EasyEIS：源测量单元执行电化学阻抗谱的软件工具

软件X 18（2022）101075原始软件出版物EasyEIS：使用源测量单元执行电化学阻抗谱的软件工具Emanuele BuchicchioEugene，Alessio De Angelis，Francesco Santoni，Paolo Carbone佩鲁贾大学工程系，Via G.Duranti，93 06125 Perugia，Italyar t i cl e i nf o文章历史记录：2022年1月1日收到收到修订版，2022年3月14日接受，2022年保留字：电化学阻抗谱电池充电状态SoCSMUa b st ra ct电化学阻抗谱（EIS）是通过充电状态和健康状态估计来监测可充电电池的强大工具。在实际应用中，EIS可以使用嵌入在最终产品中的ad-hoc电子设备来执行。这些定制阻抗测量系统的准确性必须根据实验室仪器进行验证。 本文介绍了软件工具EasyEIS，我们开发的标准商业源测量单元上的锂离子电池，以验证自定义阻抗测量系统的结果进行EIS。EasyEIS还包括一个基于软件的正弦波形发生器功能，该功能允许在不提供任何硬件正弦函数生成功能的仪器中实现经济高效的EIS。版权所有©2022作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00010Code Ocean compute capsuleGPL许可证使用git的代码版本控制系统使用的软件代码语言、工具和服务测试脚本处理器（Lua脚本，带有Tektronix的扩展），Matlab/GNU Ocatave脚本，测试脚本生成器IDE，Matlab，GNU Octave编译要求、操作环境依赖性SMU仪器必须支持测试脚本处理器编程如果可用，链接到开发人员文档/手册https://electrical-and-electronic-measurement.github.io/EasyEIS-with-SMU/问题支持电子邮件emanuele. studenti.unipg.it1. 动机和意义智能电池管理系统依靠阻抗测量来安全有效地运行可充电电池[1]。在这种情况下，电化学阻抗谱（EIS）是一种强大的工具，用于通过汽车，储能和电子行业的充电状态（SoC）和健康状态（SoH）估计[ 2 ]来监测可充电电池为了安全运行，电池管理系统必须能够估计SoC、SoH并检测故障[3]。在[4]中，*通讯作者。电子邮件地址：emanuele. studenti.unipg.it（EmanueleBuchicchio），alessio. unipg.it（Alessio De Angelis），francesco.unipg.it（Francesco Santoni），paolo. unipg.it（Paolo Carbone）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101075重点介绍了阻抗测量在电池监测和由于重要性为了实现电池监控解决方案，电池供电系统可以包括ad-hoc嵌入式阻抗测量系统。EIS数据的分析可以通过各种方法进行。在这些方法中，最广泛使用的是基于将电池建模为等效电路，从而提供了描述电化学现象的有效方法[5]。等效电路的参数通常使用非线性最小二乘拟合从频域EIS测量结果中估计[6]。另一种方法涉及通过将EIS测量数据从频域转换到时域来计算弛豫时间的分布函数[7]。2352-7110/©2022作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxEmanuele Buchicchio，Alessio De Angelis，Francesco Santoni等软件X 18（2022）1010752Fig. 1. 软件使用工作流程。所提出的软件允许使用标准源测量单元（SMU）仪器执行EIS和验证低成本定制阻抗测量系统，并且不需要专用的EIS分析仪仪器。因此，它允许研究实验室容易地验证阻抗测量原型类型和分析方法，从而潜在地实现该领域的技术进步。2. 