Master's Thesis

Impedance analyzer for battery measurements

Final Thesis 26.61 MB Appendix 14.77 MB

Author of thesis: Bc. Lukáš Potoček

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D.

Reviewer: Ing. Kamil Jaššo, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis focuses on Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and its implementation in a low-cost measurement system for lithium-ion battery diagnostics. The study analyzes the theoretical foundations of the method and describes the comprehensive design and realization of an impedance analyzer based on the AD5941 integrated circuit. The solution includes custom hardware design featuring an analog front-end optimized for Galvanostatic EIS (GEIS) alongside peripherals for automated battery profiling. For system control, dedicated software was developed in Python, providing real-time data visualization via Nyquist plots and asynchronous measurement processing. The functionality of the entire system was experimentally verified and validated through comparative measurements on commercial lithium cells against a reference laboratory instrument, the Biologic SP-150e. The testing results demonstrated reliability, high measurement accuracy, and the device's capability to autonomously perform complex impedance analysis.

Keywords:

batteries, lithium-ion batteries, Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS, Galvanostatic Impedance Spectroscopy, GEIS, AD5941, Python, automated measurement, impedance analysis

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s cíli a řešením závěrečné vysokoškolské práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. - Pokud se kapacita zvýší 10x, fázová chyba se Vám sníží 10x. V prezentaci však dle vzorce s arctan neodpovídá tomuto tvrzení. - Dokáže Váš přístroj změřit GEIS při 10mHz? - Kolik stojí postavit Vámi navržený přístroj? V porovnání s komerčními přístroji. - Umí Váš přístroj podržet napětí, aby se po dobu měření impedance neměnila? - V práci Vám vyšlo, že vybitá baterie má nižší vnitřní odpor, než nabitá. Dává to smysl? - V práci uvádíte u DPS, že kde není součástka je ponechaná měď, která slouží k odstínění rušení. O jaké rušení se jedná?

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Electrical Manufacturing and Management (MPC-EVM)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Ladislav Chladil, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Čudek, Ph.D. (člen)
Ing. Zdenka Rozsívalová (člen)
prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc. (předseda)
Ing. Jiří Báňa (člen)
Ing. David Trochta (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D.

Student se ve své diplomové práci zabývá návrhem a realizací přenosného impedančního analyzátoru určeného pro diagnostiku lithium-iontových akumulátorů metodou elektrochemické impedanční spektroskopie. Řešené téma je aktuální a nachází uplatnění jak v oblasti výzkumu, tak v průmyslové praxi, zejména při hodnocení stavu a degradace akumulátorů.
V práci je podrobně rozebrána potřebná teorie, která se opírá o relevantní literární zdroje. Student prokázal velmi dobrou orientaci v problematice elektrochemické impedanční spektroskopie, návrhu elektronických obvodů i zpracování naměřených dat. Za hlavní přínos práce považuji návrh a realizaci funkčního měřicího systému včetně vlastního softwarového vybavení a následného experimentálního ověření dosažených výsledků. Oceňuji zejména komplexnost řešení, kdy student musel skloubit znalosti z oblasti elektroniky, programování i měřicí techniky.
Během řešení diplomové práce student pracoval samostatně, aktivně využíval konzultace a k jejich průběhu přistupoval zodpovědně a systematicky. Na konzultace přicházel připravený, průběžně prezentoval dosažené výsledky a aktivně diskutoval možné varianty řešení vzniklých technických problémů. Pozitivně hodnotím také jeho schopnost převést teoretické poznatky do funkčního zařízení a kriticky vyhodnotit dosažené výsledky.
Práce je zpracována na velmi dobré odborné i formální úrovni. Oceňuji zejména rozsah realizovaných experimentů, kvalitu zpracování výsledků a praktickou využitelnost navrženého řešení. Předložená práce podle mého názoru splňuje požadavky kladené na diplomovou práci a svým rozsahem i kvalitou zpracování je převyšuje.

Vzhledem k výše uvedenému doporučuji práci k obhajobě a navrhuji ji hodnotit stupněm A Points proposed by supervisor: 98

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Kamil Jaššo, Ph.D.

Predložená DP Bc. Lukáša Potočeka sa zaoberá návrhom a realizáciou impedančného analyzátora pre meranie Li-ion akumulátorov. Autor navrhol funkčný merací systém vrátane hardvéru, firmvéru a používateľského rozhrania, pričom jeho funkčnosť bola experimentálne overená a porovnaná s referenčným prístrojom. Zadanie práce tak možno považovať za splnené.
Pozitívne hodnotím:
- Vysokú praktickú hodnotu práce.
- Transparentný popis problémov počas vývoja a ich riešení, čo zvyšuje odbornú hodnotu práce.
- Overenie funkčnosti zariadenia vrátane štatistického vyhodnotenia presnosti a opakovateľnosti meraní.
- Analýzu teploty komponentov počas prevádzky.
Bohužiaľ, práca má aj značné množstvo väčších nedostatkov ako napr.:
- Teoretická časť je veľmi slabo podložená odbornou literatúrou. Autor sa opiera len o 30 zdrojov, pričom významnú časť zdrojov tvoria datasheety zvolených komponentov v praktickej časti.
- Validácia voľby GEIS je málo dôsledná a podložená len jedným zdrojom (Application Note od Gamry). Ide pritom o zásadné rozhodnutie ovplyvňujúce celý návrh zariadenia.
- Návrh hardvéru (vrátane referenčného CN0510) nie je dostatočne zdôvodnený a chýba systematická analýza výberu jednotlivých komponentov.
- Nie je vždy jasne odlíšené, čo je vlastný prínos autora a čo preberá z referenčného dizajnu CN0510. Z práce nie je zrejmé, čo autorova úprava oproti referenčnému dizajnu vylepšuje.
- V práci sa nachádza značný počet obrázkov, ktoré nie sú explicitne odkazované v texte. Niekedy sú uvedené len ako ilustrácia bez väzby na text.
- Kapitola 1.2.1 obsahuje len jednu vetu bez vysvetlenia významu uvedených tvrdení.
- GUI zobrazuje deformované Nyquistove diagramy – tieto grafy by mali mať symetrický krok osi. Navyše GUI nedokáže zobraziť Bodeho diagramy.
- Nie je vôbec zdôvodnené prečo pri porovnaní s referenčným prístrojom SP-150e autor používa inú metódu (PEIS) ako na navrhnutom prístroji (GEIS). Navyše nie je zrejmé, prečo autor tieto prístroje porovnáva pri frekvenčnom rozsahu 0,24 Hz – 800 Hz, keď technická špecifikácia navrhnutého prístroja uvádza frekvenčný rozsah 250mHz – 200 kHz.
Práca obsahuje aj ďalšie menšie formálne a odborné nedostatky, ktoré však nemajú zásadný vplyv na celkové hodnotenie práce. Napriek týmto nedostatkom, má predložená DP výrazný praktický prínos a autor preukázal schopnosť realizovať komplexný merací systém, prácu preto odporúčam k obhajobe s navrhovaným hodnotením 89b/B. Topics for thesis defence:
  1. Aké výhody prináša vaše riešenie v porovnaní s referečným obvodom CN0510?
  2. Porovnávali ste navrhovaný impedančný analyzátor s referenčným prístrojom SP-150e aj v plnom frekvenčnom rozsahu, pri použití rovnakej meracej metódy a zhodných vstupných parametrov?
  3. O aké ďalšie hardvérové alebo softvérové vylepšenia by ste navrhnutý prístroj doplnil s cieľom rozšíriť jeho funkcionalitu a praktickú využiteľnosť?
Points proposed by reviewer: 89

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová