高精度低成本电池 EIS 扫描模块 MCUM5941-BATZ
电池阻抗谱的概念和作用
电池作为一种储能电化学系统，在近 40 年来一直被不断深入研究。随着新能源的发展势头愈加强劲，人们对电池的生产和测试技术要求越来越高，以达到最大化利用电化学能量、提高电池产品性能的目的。电化学阻抗谱 (EIS) 是对电池测量的技术手段之一，这种方法是使用多种正弦交流信号激励扰动电池电极，再采样分析其响应信号，它能够表征非常丰富的电池电化学特征信息。
对于电池 EIS 应用中，扫描的频率范围可以从 uHz 至 MHz 级别，将这一系列频点的复阻抗结果通过数学运算转换为实部和虚部后，可以绘制成奈奎斯特图，对电池的研究和生产工作有重要指导意义，奈奎斯特图的横轴是复阻抗的实部分量、纵轴是复阻抗的负虚部分量。如下图 (图1) 所示的是一种典型的锂离子电池 EIS 奈奎斯特图，对这类图形一般进行分区域分析。
上图 (图1) 从左至右大致分为三个区域：最左侧较为垂直的部分体现的是电池的欧姆效应，由 1kHz 以上的扰动信号测量所得，反映电池内部电解质特性，它会随着电池老化而明显增大 (图线向右偏移) ；中间类似半圆的部分则体现电池的电荷转移效应及电容效应，由 1Hz 至 1kHz 的扰动信号测量所得，反映电子从电极到电解质的迁移过程；最右侧 45 度角度上升部分体现的是电池的扩散效应，由 1Hz 以下的扰动信号测量所得，反映离子扩散的阻力。
由此可见，EIS 结果的奈奎斯特图的不同区域对应了电池内部的物理化学过程，通过数据的解析，可以定量或半定量地提取电池电极过程动力学信息。这项工作无论对电池工艺研究还是电芯制造生产都具有重要意义：对于工艺研究，它能够指导电极、隔膜、电解液等材料的优化；对于制造生产，它可以作为电芯出厂检验的重要手段。电池 EIS 扫描还有用于汽车电池寿命预测分析等场景，可降低工业应用中的停机时间和维护成本。
阻抗谱扫描的技术手段与挑战
目前电池 EIS 扫描的常用手段是使用电化学工作站，这是因为电池也是属于电化学系统的一种。如下图 (图2) 所示，进行 EIS 扫描时，电化学工作站与电池的连接方法及工作原理示意图。考虑到功能的通用性，电化学工作站是常规的三线系统，分别为对电极 CE 、参比电极 RE 、工作电极 WE 。而电池作为两电极式的电化学系统，在与电化学工作站连接时，CE 、RE 需要接在一起并连接至电池负极；WE 连接至电池正极。
电化学工作站通过 CE/RE 端向电池负极施加不同频率的电压扰动信号，而电池正极由于本身的电势差会向 WE 端流入电流，在此扰动下，这个电流将会是交流变化的。电化学工作站将这个变化的电流信号进行转换采集，并加以 DFT 等数学运算，最终形成一系列复阻抗结果输出。
电化学工作站作为一种专用的 EIS 扫描仪器，其准确度和专业度是不言而喻的，但在实际的工程应用中，它也存在着明显的缺点限制：电化学工作站的技术难度和设备成本居高不下，行业内只有少数厂商具备设计制造能力，直接阻碍了电池 EIS 扫描测试的批量化应用进程，实际电池生产工厂中难以大规模部署这种出厂测试仪器。
其次，电化学工作站基于电压扰动的原理，若操作不当，会破坏电池内部稳定的化学平衡体系，造成电池材料的永久性不可逆损害。在用于燃料电池等特殊电化学系统时，电压扰动信号中的直流成分会改变活性电极的化学特征，使扫描得到的 EIS 结果失准。
高精度低成本的电池 EIS 扫描模块
ADI 作为高端仪器的芯片方案解决商，在交流阻抗技术方面拥有深入的技术储备和领先的性能产品。针对电池 EIS 扫描这一应用场景，ADI 围绕 AD5941 这款模拟前端芯片，提出了整体解决方案。骏龙科技基于这一解决方案，结合工程实际和客户使用需求，推出了一种高精度低成本的电池 EIS 扫描模块 MCUM5941-BATZ。
如下图 (图3) 所示的是本方案的核心功能 — EIS 扫描的电路结构原理。AD5941 是一款集成了 DAC、运放、ADC、数字预处理核等功能的模拟前端 (AFE) 芯片。测量使用的激励信号是连接三极管组成的放电电路，控制电池的正极进行不同频率的正弦波放电，这与电化学工作站的激励原理有着本质区别，使得原本的电池扰动过程变为了一种可控放电过程，从原理上完全避免了对电池的影响和潜在损害。
电路的接收采集分为了两条路径：参考电阻和被测电池，并用模拟开关 ADG636 进行切换。系统先测量高精度参考电阻的各目标频点的响应信号并记录，后续测量被测电池时，将其响应信号进行比例换算，即可得到准确数值。
参考电阻和被测电池的复阻抗都在毫欧姆级别，且在放电激励下的响应电压幅度是 uV 级微弱信号，再由 AD8694 搭建的差分结构进行放大送入 AD5941，因此该系统对电路性能的要求是比较高的。AD5941 作为一款专用器件，在实现高度集成化的前提下，还能够满足高精度性能。