软件描述本文提出的软件实现了步进正弦（也称为单正弦）的EIS方法使用标准的商业SMU仪器。软件工具的基本工作流程如图所示。1.一、在使用该软件包执行EIS分析之前，必须编辑测量脚本的“实验参数”部分中的可配置参数。可配置参数包括电流信号幅度、仪器电流和电压范围、源信号频率列表、频谱分析的采样间隔、导出结果文件的名称。然后，必须使用四根导线连接被测设备（DUT），并且必须根据仪器手册在鳄鱼上执行测量脚本程序。测量应在四线配置中进行，以提供最佳的测量精度。根据特定的设备功能和设置，脚本必须在本地加载或从远程控制PC运行。测量脚本配置并操作SMU仪器，以在不同频率下施加一系列正弦电流信号，同时测量被测器件两端的电压响应。 然后，脚本将测量导出到外部存储中的CSV文件。输出的电压和电流数据然后使用后处理脚本进行处理，以计算阻抗值和阻抗谱。测量脚本按照单正弦方法一次应用一个正弦信号，更好地适应SMU仪器硬件电流源的能力。我们使用Keithley的测试脚本处理器（TSP）语言开发了测量脚本。TSP语言是“可编程仪器标准命令”（SCPI）和其他传统仪器编程语言的替代品。脚本引擎是一个Lua脚本解释器，扩展了仪器控制指令。我们在Keithley 2450 SMU上测试了代码，但TSP脚本应该与任何其他启用TSP的仪器兼容。测量脚本也可以用其他语言实现，如不同仪器制造商支持的SCPI。2.1. 软件构架该软件包包括两个组件：1. 用于电压和电流测量的测量脚本2. 用于频谱计算和图形表示测量脚本（Fig. 2）针对实验参数中定义的频率列表中的每个元素，生成CSV文件，其中包含DUT两端的测量电流和电压值。后处理脚本聚合并处理CSV文件中的数据以计算EIS，如图所示。3.第三章。2.2. 软件功能测量脚本生成一组CSV文件，其中包含要使用后处理脚本处理的测量结果测量脚本自动执行实验参数中定义的频率列表中每个元素的以下操作：1. 根据指定的实验参数配置仪器2. 产生具有所述特定频率的离散时间正弦电流源信号的值;3. 定义具有当前设定点值和其它所需源和测量设置的配置列表4. 在源配置列表上执行源扫描，并且对于每个配置，回读源电流，测量DUT两端的电压，并且将这些值存储在仪器存储器缓冲器中;5. 导出记录的时间戳，当前值，和电压值从内存缓冲区到外部USB存储在CSV格式。我们用于执行实验的SMU（Keithley 2450 SourceMeter）不提供任何正弦函数生成功能，但可以对电流源进行编程，以扫描电流值列表。因此，该脚本包括一个简单的基于软件的离散时间正弦波发生器函数。如果采样间隔（两个连续样本之间的时间间隔）远小于正弦曲线的周期，并且仪器内部电流源截止频率远大于正弦曲线频率，则所得电流信号为正弦曲线波形测量脚本为频率列表中的每个元素生成一个文件。然后必须使用后处理脚本处理这些文件以计算阻抗谱。后处理脚本执行以下操作：1. 加载每个文件并解析时间戳、电压和电流值;2. 消除初始瞬态;3. 标准化时基;4. 从电压和电流信号中去除DC分量;5. 通过快速傅立叶变换（FFT）算法计算离散傅立叶变换6. 绘制阻抗谱（振幅和相位）。后 处 理 脚 本 不 依 赖 于 Matlab 我 们 在 Matlab R2021 和 GNUOctave 6上测试了该脚本。3. 说明性实例在 [9] 和 [10] 中 ， 我 们 使 用 Keithley 2450 SMU 仪 器 运 行 的EasyEIS软件来验证定制阻抗测量系统的原型，以将定制系统的结果与使用SMU获得的结果进行Easy EIS允许通过使用实验室中已有的SMU对原型进行早期验证首先，通过测量电阻器Emanuele Buchicchio，Alessio De Angelis，Francesco Santoni等软件X 18（2022）1010753−图二. 电流和电压数据采集图三. 阻抗谱计算。见图4。申报系统与市售SMU仪器之间的阻抗波特图比较。实验设置：源信号幅度50 mA，频率（Hz）：[0.05，0.1，0.2，0.4，1，2，4，10，20，40]，持续时间：100 s，初始电池SoC：100%温度：21 ℃ ± 2 ℃。标称值1▲。