【導(dǎo)讀】電池在電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人等大功率場(chǎng)景中的廣泛應(yīng)用，對(duì)BMS的可靠性、安全性和壽命管理提出了更高要求。電芯老化、熱失控預(yù)警不足、充電速度與電池衰減之間的矛盾，是目前電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的幾個(gè)實(shí)際問(wèn)題。電化學(xué)阻抗譜技術(shù)并非新事物，在電池研究領(lǐng)域已有數(shù)十年應(yīng)用歷史，但將其集成到量產(chǎn)BMS芯片中并支持車(chē)載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是近年才逐步落地。德州儀器在其BQ79826Z-Q1和BQ79881-Q1芯片組中集成了EIS引擎，使得在每個(gè)電芯層面進(jìn)行阻抗測(cè)量成為可能。本文將圍繞EIS的技術(shù)原理、檢測(cè)能力、應(yīng)用場(chǎng)景以及芯片級(jí)實(shí)現(xiàn)展開(kāi)討論。
1. 簡(jiǎn)介
過(guò)去十年間，EV 行業(yè)飛速發(fā)展。這一轉(zhuǎn)型需要取得重大的工程進(jìn)展，以克服在續(xù)航里程、充電速度和電池可靠性方面的早期局限性。盡管懷疑論者仍將目光投向續(xù)航焦慮以及電池隨時(shí)間推移可能出現(xiàn)的容量逐漸衰減，但諸多突破性進(jìn)展已經(jīng)解決了這些問(wèn)題，包括：
通過(guò)電芯化學(xué)成分和制造工藝的進(jìn)步，將電池能量密度從 100Wh/kg 提升到 300Wh/kg。
改進(jìn)的充電基礎(chǔ)設(shè)施可實(shí)現(xiàn)更快的充電速度，將充電時(shí)間從八小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間縮短至 30 分鐘以內(nèi)即可實(shí)現(xiàn) 80% 的充電。
采用先進(jìn)的高壓應(yīng)用特定半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)更精確的電池監(jiān)測(cè)，從而能夠管理在 400V 和 800V 架構(gòu)中串聯(lián)超過(guò) 200 節(jié)電芯的電池包。
盡管取得了所有上述進(jìn)步，電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員仍面臨三大核心挑戰(zhàn)：
生命周期管理：設(shè)計(jì)人員必須提高高能量密度鋰電芯（包括磷酸鐵鋰 [LFP] 和鎳錳鈷 [NMC] 三元鋰）的可靠性和使用壽命。這些電芯對(duì)溫度波動(dòng)、過(guò)充、欠充和快速充電等高充電速率極為敏感，需要在監(jiān)測(cè)與控制之間取得微妙的均衡，以確保可靠性和穩(wěn)定性。
老化和容量衰減：目前，電芯的容量衰減（即隨著電池老化其所能容納的電量減少）通常只能通過(guò)模型預(yù)測(cè)，而無(wú)法直接測(cè)量，這使預(yù)測(cè)變得十分困難。消費(fèi)者在使用新型智能手機(jī)時(shí)也有類(lèi)似的體驗(yàn)：充滿電的電池一開(kāi)始可以續(xù)航數(shù)日，但電池容量逐漸下降，最終只有原始容量的幾分之一。
安全性與熱失控：在行業(yè)壓力和政府法規(guī)的共同推動(dòng)下，檢測(cè)觸發(fā)災(zāi)難性熱失控的電芯應(yīng)力和損壞，仍是該行業(yè)面臨的最迫切的挑戰(zhàn)。
