利用电化学阻抗谱实现下一代电池监测
在 电动汽车 (EV)、 储能系统 (ESS) 和工业机器人等大功率应用中，电池的普及持续推动电池管理监测和控制领域的创新。下一代 电池管理系统 (BMS) 必须延长电池寿命、确保超高可靠性，并为用户和乘客实现超高的安全性。
电池故障召回、电芯过度使用以及导致火灾和财产损失的电池包快速失效等事故，已经损害了多家电池供应商和原始设备制造商的声誉。行业领导者和政府监管机构将检测方法和安全性作为下一代电池产品的重中之重。
为了应对这些安全和可靠性挑战，设计人员转向 电化学阻抗谱 (EIS)，这项技术在电池领域已有数十年的应用历史。EIS 是一种旨在激励电池电芯并监测电池反应的方法，可让用户深入洞察电池的状况和状态。通过该过程，设计人员可以使用非侵入式电信号来监测电池电芯的不同方面，从而提供有关电池温度、电池电量（荷电状态）、电池衰减（健康状态）、热失控检测等关键信息。
本技术文章重点介绍电池系统设计人员目前面临的一些挑战，以及 EIS 如何帮助实现更可靠且寿命更长的 电池设计 。
过去十年间，EV 行业飞速发展。这一转型需要取得重大的工程进展，以克服在续航里程、充电速度和电池可靠性方面的早期局限性。尽管怀疑论者仍将目光投向续航焦虑以及电池随时间推移可能出现的容量逐渐衰减，但诸多突破性进展已经解决了这些问题，包括：
· 通过电芯化学成分和制造工艺的进步，将电池能量密度从 100Wh/kg 提升到 300Wh/kg。
· 改进的充电基础设施可实现更快的充电速度，将充电时间从八小时或更长时间缩短至 30 分钟以内即可实现 80% 的充电。
· 采用先进的高压应用特定半导体实现更精确的电池监测，从而能够管理在 400V 和 800V 架构中串联超过 200 节电芯的电池包。
尽管取得了所有上述进步，电池系统设计人员仍面临三大核心挑战：
· 生命周期管理：设计人员必须提高高能量密度锂电芯（包括磷酸铁锂 [LFP] 和镍锰钴 [NMC] 三元锂）的可靠性和使用寿命。这些电芯对温度波动、过充、欠充和快速充电等高充电速率极为敏感，需要在监测与控制之间取得微妙的均衡，以确保可靠性和稳定性。
· 老化和容量衰减：目前，电芯的容量衰减（即随着电池老化其所能容纳的电量减少）通常只能通过模型预测，而无法直接测量，这使预测变得十分困难。消费者在使用新型智能手机时也有类似的体验：充满电的电池一开始可以续航数日，但电池容量逐渐下降，最终只有原始容量的几分之一。
· 安全性与热失控：在行业压力和政府法规的共同推动下，检测触发灾难性热失控的电芯应力和损坏，仍是该行业面临的最迫切的挑战。
采用新工具来应对这些挑战，使电池系统在苛刻的应用场景中变得更安全、更可靠。EIS 是其中一项颇具前景的技术，它使设计人员能够实时洞察电池的状态和状况，从而能够有效地观察电芯内部情况。
2.1 发生了什么变化？法规推动更早的检测
热失控是指电芯开始自发热、增压并最终发生燃烧的链式反应。它会快速蔓延到其他电芯，并导致整个电池包起火。该事件几乎无法阻止，只能进行遏制。
因此，电池行业专家和政府监管机构正在采取措施来实现更早的检测，从而为驾驶员提供更长的预警时间。 2020 年，中国国标 (GB) 38031 国家标准规定，在发出热失控预警后必须确保至少有五分钟的逃生时间。将于 2026 年 7 月生效的 GB 38031-2025 修订版将该窗口期进一步延长到至少两小时：即单节电芯进入热失控状态后，电池包外部出现明火或爆炸之前的时间。
这些标准给汽车制造商带来了极大的压力，要求他们在单个电芯层面检测热失控，并争取每一分钟可能的预警时间。遗憾的是，目前几乎没有解决方案能够确信满足这一要求。EIS 提供了一种方法，将可测量的电芯级洞察集成到德州仪器 的下一代 BMS 器件中。
2.2 什么是 EIS？
让我们先来拆解一下 EIS。谱分析是许多系统中使用的一种技术，通过在整个频率范围内激励并测量响应来检测系统特性。例如，在生物谱分析中，智能秤通过向人体发送各种频率的电流信号来测量肌肉、脂肪和水分含量，进而估算身体成分。
EIS 的电化学部分将相同的原理应用于电池。电信号用于测量电池的化学反应。跟踪锂在电芯中的位置，或者确定负极或正极是否完好无损等测量，都是非常有用的待监测化学特性（图 2-1）。谱分析的目标是以非侵入方式深入洞察电芯内部的频率相关行为。