在当今科技飞速发展的时代，电动汽车（EV）、储能系统（ESS）和工业机器人等大功率应用领域对电池的需求日益增长，这也持续推动着电池管理监测和控制领域的创新。下一代电池管理系统（BMS）肩负着延长电池寿命、确保超高可靠性以及为用户和乘客提供超高安全性的重任。然而，电池故障召回、电芯过度使用以及电池包快速失效引发的火灾和财产损失等事故，给众多电池供应商和原始设备制造商的声誉带来了负面影响。因此，行业和政府监管机构将检测方法和安全性列为下一代电池产品的关注点。
为应对这些安全和可靠性挑战，设计人员将目光投向了电化学阻抗谱（EIS）。这项技术在电池领域已有数十年的应用历史，它是一种激励电池电芯并监测电池反应的方法，能让用户深入了解电池的状况和状态。通过非侵入式电信号，设计人员可以监测电池电芯的多个关键方面，包括电池温度、电池电量（荷电状态）、电池衰减（健康状态）以及热失控检测等。以下将深入介绍电池系统设计人员面临的挑战，以及 EIS 如何助力实现更可靠、寿命更长的电池设计。
1. 简介
过去十年，EV 行业发展迅猛，在续航里程、充电速度和电池可靠性等方面取得了重大工程进展。例如，通过电芯化学成分和制造工艺的改进，电池能量密度从 100Wh/kg 提升至 300Wh/kg；先进的充电基础设施使充电时间大幅缩短，30 分钟内即可实现 80% 的充电；采用先进的高压应用特定半导体，可实现更的电池监测，从而管理 400V 和 800V 架构中串联超 200 节电芯的电池包。
尽管成就斐然，但电池系统设计人员仍面临三大挑战：
生命周期管理：高能量密度锂电芯（如磷酸铁锂 [LFP] 和镍锰钴 [NMC] 三元锂）对温度波动、过充、欠充和快速充电等极为敏感，设计人员需在监测与控制间找到平衡，以确保其可靠性和稳定性。
老化和容量衰减：目前，电芯的容量衰减难以直接测量，通常只能通过模型预测。就像智能手机的电池，随着使用时间增长，电量续航能力会逐渐下降。
安全性与热失控：在行业压力和政府法规的双重推动下，检测引发灾难性热失控的电芯应力和损坏，仍是行业亟待解决的难题。
采用新工具应对这些挑战，可使电池系统在苛刻场景下更安全、可靠。EIS 作为一项颇具潜力的技术，能让设计人员实时洞察电池状态和状况，有效观察电芯内部情况。
2. 使用 EIS 分析电池
2.1 法规推动更早检测
热失控是一种危险的链式反应，会导致电芯自发热、增压并终燃烧，且会迅速蔓延至其他电芯，引发整个电池包起火，几乎无法阻止，只能加以遏制。为此，电池行业和政府监管机构采取措施，推动更早检测热失控。2020 年，中国国标 (GB) 38031 规定，发出热失控预警后需确保至少五分钟的逃生时间；2026 年 7 月生效的 GB 38031 - 2025 修订版将这一窗口期延长至至少两小时。这给汽车制造商带来巨大压力，要求他们在单个电芯层面检测热失控，争取更多预警时间。目前，几乎没有能满足此要求的解决方案，而 EIS 有望将可测量的电芯级洞察集成到德州仪器（TI）的下一代 BMS 器件中。
图 2 - 1. 充电和放电期间的电池锂离子流动
2.2 什么是 EIS
谱分析是一种在多个系统中广泛应用的技术，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，生物谱分析中，智能秤通过向人体发送不同频率的电流信号来测量身体成分。EIS 的电化学部分将该原理应用于电池，利用电信号测量电池的化学反应。通过跟踪锂在电芯中的位置、确定负极或正极的完整性等，可以深入了解电池的化学特性。谱分析的目标是以非侵入方式洞察电芯内部的频率相关行为。
2.3 电池 EIS 如何工作
TI 的 BQ79826Z - Q1 电池监测器和 BQ79881 - Q1 电池接线盒与电池包监测器可对电池电芯、模组或电池包施加电流激励，并测量响应电压。通过比较不同频率下的幅值差（阻抗幅值）和时间差（阻抗相位），并监测其随时间、温度、电量或其他电池参数的变化，可深入了解电芯内部的情况。
图 2 - 2 利用电流和电压进行 EIS 测量
2.4 如何使用阻抗数据
BMS 启用阻抗测量功能后，确定与阻抗相关的电池参数是关键。奈奎斯特图是一种直观展示阻抗随频率变化的常用方法，其 x 轴显示阻抗实部，y 轴显示阻抗虚部。每条线包含 0.1Hz 至 1kHz 的频率扫描，右侧为频率，左侧为频率，线条颜色表示扫描期间电池的温度。阻抗曲线的形状和特定频率下的阻抗位置会随温度变化，设计人员可利用这些基于 EIS 的温度数据识别电池内核温度、监测充电期间的温度峰值，并减少系统所需的温度传感器数量。
图 2 - 3 温度与阻抗奈奎斯特图
2.5 EIS 还能提供哪些洞察
除了温度测量，EIS 还能深入了解电池的特定组件，如负极、正极、锂扩散、固态电解质界面 (SEI) 层完整性等。通过拆解奈奎斯特图，这些参数变得更加清晰直观。例如，奈奎斯特图中的不同区域分别对应不同的电池特性：