采用新工具來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，使電池系統(tǒng)在苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景中變得更安全、更可靠。EIS 是其中一項(xiàng)頗具前景的技術(shù)，它使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崟r(shí)洞察電池的狀態(tài)和狀況，從而能夠有效地觀察電芯內(nèi)部情況。
2. 使用 EIS 分析電池
2.1 發(fā)生了什么變化？法規(guī)推動(dòng)更早的檢測(cè)
熱失控是指電芯開(kāi)始自發(fā)熱、增壓并最終發(fā)生燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。它會(huì)快速蔓延到其他電芯，并導(dǎo)致整個(gè)電池包起火。該事件幾乎無(wú)法阻止，只能進(jìn)行遏制。
因此，電池行業(yè)專家和政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在采取措施來(lái)實(shí)現(xiàn)更早的檢測(cè)，從而為駕駛員提供更長(zhǎng)的預(yù)警時(shí)間。 2020 年，中國(guó)國(guó)標(biāo) (GB) 38031 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在發(fā)出熱失控預(yù)警后必須確保至少有五分鐘的逃生時(shí)間。將于 2026 年 7 月生效的 GB 38031-2025 修訂版將該窗口期進(jìn)一步延長(zhǎng)到至少兩小時(shí)：即單節(jié)電芯進(jìn)入熱失控狀態(tài)后，電池包外部出現(xiàn)明火或爆炸之前的時(shí)間。
這些標(biāo)準(zhǔn)給汽車(chē)制造商帶來(lái)了極大的壓力，要求他們?cè)趩蝹€(gè)電芯層面檢測(cè)熱失控，并爭(zhēng)取每一分鐘可能的預(yù)警時(shí)間。遺憾的是，目前幾乎沒(méi)有解決方案能夠確信滿足這一要求。EIS 提供了一種方法，將可測(cè)量的電芯級(jí)洞察集成到德州儀器 (TI) 的下一代 BMS 器件中。
2.2 什么是 EIS？
讓我們先來(lái)拆解一下 EIS。譜分析是許多系統(tǒng)中使用的一種技術(shù)，通過(guò)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)激勵(lì)并測(cè)量響應(yīng)來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)特性。例如，在生物譜分析中，智能秤通過(guò)向人體發(fā)送各種頻率的電流信號(hào)來(lái)測(cè)量肌肉、脂肪和水分含量，進(jìn)而估算身體成分。
EIS 的電化學(xué)部分將相同的原理應(yīng)用于電池。電信號(hào)用于測(cè)量電池的化學(xué)反應(yīng)。跟蹤鋰在電芯中的位置，或者確定負(fù)極或正極是否完好無(wú)損等測(cè)量，都是非常有用的待監(jiān)測(cè)化學(xué)特性（圖 2-1）。譜分析的目標(biāo)是以非侵入方式深入洞察電芯內(nèi)部的頻率相關(guān)行為。
圖 2-1. 充電和放電期間的電池鋰離子流動(dòng)
2.3 電池 EIS 如何工作？
TI 的 BQ79826Z-Q1 電池監(jiān)測(cè)器和 BQ79881-Q1 電池接線盒與電池包監(jiān)測(cè)器對(duì)電池電芯、模組或電池包施加電流激勵(lì)，并測(cè)量響應(yīng)電壓。圖 2-2 顯示電池內(nèi)部的電流和電壓。通過(guò)比較不同頻率下的幅值差（阻抗幅值）和時(shí)間差（阻抗相位），并監(jiān)測(cè)隨時(shí)間、溫度、電量或其他電池參數(shù)的變化，可以深入洞察電芯內(nèi)部發(fā)生的情況。