AD5941 除了具备优秀的模拟电路，还内置了硬件 DFT 数字功能模块，芯片可以自动按照指令顺序进行数学运算等处理，用户直接读取芯片寄存器数据即可。更重要的是，本文提出的 EIS 扫描方案的电路成本仅为百元人民币级别。基于这个 EIS 扫描电路方案，我们改进并设计了板级模块 MCUM5941-BATZ，它是全功能型硬件产品，方便工程师快速上手使用。实物图如下图 (图4) 所示：
MCUM5941-BATZ 板块具备的功能特性
- 电池开路电压测量功能
- 一体式的四线制开尔文测试线
- 电路自动校准保障长期准确性
- 板载及可外接的运行模式指示灯
- 用于多通道并行使用的交互协议和硬件设计
- 可灵活配置的 15mHz 至 200kHz 电池 EIS 扫描功能
成品板级的功能板卡可以保障电路制造方面的性能，使不同批次产品的测量结果一致性更好。从电路板设计层面，电路需要按照功能特点进行布局和走线，否则会影响精密模拟电路的性能；从软件层面，需要基于 AD5941 的功能进行合理配置、读取数据并进行数据二次运算加工。另外，还要考虑多通道应用、开路电压测量等行业客户实际需求。
优异的性能表现与高性价比
为了验证本文提出的 EIS 扫描模块 MCUM5941-BATZ 的性能表现，在实际测试中，使用了 2 种电池与某型号电化学工作站进行对比实验。测试频段为 1Hz 至 10kHz，采用 Log 分布方式扫描了共 30 个频点。
对于板级产品，可以直接输出频点、复阻抗实部、负虚部的数值，无需任何数据转换即可直接绘制奈奎斯特图。如下图 (图5、图6) 所示，分别为某 3800mAh 平板锂聚合物电池的 EIS 扫描奈奎斯特对比图，以及 5000mAh 型号的扫描结果对比图。
通过图线对比，可以看到本方案的 EIS 奈奎斯特图线形状与电化学工作站完全一致，能够表征电池的电极过程动力学特征。通过细节观察还可以发现，本方案的奈奎斯特图线整体比电化学工作站的图线向左侧平移，即整体测量得到的复阻抗实部更小，这说明此款电池 EIS 扫描模块 MCUM5941-BATZ 相比电化学工作站有更低的线损，测量结果更接近电池的真实值。
综合来看，本方案在性能上能够媲美动辄上万元的电化学工作站，因此它拥有绝对的性价比优势。需要注意的是，两者相比而言，电化学工作站针对 1Hz 以下频点的扫描是更具备优势的，而本方案原理受限于放大器 1/f 噪声问题，并不擅长准确测量 1Hz 以下的频点数据，本文未做比对，在此推荐用户只将本方案用于 1Hz 以上的电池 EIS 扫描。
多通道并行和易用交互指令
结合实际用户的使用需求，电池 EIS 扫描模块 MCUM5941-BATZ 专门设计开发了多通道并行的硬件特性和软件协议。如下图 (图7) 所示，展示了八通道方案实物图。
如下图 (图8) 所示，展示了本方案针对多通道应用的硬件设计功能点：
- 8 档拨码开关用于自定义地址位
- 入口隔离电源方式避免通道间串扰
- 隔离式 485 接口实现类 Modbus 协议
- 总线式主板设计，兼容多种通信接口
前文提到由于电路前级接收的模拟信号十分微弱，因此为了保障测量结果的一致性，对电路板设计的要求较高。如下图 (图9) 所示，为随机测试的两块功能板对同一电池的 EIS 扫描结果 (1Hz 至 5kHz)。通过横向数据比对，两个通道的各频点测量结果误差保持在 1% 以内，能够控制在低于 1 毫欧姆的水平，因此说明本板卡产品有较好的一致性。
对于数据交互指令，主要是对各通道的扫描参数进行配置，包括 EIS 起止频率、扫描点数、激励强度等，其次就是运行模式控制指令及数据读取指令。交互指令的架构是采用类似 Modbus 的主动轮询式，以防止多通道之间的数据冲突，但与传统 Modbus 十六进制数据包不同的是，全部指令均为自然语言的易读字符串，如下图 (图10) 所示是部分指令交互效果，可以直接使用类似串口助手的 PC 端工具软件。当然，如果需要传统 Modbus 或其他形式的交互协议，可以联系咨询骏龙科技的技术人员定制开发。
总结
电池的 EIS 扫描是一项先进且实用的电池研究、测试手段，但受限于电化学工作站的高昂设备成本，行业内很难进行批量实施。本文介绍了 ADI 的电池 EIS 方案平台的工作原理，并基于此技术进行升级改进，推出了板级功能模块 MCUM5941-BATZ。通过扫描结果与电化学工作站对比、板间一致性对比，表明本方案产品在性能指标上能够满足实际应用。此外，本方案具有低成本、支持多通道的特点，使电池 EIS 扫描的大规模使用成为可能。如需了解更多技术细节和咨询产品方案，请点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们骏龙科技公司愿意为您提供更深入的讲解与介绍。
参考资料