【導(dǎo)讀】電池在電動汽車、儲能系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人等大功率場景中的廣泛應(yīng)用，對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)計面臨的幾個實際問題。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芯片中并支持車載實時監(jiān)測，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，使得在每個電芯層面進(jìn)行阻抗測量成為可能。本文將圍繞EIS的技術(shù)原理、檢測能力、應(yīng)用場景以及芯片級實現(xiàn)展開討論。
1. 簡介
過去十年間，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)解決了這些問題，包括：
通過電芯化學(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)施可實現(xiàn)更快的充電速度，將充電時間從八小時或更長時間縮短至 30 分鐘以內(nèi)即可實現(xiàn) 80% 的充電。
采用先進(jìn)的高壓應(yīng)用特定半導(dǎo)體實現(xiàn)更精確的電池監(jiān)測，從而能夠管理在 400V 和 800V 架構(gòu)中串聯(lián)超過 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)計人員仍面臨三大核心挑戰(zhàn)：
生命周期管理：設(shè)計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。這些電芯對溫度波動、過充、欠充和快速充電等高充電速率極為敏感，需要在監(jiān)測與控制之間取得微妙的均衡，以確?？煽啃院头€(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）通常只能通過模型預(yù)測，而無法直接測量，這使預(yù)測變得十分困難。消費(fèi)者在使用新型智能手機(jī)時也有類似的體驗：充滿電的電池一開始可以續(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)的共同推動下，檢測觸發(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)。
采用新工具來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，使電池系統(tǒng)在苛刻的應(yīng)用場景中變得更安全、更可靠。EIS 是其中一項頗具前景的技術(shù)，它使設(shè)計人員能夠?qū)崟r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)推動更早的檢測
熱失控是指電芯開始自發(fā)熱、增壓并最終發(fā)生燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。它會快速蔓延到其他電芯，并導(dǎo)致整個電池包起火。該事件幾乎無法阻止，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)正在采取措施來實現(xiàn)更早的檢測，從而為駕駛員提供更長的預(yù)警時間。 2020 年，中國國標(biāo) (GB) 38031 國家標(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)一步延長到至少兩小時：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間。
這些標(biāo)準(zhǔn)給汽車制造商帶來了極大的壓力，要求他們在單個電芯層面檢測熱失控，并爭取每一分鐘可能的預(yù)警時間。遺憾的是，目前幾乎沒有解決方案能夠確信滿足這一要求。EIS 提供了一種方法，將可測量的電芯級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)，通過在整個頻率范圍內(nèi)激勵并測量響應(yīng)來檢測系統(tǒng)特性。例如，在生物譜分析中，智能秤通過向人體發(fā)送各種頻率的電流信號來測量肌肉、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。電信號用于測量電池的化學(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損等測量，都是非常有用的待監(jiān)測化學(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
2.3 電池 EIS 如何工作？
TI 的 BQ79826Z-Q1 電池監(jiān)測器和 BQ79881-Q1 電池接線盒與電池包監(jiān)測器對電池電芯、模組或電池包施加電流激勵，并測量響應(yīng)電壓。圖 2-2 顯示電池內(nèi)部的電流和電壓。通過比較不同頻率下的幅值差（阻抗幅值）和時間差（阻抗相位），并監(jiān)測隨時間、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 測量