圖 2-2 利用電流和電壓進(jìn)行 EIS 測(cè)量
2.4 如何使用阻抗數(shù)據(jù)
BMS 使能阻抗測(cè)量功能后，確定與阻抗相關(guān)的電池參數(shù)成為重點(diǎn)。
奈奎斯特圖是一種直觀顯示阻抗隨頻率變化的常用技術(shù)。圖 2-3 在 x 軸上顯示阻抗實(shí)部，在 y 軸上顯示阻抗虛部。每條線均包含 0.1Hz 至 1kHz 的頻率掃描，右側(cè)為最低頻率，左側(cè)為最高頻率。圖 2-3 中的線條顏色表示掃描期間電池的溫度。
圖 2-3 溫度與阻抗奈奎斯特圖
在圖中，阻抗曲線的形狀會(huì)隨溫度而變化。此外，表示 500Hz 時(shí)單個(gè)阻抗的黑色圓圈會(huì)隨著溫度的變化而移動(dòng)。設(shè)計(jì)人員可以使用這種基于 EIS 的溫度數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別電池的內(nèi)核溫度，監(jiān)測(cè)充電期間的溫度峰值，并減少系統(tǒng)中所需的溫度傳感器數(shù)量。
2.5 EIS 還提供哪些其他洞察？
除了簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量之外，EIS 還能深入洞察特定電池組件，如負(fù)極、正極、鋰擴(kuò)散、固態(tài)電解質(zhì)界面 (SEI) 層完整性以及對(duì)電池運(yùn)行至關(guān)重要的其他組件。按形狀和頻率拆解奈奎斯特圖后，這些參數(shù)變得清晰直觀。圖 2-4 展示了 EIS 分析中使用的頻率區(qū)域和等效電路模型。
圖 2-4 在奈奎斯特圖中識(shí)別電池組件
彩色方框標(biāo)出的區(qū)域或奈奎斯特形狀突顯電池電芯中要監(jiān)測(cè)的特定區(qū)域：
歐姆電阻（綠色方框，水平線）：該區(qū)域顯示電解液的直流電阻，指示電池中是否存在任何短路。這些短路可能由制造缺陷、組裝錯(cuò)誤或者車(chē)輛碰撞或暴風(fēng)雨等事件造成的損壞導(dǎo)致。
電荷傳送區(qū)域（黃色方框，半圓）：該區(qū)域通常表示離子和電子在電極中相遇的電極電解質(zhì)界面的健康狀態(tài)。該區(qū)域監(jiān)測(cè)的電芯中最重要的物理組件之一是 SEI 層，它允許離子和電子進(jìn)行結(jié)合與分離。如果 SEI 層開(kāi)始劣 化，這種劣化通常表明電芯老化，并可作為電芯失效的合理預(yù)測(cè)指標(biāo)。
擴(kuò)散區(qū)域（紅色方框，45 度線）：該區(qū)域與負(fù)極和正極中的鋰擴(kuò)散過(guò)程相關(guān)，有助于評(píng)估荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)以及電芯隨時(shí)充電或放電的能力。
通過(guò)將電池電芯的物理建模與車(chē)載 EIS 測(cè)量相結(jié)合，BMS 可以實(shí)時(shí)評(píng)估電池的健康狀態(tài)、老化程度和可能的損壞。
3. EIS 的影響：三種應(yīng)用場(chǎng)景
讓我們根據(jù)數(shù)據(jù)和市場(chǎng)要求，來(lái)看看 EIS 的三種應(yīng)用場(chǎng)景。
3.1 熱失控檢測(cè)
熱失控是電芯和電池包的災(zāi)難性故障，會(huì)導(dǎo)致人員處于危險(xiǎn)狀況，并可能造成嚴(yán)重的連帶損失。圖 3-1 顯示了 EV 電池包中的多個(gè)電芯。
圖 3-1 EV 電池包中的鋰電芯
之前幾代的 BMS 都依賴于反應(yīng)緩慢的溫度傳感器，這些傳感器通常僅在多個(gè)電芯已經(jīng)進(jìn)入熱失控狀態(tài)后才提供檢測(cè)。目前市場(chǎng)上的大多數(shù) BMS 設(shè)計(jì)都增加了昂貴的壓力和氣體傳感器，用于檢測(cè)電芯的排氣，這種現(xiàn)象可能僅在起火前幾分鐘發(fā)生。這兩種方法在單個(gè)電芯層面都存在缺陷。
