从EMC角度看电池阻抗谱

任何形式的EMC问题都涉及电磁能量的发射、传输、接受，即电磁干扰三要素：干扰源、耦合路径、敏感体。

干扰源（或辐射体）产生干扰、辐射，传输（耦合）路径将辐射能量传递到接收机。如果接受到的能量引发接收机偏离预设的工作方式，则产生所谓的干扰。

通常干扰耦合路径分为传导耦合、辐射耦合。传导耦合通过电气元件直接的电气连接耦合传输，产生干扰，耦合能量最大。辐射耦合时干扰能量以电磁波形式按电磁场规律向四周发射，被敏感体接受后产生干扰。传导干扰和辐射干扰区分界限不明显，除频率很低的干扰信号之外，大多数干扰信号都可以通过传导、辐射混合传播。

电机控制器开关管MOSFET高压端对地存在寄生电容，在开关管开通/关断过程中寄生电容被反复充放电，产生的漏电流通过寄生电容流向接地，经过动力电池形成回路。同样电机和连接电缆也存在对地的寄生电流，同样经动力电池形成回路，产生共模干扰电流。一部分干扰电流不经接地在正负电源线之间形成回路构成差模干扰电流。

 DC/DC主电路和控制电路通常集成在一起，封装在一个金属壳内，壳体接地。主电路IGBT的金属散热器与金属壳体以导热胶相连，可能产生寄生电容效应，为干扰噪音提供通路。干扰电流流经接地，作用在动力电池，与动力电池形成耦合回路。

动力电池作为高压电源同时连接DC/DC和电机控制器两大干扰源，从EMC角度看，电池是作为耦合路径起作用的。研究动力电池的EMC特性就是以耦合路径的频率阻抗特性为主要出发点，不同频段阻抗特性不同，干扰情况也不同。阻抗大则干扰不容易耦合过来，阻抗小则容易耦合干扰。从EMC优化角度看，研究动力电池全频段阻抗特性，是分频段阻止干扰耦合、优化高压系统EMC的主要部分。

电化学阻抗谱（ElectrochemicalImpedance Spectroscopy，EIS）可用于分析电池在某一平衡电势下，电池交流阻抗随频率的关系。

当频率较低时（<1Hz），电池阻抗特性主要受电池内部离子扩散转移的影响。三种情况下离子转移影响下的电池阻抗Nyquist图如下所示。

（a）为半无限扩散，电池扩散阻抗在其频域内呈现常相位角特征，表现为与实轴成45°的直线，这也叫做Warburg’阻抗。

（b）为有限扩散阻抗，在频率较高时，由于扩散层还没有影响到离子扩撒，阻抗特性比较接近Warburg阻抗

（c）为扩散层电解质不足情况，在频率较高时扩散阻抗比较接近Warburg阻抗，当频率较低时，由于电解质不足而使扩散阻抗更偏向容性，低频时的等效电路是电阻/电容串联。

研究电池EMC时，通常关注高频段，电池扩散阻抗更接近于Warburg阻抗。扩散效应影响的频段较低，通常可用电阻电容串联模型表示。

极化效应发生在电池电极表面，充放电电流大小影响到电池极化效应强弱，两者关系可以用电化学里面著名的Butler-Volmer方程描述。极化效应影响下的电池等效电路阻抗的Nyquist图如下所示。

串联电阻R0用来等效电解液和电极活性材料的阻抗；Rct等效充放电过程中电荷转移阻抗。电流流经电极/溶液界面时，一部分电流存储在极化效应引起的等效电容Cdl中，另一份参加电化学反应。等效电容储能有限，仅在充放电开始阶段有脉冲，随后电流流经Rct参与电化学反应。电流截止和减小时，Cdl中的电荷重新放出流经Rct参与电化学反应。Rct和Cdl并联电路组成一个第通道滤波器，只有低频交流信号才通过电池电解液参与电化学反应，而高频信号则通过Cdl缓冲。Rct和Cdl并联电路的低通截止频率在1Hz-1kHz。

当电流以较高频率在导体中传导时，电子将会聚集到导体便面，而不是均匀分布，这种现象称作集肤效应（或趋肤效应）。同理，随着频率升高，离子在多孔电极中的渗透逐渐减小，越来越趋于电极表面，这时多孔电极类似于平板电极。随着频率升高，集肤深度减小，导体可用截面积降低，电阻增大。大容量锂离子电池集肤效应影响的起始频率在100Hz以上。从EMC角度看，其关注的频率主要集中在中、高频段。而动力电池作为整车电磁干扰耦合的重要节点，其高频特性直接影响整车的EMC。高频电流作用下的等效电路如下所示。R0是电解液、活性物质、隔膜等的总电阻；L为包含电极自身电感、两电极电感等的总电感；Cp为集肤效应下等效电容；R为动态电极电阻。

        下图是整个频域的Nyquist图，包含了扩散效应、极化效应、集肤效应三种效应的频域。

在传导干扰主要研究的频段（150kHz-30MHz），影响电池阻抗特性的主要是集肤效应，由于频率很高，电荷来不及聚集，因此极化效应减弱，因此可以将集肤效应的Cp忽略，简化电路，如下所示。E为电动势，Rac(f)是电极在集肤效应影响下的集肤阻抗。

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从EMC角度来解析EIS，有些内容类似于电池/电化学的解读，更多的是一些新的认识，通过阻抗将电池的一些特征参数跟EMC联系了起来，阻抗随着电池的SOH、SOC不同而不同。因此，借助于EIS、结合其他一些手段，为研究 动力电池在不同SOH、SOC条件下的EMC提供了一种可能性。