欧姆电阻（绿色方框，水平线）：该区域显示电解液的直流电阻，可指示电池是否存在短路，短路可能由制造缺陷、组装错误或外部损坏导致。
电荷传送区域（黄色方框，半圆）：表示电极电解质界面的健康状态，其中 SEI 层的老化可作为电芯失效的预测指标。
扩散区域（红色方框，45 度线）：与负极和正极中的锂扩散过程相关，有助于评估荷电状态、健康状态和电芯的充放电能力。
通过将电池电芯的物理建模与车载 EIS 测量相结合，BMS 可以实时评估电池的健康状态、老化程度和可能的损坏。
3. EIS 的影响：三种应用场景
3.1 热失控检测
热失控是电芯和电池包的严重故障，会危及人员安全并造成重大损失。传统的 BMS 依赖反应迟缓的温度传感器，往往在多个电芯进入热失控状态后才发出检测信号；目前市场上的大多数 BMS 增加了昂贵的压力和气体传感器，但这些传感器可能仅在起火前几分钟检测到电芯排气。而 EIS 可以检测每个电芯的内核温度和阻抗变化，基于电阻抗测量监测内核温度，在早期阶段标记热失控，还能检测电池中的异常现象，如枝晶生长导致的内部短路，为满足 GB 38031 - 2025 要求的两小时预警窗口提供支持。
3.2 更快的充电速度
消费者对 EV 快速充电的需求日益增长，但频繁快速充电会加速电池老化，缩短电池包寿命，并可能导致锂沉积等不可逆问题。温度、电量水平和 SEI 层老化等因素都会影响锂沉积的发生。EIS 通过以下两种方式帮助设计人员管理快速充电：
温度监测：在快速充电期间，将环境和内核电池温度控制在可接受范围内。
扩散监测：实时了解扩散区域（奈奎斯特图尾部）的情况，若阻抗过高，则降低充电电流。TI BQ79826Z - Q1 中的 EIS 引擎具有超低频率检测功能，可通过同时激励多个阻抗频率缩短测量时间。
3.3 电量与可用性
电池荷电状态和健康状态是电池系统的重要参数。EIS 并非取代传统的直流电压测量，而是通过以下方式增强决策所需数据的可用性，并改进现有系统：
提高直流电压精度：LFP 电芯在 30% 至 90% 荷电状态时电压曲线平坦，传统开路电压测量不准确，EIS 可将坏情况下的误差降至 2% 以下，提高可用电量。
检测电池闲置时的健康状态：许多 ESS 系统长时间闲置，仅靠直流电压无法测量锂扩散或阻抗，EIS 可让系统设计人员定期检查电池健康状态，确保系统随时供电。
4. 测量 EIS
4.1 EIS 系统架构
支持 EIS 的 BMS 基于传统架构，包括多个用于电压检测的堆叠式电池监测器和用于电流检测的电池包监测器，还增加了两个组件：
电流激励源：可生成正弦波、方波或其他形状的波形以激励电芯。
同步电压和电流采样：使电流和电压测量器件之间的振荡器保持同步，减少阻抗相位误差。
典型的电池包配置包括两个 BQ79826Z - Q1 电芯电压监测器和一个 BQ79881 - Q1 电池包电流监测器，BQ798xx 监测器集成了同步协议，可使电流和电压测量紧密对齐，激励源可由 BQ798xx 器件控制或由终端设备中的现有源生成。
4.2 EIS 测量的参数
优化 EIS 系统需注意三个电气设计参数：
电芯阻抗：电池在整个工作寿命内有一定的阻抗范围，设计人员可在奈奎斯特图中采集，阻抗决定了激励电芯所需的电流量。
激励电流幅值：电流幅值影响电池线性度要求和 ADC 的理想测量范围，目标是将其保持在较低水平以限制功耗。
ADC 噪声：由于电压和电流信号可能处于微伏级，低 ADC 输入基准噪声对于实现高信噪比至关重要，选择低噪声 ADC 可提高 SNR 并降低所需激励电流。
4.3 TI 的 EIS 芯片组
借助 BQ79826Z - Q1 和 BQ79881 - Q1 电池监测器，设计人员可使用 TI 的集成式 EIS 引擎测量每个电芯的阻抗。通过采集所有 EIS 频段（低至 0.01Hz）的阻抗，可检测与温度、荷电状态和热失控相关的细微阻抗变化。BQ798xx 芯片组构成完整的 BMS，可提供用于大电芯数配置的可堆叠 26 通道电池监测器和高精度电池包监测器，满足电池容量增长的严苛要求，支持测量极小阻抗，其极低噪声 ADC 可提高 SNR，宽频率范围可覆盖重要阻抗区域，堆栈同步可减小相位误差。
4.4 参考设计
为方便使用 BQ79826Z - Q1 和 BQ79881 - Q1 快速评估 EIS，TI 提供了包含硬件、软件和系统级支持的参考设计。设计人员可将标准评估模块直接连接到电池、模组或电池包进行 EIS 评估，TI 还提供用于 EIS 性能测试、算法开发的数据收集和车载集成的软件解决方案，多种参考设计可帮助缩短 BMS 和 EIS 系统的规划、测试和开发时间。此外，TI 可应要求提供适用于 ESS 系统的电池包或电池簇参考设计、效率大于 99% 的堆叠式有源桥以及基于双有源桥拓扑的有源电池包均衡激励源等。