EIS 會(huì)檢測(cè)每一個(gè)電芯的內(nèi)核溫度和阻抗變化。EIS 可以基于電阻抗測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè)電芯的內(nèi)核溫度，從而在早期階段 標(biāo)記熱失控，這是傳統(tǒng)溫度傳感器無(wú)法做到的。
此外，EIS 還可以檢測(cè)電池中的異常或不規(guī)則現(xiàn)象。熱失控的一個(gè)主要原因是枝晶生長(zhǎng)，即負(fù)極上鋰離子的堆積，這會(huì)導(dǎo)致電芯內(nèi)部短路（圖 3-2）。通過(guò)監(jiān)測(cè)每個(gè)電芯的阻抗，可以監(jiān)測(cè)單個(gè)電芯隨著時(shí)間的推移逐漸形成的問(wèn)題。這種電芯層級(jí)的可見(jiàn)性直接支持 GB 38031-2025 要求的兩小時(shí)預(yù)警窗口。
圖 3-2 導(dǎo)致熱失控的枝晶生長(zhǎng)
3.2 更快的充電速度
由于消費(fèi)者不想花時(shí)間等待 EV 車(chē)輛充電，EV 充電這一話題掩蓋了 EV 的許多固有優(yōu)勢(shì)。為油箱加油的便利性與 EV 電池的充電過(guò)程形成了鮮明對(duì)比，促使行業(yè)致力于開(kāi)發(fā)越來(lái)越快的充電能力，這也是理所當(dāng)然的。
消費(fèi)者出門(mén)在外或公路旅行時(shí)需要快速充電。商用車(chē)輛（包括卡車(chē)和公共汽車(chē)）由于需要持續(xù)運(yùn)行，因此必然依賴快速充電。
遺憾的是，頻繁的快速充電會(huì)加速電池老化，使電池包的壽命縮短 10% 至 20%。大電流充電會(huì)給電池組件帶來(lái)壓力，并可能導(dǎo)致稱為鋰沉積的不可逆情況。鋰沉積是指由于鋰擴(kuò)散不良導(dǎo)致鋰在負(fù)極上堆積，這意味著電芯尚未準(zhǔn)備好接受額外的電子。溫度、電量水平以及薄 SEI 層的老化都會(huì)影響沉積現(xiàn)象的開(kāi)始時(shí)間。這些應(yīng)力和電芯的鋰擴(kuò)散正是器件制造商建議不要將電池充電至 100% 的原因。
EIS 通過(guò)以下兩種方式幫助設(shè)計(jì)人員管理快速充電：
溫度監(jiān)測(cè)可在快速充電期間將環(huán)境和內(nèi)核電池溫度保持在可接受的范圍內(nèi)。低溫會(huì)限制擴(kuò)散，而快速充電又會(huì)升高電池溫度，因此持續(xù)監(jiān)測(cè)非常重要。
擴(kuò)散監(jiān)測(cè)可實(shí)時(shí)洞察擴(kuò)散區(qū)域（奈奎斯特圖的尾部）。例如，如果阻抗變得過(guò)高，則必須降低充電電流。
雖然監(jiān)測(cè)鋰擴(kuò)散可提供電池老化的預(yù)警信號(hào)，但這些監(jiān)測(cè)器會(huì)讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提高充電電流。直接測(cè)量告知系統(tǒng)何時(shí)降低電流，而不依賴于需要額外內(nèi)置裕度且實(shí)際上限制最大充電速率的靜態(tài)建模鋰擴(kuò)散參數(shù)。保持較低的阻抗可實(shí)現(xiàn)更快的充電。
TI BQ79826Z-Q1 中的 EIS 引擎具有 ≤0.01Hz 的超低頻率檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)散感知，通過(guò)同時(shí)激勵(lì)多達(dá)五個(gè)阻抗 頻率來(lái)縮短測(cè)量時(shí)間（圖 3-3）。
圖 3-3 通過(guò)同時(shí)激勵(lì)多個(gè)頻率縮短測(cè)量時(shí)間