2.4 如何使用阻抗數(shù)據(jù)
BMS 使能阻抗測量功能后，確定與阻抗相關(guān)的電池參數(shù)成為重點。
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，阻抗曲線的形狀會隨溫度而變化。此外，表示 500Hz 時單個阻抗的黑色圓圈會隨著溫度的變化而移動。設(shè)計人員可以使用這種基于 EIS 的溫度數(shù)據(jù)來識別電池的內(nèi)核溫度，監(jiān)測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？
除了簡單的溫度測量之外，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、組裝錯誤或者車輛碰撞或暴風(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)散過程相關(guān)，有助于評估荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)以及電芯隨時充電或放電的能力。
通過將電池電芯的物理建模與車載 EIS 測量相結(jié)合，BMS 可以實時評估電池的健康狀態(tài)、老化程度和可能的損壞。
3. EIS 的影響：三種應(yīng)用場景
讓我們根據(jù)數(shù)據(jù)和市場要求，來看看 EIS 的三種應(yīng)用場景。
3.1 熱失控檢測
熱失控是電芯和電池包的災(zāi)難性故障，會導(dǎo)致人員處于危險狀況，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電芯已經(jīng)進(jìn)入熱失控狀態(tài)后才提供檢測。目前市場上的大多數(shù) BMS 設(shè)計都增加了昂貴的壓力和氣體傳感器，用于檢測電芯的排氣，這種現(xiàn)象可能僅在起火前幾分鐘發(fā)生。這兩種方法在單個電芯層面都存在缺陷。
EIS 會檢測每一個電芯的內(nèi)核溫度和阻抗變化。EIS 可以基于電阻抗測量來監(jiān)測電芯的內(nèi)核溫度，從而在早期階段 標(biāo)記熱失控，這是傳統(tǒng)溫度傳感器無法做到的。
此外，EIS 還可以檢測電池中的異常或不規(guī)則現(xiàn)象。熱失控的一個主要原因是枝晶生長，即負(fù)極上鋰離子的堆積，這會導(dǎo)致電芯內(nèi)部短路（圖 3-2）。通過監(jiān)測每個電芯的阻抗，可以監(jiān)測單個電芯隨著時間的推移逐漸形成的問題。這種電芯層級的可見性直接支持 GB 38031-2025 要求的兩小時預(yù)警窗口。
圖 3-2 導(dǎo)致熱失控的枝晶生長
3.2 更快的充電速度
由于消費(fèi)者不想花時間等待 EV 車輛充電，EV 充電這一話題掩蓋了 EV 的許多固有優(yōu)勢。為油箱加油的便利性與 EV 電池的充電過程形成了鮮明對比，促使行業(yè)致力于開發(fā)越來越快的充電能力，這也是理所當(dāng)然的。
消費(fèi)者出門在外或公路旅行時需要快速充電。商用車輛（包括卡車和公共汽車）由于需要持續(xù)運(yùn)行，因此必然依賴快速充電。
遺憾的是，頻繁的快速充電會加速電池老化，使電池包的壽命縮短 10% 至 20%。大電流充電會給電池組件帶來壓力，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 層的老化都會影響沉積現(xiàn)象的開始時間。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 通過以下兩種方式幫助設(shè)計人員管理快速充電：
溫度監(jiān)測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)。低溫會限制擴(kuò)散，而快速充電又會升高電池溫度，因此持續(xù)監(jiān)測非常重要。
擴(kuò)散監(jiān)測可實時洞察擴(kuò)散區(qū)域（奈奎斯特圖的尾部）。例如，如果阻抗變得過高，則必須降低充電電流。
雖然監(jiān)測鋰擴(kuò)散可提供電池老化的預(yù)警信號，但這些監(jiān)測器會讓系統(tǒng)設(shè)計人員提高充電電流。直接測量告知系統(tǒng)何時降低電流，而不依賴于需要額外內(nèi)置裕度且實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，能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)散感知，通過同時激勵多達(dá)五個阻抗 頻率來縮短測量時間（圖 3-3）。
圖 3-3 通過同時激勵多個頻率縮短測量時間
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)的直流電壓測量，而是通過以下兩種方式增強(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)的開路電壓測量不準(zhǔn)確。EIS 通過提供直接的荷電狀態(tài)測量，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。
