无法经过SEI抵达活性资料外表，与锂离子和电子发生反响，然后按捺了SEI的进一步成长。
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.修正的Randel电路模型；奈奎斯特图是一个具有显着SEI的锂离子电池
运用AD5941的电池阻抗解决方案
AD5941阻抗和电化学前端是EIS丈量体系的中心。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)和低功率跨阻抗扩大器(TIA)组成，前者可发生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，其间鼓励信号的频率低于200 Hz，例如电池阻抗丈量。
高带宽环路用于EIS丈量。高带宽环路包含一个高速DAC，用于在进行阻抗丈量时发生沟通鼓励信号。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丈量的电压。
开关矩阵是一系列可编程开关，答应将外部引脚衔接到高速DAC鼓励扩大器和高速TIA反相输入端。开关矩阵供给了一个接口，用于将外部校准电阻衔接到丈量体系。开关矩阵还供给电极衔接的灵活性。
电池的阻抗通常在毫欧姆规模内，需求一个相似值的校准电阻RCAL。此电路中的50 mΩ RCAL太小，AD5941无法直接丈量。因为RCAL较小，外部增益级运用AD8694来扩大接纳信号。AD8694具有超低噪声功用以及低偏置和漏电流参数，这对EIS运用至关重要。此外，在RCAL和实践电池上共用一个扩大器有助于补偿电缆、沟通耦合电容和扩大器发生的差错。
鼓励信号
AD5941运用其波形发生器、高速DAC(HSDAC)和鼓励扩大器来发生正弦波鼓励信号。频率可编程，规模为0.015 mHz至200 kHz。信号经过CE0引脚和外部达林顿对晶体管装备运用于电池，如图9所示。需求电流扩大器，因为鼓励缓冲器所能发生的电流上限为3 mA。典型电池需求高达50 mA。
图9.达林顿晶体管对
丈量电压
有两个电压丈量阶段。首要，丈量RCAL上的压降。其次，丈量电池电压。每个组件上的压降在微伏的规模内很小(μV)。因而，测得的电压经过一个外部增益级发送。增益扩大器AD8694的输出经过引脚AIN2和引脚AIN3直接发送到至AD5941芯片上的ADC。经过运用离散傅里叶变换(DFT)硬件加速度计，对ADC数据履行DFT，其间实数和虚数核算并存储在数据FIFO中，用于RCAL电压丈量和电池电压丈量。ADG636对电池和RCAL进行多路复用，输出至AD8694增益级。
需求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。因为AIN2和AIN3引脚均用于RCAL丈量和电池丈量，阻抗丈量的信号途径是成份额的。
核算不知道阻抗(ZUNKNOWN)
EIS选用份额式丈量法。为了丈量不知道阻抗(ZUNKNOWN)，在已知电阻RCAL上施加沟通电流信号，并丈量呼应电压VRCAL。然后在不知道阻抗ZUNKNOWN上施加相同的信号，并丈量呼应电压VZUNKNOWN。对呼应电压履行离散傅里叶变换，确认每次丈量的实值和虚值。可运用下式核算不知道阻抗：
图10.EIS丈量图
电路评价与测验
下节概述CN-0510电路规划的测验程序和成果的搜集。有关硬件和软件设置的完好具体信息，请参阅CN-0510用户攻略。
设备要求
带USB端口和Windows® 7或更高版别的PC。
eval-AD5941BATZ电路板。
eval-ADICUP3029开发板。
CN-0510参阅软件
USB A型转micro USB电缆
衔接抓取器/鳄鱼夹的Bayonet Neill–Concelman (BNC)衔接器
电池（待测器材，DUT）
图11.参阅规划板
开始运用
经过Arduino接头将eval-AD5941BATZ衔接到eval-ADICUP3029。
刺进BNC，衔接F+、F、S+、S上的电缆。
经过将micro USB电缆衔接到eval-ADICUP3029上的P10为开发板供电，并将USB电缆的另一端刺进您的电脑。
在衔接电池之前，保证开发板通电，以防止短路。
从GitHub下载示例固件。
analog.com wiki网站上供给了下载阐明。
将嵌入式软件装备为运用所需的参数。
运用AD5940BATStructInit(void)函数。（示例如下。）
图12.固件装备
运用主张的交互式开发环境(IDE)构建代码并将代码下载到eval-ADICUP3029方针板。有关装置具体信息，请参阅AD5940用户攻略。
依照图13所示衔接电池。将F+和S+引线衔接到电池的正极，将S-和F-衔接到电池的负极。
按eval-ADICUP3029上的3029-RESET按钮。
图13.完好EIS电池体系
电池测验和成果
运用程序（如RealTerm）翻开串行终端。
将波特率装备为230,400。
挑选eval-ADICUP3029衔接到的COM端口。
丈量成果经过UART流式传输，并能够保存到文件中进行剖析。
请注意，在程序开始时履行一次校准功用。假如鼓励频率较低，则至少需求4个周期才干捕获波形。要丈量0.1 Hz，需求40秒以上才干完结。
请注意，硬件针对1 Hz以上的频率进行优化。低于此值的丈量值因为外部扩大器的1/f噪声而愈加喧闹。
图14.显现在终端程序中的成果