3.3 電量與可用性
電池荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)是每個(gè)電池系統(tǒng)的重要參數(shù)。EIS 并非取代傳統(tǒng)的直流電壓測(cè)量，而是通過(guò)以下兩種方式增強(qiáng)決策所需有意義數(shù)據(jù)的可用性，并改進(jìn)了現(xiàn)有系統(tǒng)：
直流電壓精度：LFP 電芯在 30% 至 90% 之間表現(xiàn)出非常平坦的電壓與荷電狀態(tài)曲線（如圖 3-4 所示），這使得傳統(tǒng)的開(kāi)路電壓測(cè)量不準(zhǔn)確。EIS 通過(guò)提供直接的荷電狀態(tài)測(cè)量，將最壞情況下的誤差從 5% 或 10% 降至 2% 以下，并提高了可用電量。
檢測(cè)電池閑置時(shí)的健康狀態(tài)：許多 ESS 系統(tǒng)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于閑置狀態(tài)，因此很難確定電芯是否能夠在必要時(shí)提供電量。遺憾的是，僅靠直流電壓無(wú)法測(cè)量鋰擴(kuò)散或阻抗。EIS 使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠定期檢查電池的健康狀態(tài)，確保系統(tǒng)在需要時(shí)能夠隨時(shí)供電。
圖 3-4 展現(xiàn)平坦區(qū)域的 LFP 開(kāi)路電壓與荷電狀態(tài)曲線
4. 測(cè)量 EIS
4.1 EIS 系統(tǒng)架構(gòu)
支持 EIS 的 BMS 以傳統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，包括用于電壓檢測(cè)的多個(gè)堆疊式電池監(jiān)測(cè)器和用于電流檢測(cè)的電池包監(jiān)測(cè)器，以及以下兩個(gè)組件（圖 4-1）：
電流激勵(lì)源可生成正弦波、方波或其他形狀的波形以激勵(lì)電芯。
同步電壓和電流采樣可使電流和電壓測(cè)量器件之間的振蕩器保持同步，從而減少阻抗相位誤差。
圖 4-1 電池包 EIS 系統(tǒng)方框圖
圖 4-1 顯示典型的電池包配置，包括兩個(gè) BQ79826Z-Q1 電芯電壓監(jiān)測(cè)器和一個(gè) BQ79881-Q1 電池包電流監(jiān)測(cè)器。BQ798xx 監(jiān)測(cè)器包含集成的同步協(xié)議，可使電流和電壓測(cè)量保持緊密對(duì)齊，從而更大限度地減少阻抗相位誤差。激勵(lì)源可以直接由 BQ798xx 器件控制，也可以由直流/直流轉(zhuǎn)換器、充電器、均衡器、預(yù)充電電路或逆變器等終端設(shè)備中的現(xiàn)有源生成。
4.2 EIS 測(cè)量的參數(shù)
優(yōu)化 EIS 系統(tǒng)需要注意三個(gè)電氣設(shè)計(jì)參數(shù)：
電芯阻抗：電池在其整個(gè)工作壽命內(nèi)具有一定的阻抗范圍，設(shè)計(jì)人員可以在奈奎斯特圖中采集。阻抗直接決定了激勵(lì)電芯所需的電流量。例如，100Ah 電芯通常顯示 500μΩ 至 750μΩ 的阻抗，并且模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 測(cè)量可能需要 1Ap 至 2Ap 的峰值電流。
激勵(lì)電流幅值：電流幅值會(huì)影響電池線性度要求和 ADC 的理想測(cè)量范圍。線性度可確保電池在被正弦波激勵(lì)時(shí)以正弦波作出響應(yīng)。目標(biāo)是將電流激勵(lì)幅值保持在盡可能低的水平，以限制功耗。
ADC 噪聲：由于電壓和電流信號(hào)可能處于微伏級(jí)范圍，因此低 ADC 輸入基準(zhǔn)噪聲對(duì)于實(shí)現(xiàn)高信噪比 (SNR) 至關(guān)重要。選擇低噪聲 ADC 可提高 SNR 并降低所需的激勵(lì)電流。