檢測電池閑置時的健康狀態(tài)：許多 ESS 系統(tǒng)會長時間處于閑置狀態(tài)，因此很難確定電芯是否能夠在必要時提供電量。遺憾的是，僅靠直流電壓無法測量鋰擴(kuò)散或阻抗。EIS 使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠定期檢查電池的健康狀態(tài)，確保系統(tǒng)在需要時能夠隨時供電。
圖 3-4 展現(xiàn)平坦區(qū)域的 LFP 開路電壓與荷電狀態(tài)曲線
4. 測量 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)，包括用于電壓檢測的多個堆疊式電池監(jiān)測器和用于電流檢測的電池包監(jiān)測器，以及以下兩個組件（圖 4-1）：
電流激勵源可生成正弦波、方波或其他形狀的波形以激勵電芯。
同步電壓和電流采樣可使電流和電壓測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 BQ79826Z-Q1 電芯電壓監(jiān)測器和一個 BQ79881-Q1 電池包電流監(jiān)測器。BQ798xx 監(jiān)測器包含集成的同步協(xié)議，可使電流和電壓測量保持緊密對齊，從而更大限度地減少阻抗相位誤差。激勵源可以直接由 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 測量的參數(shù)
優(yōu)化 EIS 系統(tǒng)需要注意三個電氣設(shè)計參數(shù)：
電芯阻抗：電池在其整個工作壽命內(nèi)具有一定的阻抗范圍，設(shè)計人員可以在奈奎斯特圖中采集。阻抗直接決定了激勵電芯所需的電流量。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) 測量可能需要 1Ap 至 2Ap 的峰值電流。
激勵電流幅值：電流幅值會影響電池線性度要求和 ADC 的理想測量范圍。線性度可確保電池在被正弦波激勵時以正弦波作出響應(yīng)。目標(biāo)是將電流激勵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可能處于微伏級范圍，因此低 ADC 輸入基準(zhǔn)噪聲對于實現(xiàn)高信噪比 (SNR) 至關(guān)重要。選擇低噪聲 ADC 可提高 SNR 并降低所需的激勵電流。
4.3 TI 的 EIS 芯片組
借助 BQ79826Z-Q1 和 BQ79881-Q1 電池監(jiān)測器，設(shè)計人員可以使用 TI 的集成式 EIS 引擎測量每個電芯的阻 抗。通過采集所有 EIS 頻段（可低至 0.01Hz）的阻抗，可檢測與溫度、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)測器，以及用于測量電流和電池包電壓的高精度電池包監(jiān)測器。
圖 4-2 BQ798xx BMS 方框圖
這些器件滿足了電池容量不斷增長的嚴(yán)苛要求，支持使用 EIS 優(yōu)化型設(shè)計測量極小的阻抗。用于電壓和電流檢測的極低噪聲 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量之間的時間，從而減小相位誤差。
4.4 參考設(shè)計
為使用 BQ79826Z-Q1 和 BQ79881-Q1 快速評估 EIS，TI 提供了包括硬件、軟件和系統(tǒng)級支持的參考設(shè)計。設(shè)計 人員只需將標(biāo)準(zhǔn) BQ79826 和 BQ79881 評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 評估。TI 還提供用于 EIS 性能測試、算法開發(fā)的數(shù)據(jù)收集和車載集成的軟件解決方案。此外，包括 TI EV BMS 3.0 參考設(shè) 計在內(nèi)的多種參考設(shè)計，可幫助設(shè)計人員縮短 BMS 和 EIS 系統(tǒng)的規(guī)劃、測試和開發(fā)時間。
TI 可應(yīng)要求提供的其他參考設(shè)計包括：
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。
堆疊式有源橋：獲得專利的 EIS 激勵源，效率大于 99%。
有源電池包均衡：基于雙有源橋拓?fù)涞募钤矗褂矛F(xiàn)有的電池包均衡電路來激勵電芯。
結(jié)論
從技術(shù)趨勢來看，EIS正在從實驗室研究工具轉(zhuǎn)變?yōu)榱慨a(chǎn)BMS中的實用功能。推動這一轉(zhuǎn)變的原因有兩方面：一是法規(guī)端對熱失控預(yù)警時間的要求從5分鐘延長至2小時，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測量引擎集成到BMS模擬前端中，通過同步采樣和多頻激勵解決了相位精度和測量時間的問題，配套的參考設(shè)計也降低了開發(fā)門檻。