测量是在一组10个频率，频率间隔从50兆赫到40赫兹。测量结果显示平坦的频率响应，震级范围为1.0176▲ 至1.0188▲，相位在0.05至0.02度之间。成功进行初步测试后，我们可以验证所建议软件的正确功能，EasyEIS和SMU用于测量电池的阻抗。在补偿由原型引入的已知延迟之后，将该测量的结果与由[9，10比较结果如图4所示，图4显示了两条实验曲线之间的良好一致性。最终的阻抗测量系统然后使用更广泛的扩展频率范围和专用仪器进行进一步验证。图4中的EIS是使用任意选择的测量脚本参数生成的。在用户可以选择实验持续时间、仪器测量范围、电流源信号幅度、列表应用的频率，以及后续测量之间的间隔。所得EIS的频域分辨率取决于采样频率和可用样本的数量。当仪器测量速度限制采样频率时，用户可以增加样本数量，将信号持续时间参数设置为仪器频谱分析的主要限制是SMU允许的采样频率。使用仪器进行的两次连续测量之间的时间间隔为Emanuele Buchicchio，Alessio De Angelis，Francesco Santoni等软件X 18（2022）1010754=四个元素之和：触发延迟、显式源延迟或隐式源自动延迟、测量时间和扫描延迟。用户可配置的参数可以影响触发延迟之外的所有延迟[11]：我们将源和扫描延迟都设置为0。但是，电流源将需要一些时间才能移动到下一个设定点，因此测量输入信号的时间量由电源线周期数（NPLC）参数控制：较低的NPLC设置会导致更快的读取速率，但会增加噪声。在Keithley 2450 SMU上以最小允许值（NPLC 0.01）和100 mA峰峰值电流范围运行实验这导致采样间隔低于5 ms时的显著非理想采样过程。参考文献[9]显示了该方法在高达40 Hz时的适用性。4. 影响EIS是一种广泛使用的方法，用于在许多相关应用领域中表征材料和系统，例如当分析生物组织时，监测材料的腐蚀，以及用于电化学系统表征。我们重点关注EIS在估计电池充电状态（SoC）、健康状态（SoH）和剩余使用寿命（RUL）方面的应用[2]。这些数量对于管理电池供电系统的可靠性、安全性和整体效率至关重要虽然研究人员可以使用专用仪器，但可以使用嵌入最终部署产品中的ad-hoc阻抗测量系统来评估EIS。这些定制的EIS测量系统的准确性必须根据标准实验室仪器进行验证具有EIS能力的专用仪器是昂贵的，并且在工业测试实验室中并不总是可用的，而SMU更常见。所提出的方法和代码允许使用SMU仪器验证定制EIS测量系统的结果，例如[6，9]。因此，EasyEIS软件工具可以简化学术和行业研究小组开始在这一领域工作的过程，扩大电池监测领域的技术知识基础。我们使用本文中描述的软件和方法来验证定制的在线阻抗测量系统原型。这些灵活和低成本的原型是基于通用数据采集板（DAQ），一个自定义如何土地电流泵电路实现使用功率运算放大器，放大器的任意电流信号生成，和仪表放大器读出的目的。初步结果发表在[9]中。另一篇提供进一步结果的论文被接受出版[10]。5. 结论介绍了EasyEIS软件工具。 该工具用于在锂离子电池上执行EIS，通用SMU仪器。建议的工具已被证明是足够的执行低成本的定制阻抗测量系统的验证，开发用于研究目的，使用标准SMU仪器已经在许多实验室。虽然SMU的性能限制了频谱分析的最大频率，但我们能够使用Keithley 2450 SMU使用所提出的软件工具获得高达40 Hz的良好结果。不同的DUT、源信号形状和仪器组合可以允许更高频率的分析。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢这项工作得到了意大利佩鲁贾大学“Ricerca di Base 2019 and2020”的资助引用[1] 作者声明：John M.锂离子电池故障诊断算法综述：当前进展和未来挑战。13.第13章. http://dx.doi.org/10.3390/a13030062网站。[2] Guha A，Patra A.锂离子电池电化学阻抗谱及剩余使用寿命的在线估计。67.第67章. 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