4.3 TI 的 EIS 芯片組
借助 BQ79826Z-Q1 和 BQ79881-Q1 電池監(jiān)測(cè)器，設(shè)計(jì)人員可以使用 TI 的集成式 EIS 引擎測(cè)量每個(gè)電芯的阻 抗。通過(guò)采集所有 EIS 頻段（可低至 0.01Hz）的阻抗，可檢測(cè)與溫度、荷電狀態(tài)和熱失控相關(guān)的細(xì)微阻抗變化。
BQ798xx 芯片組共同構(gòu)成了完整的 BMS（如圖 4-2 所示），可提供用于大電芯數(shù)配置的可堆疊 26 通道電池監(jiān)測(cè)器，以及用于測(cè)量電流和電池包電壓的高精度電池包監(jiān)測(cè)器。
圖 4-2 BQ798xx BMS 方框圖
這些器件滿足了電池容量不斷增長(zhǎng)的嚴(yán)苛要求，支持使用 EIS 優(yōu)化型設(shè)計(jì)測(cè)量極小的阻抗。用于電壓和電流檢測(cè)的極低噪聲 ADC 可以提高 SNR；0.01Hz 至 3.5kHz 的寬頻率范圍可以覆蓋重要阻抗區(qū)域；堆棧同步可以更大限度地縮短電流和電壓測(cè)量之間的時(shí)間，從而減小相位誤差。
4.4 參考設(shè)計(jì)
為使用 BQ79826Z-Q1 和 BQ79881-Q1 快速評(píng)估 EIS，TI 提供了包括硬件、軟件和系統(tǒng)級(jí)支持的參考設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì) 人員只需將標(biāo)準(zhǔn) BQ79826 和 BQ79881 評(píng)估模塊直接連接到電池、模組或電池包，即可執(zhí)行大多數(shù) EIS 評(píng)估。TI 還提供用于 EIS 性能測(cè)試、算法開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)收集和車(chē)載集成的軟件解決方案。此外，包括 TI EV BMS 3.0 參考設(shè) 計(jì)在內(nèi)的多種參考設(shè)計(jì)，可幫助設(shè)計(jì)人員縮短 BMS 和 EIS 系統(tǒng)的規(guī)劃、測(cè)試和開(kāi)發(fā)時(shí)間。
TI 可應(yīng)要求提供的其他參考設(shè)計(jì)包括：
52 節(jié)至 104 節(jié)電芯串聯(lián)的 ESS 系統(tǒng)：適用于 ESS 系統(tǒng)的電池包或電池簇參考設(shè)計(jì)。
堆疊式有源橋：獲得專利的 EIS 激勵(lì)源，效率大于 99%。
有源電池包均衡：基于雙有源橋拓?fù)涞募?lì)源，使用現(xiàn)有的電池包均衡電路來(lái)激勵(lì)電芯。
結(jié)論
從技術(shù)趨勢(shì)來(lái)看，EIS正在從實(shí)驗(yàn)室研究工具轉(zhuǎn)變?yōu)榱慨a(chǎn)BMS中的實(shí)用功能。推動(dòng)這一轉(zhuǎn)變的原因有兩方面：一是法規(guī)端對(duì)熱失控預(yù)警時(shí)間的要求從5分鐘延長(zhǎng)至2小時(shí)，現(xiàn)有溫度傳感器和氣體傳感器難以在單電芯層面滿足這一標(biāo)準(zhǔn)；二是快充普及和LFP電池的廣泛使用，使得傳統(tǒng)基于電壓和電流的估算方法在荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)判斷上存在明顯誤差。TI的BQ79826Z-Q1和BQ79881-Q1芯片組將EIS測(cè)量引擎集成到BMS模擬前端中，通過(guò)同步采樣和多頻激勵(lì)解決了相位精度和測(cè)量時(shí)間的問(wèn)題，配套的參考設(shè)計(jì)也降低了開(kāi)發(fā)門(mén)檻。
