大電流脈沖用于電池研究

前言

如果對(duì)于測量電池性能，尤其放電過程中電池阻抗變化感興趣，Gamry Reference™ 3000電化學(xué)工作站結(jié)合30k Booster電流放大器是不錯(cuò)的選擇，它可以快速施加單次或循環(huán)大電流脈沖，進(jìn)行電池循環(huán)測試。

圖1： Reference™ 3000 (左) 、 Reference™ 30k Booster (右)，以及校準(zhǔn)測試用標(biāo)準(zhǔn)電路板 (綠色)。

我們將30k校準(zhǔn)測試用標(biāo)準(zhǔn)電路板作為電池，來進(jìn)行測試。該電路板經(jīng)過精心設(shè)計(jì)：

• 無論是校準(zhǔn)電路還是測試電路，都采用真正的四端子傳感方式

•  保證電流測量回路極小的電感

• 保證電流和電壓測量回路之間極小的交互電感

Gamry儀器使用校準(zhǔn)電路，進(jìn)行控制電流方式下的阻抗測試時(shí)，即使頻率達(dá)到300 kHz，相位差仍小于2°。

本應(yīng)用報(bào)告是我們對(duì)Gamry儀器深入研究的數(shù)據(jù)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)部分

測試在Reference 3000電化學(xué)工作站 和 Reference 30k Booster電流放大器上進(jìn)行。30k校準(zhǔn)測試用標(biāo)準(zhǔn)電路板始終與30k Booster連接。電池的連接使用標(biāo)配的1米電流線和1.5米電壓傳感測試線。

絕大多數(shù)的測試都是使用電路板的校準(zhǔn)電路。校準(zhǔn)電路對(duì)應(yīng)一個(gè)200 mΩ 的電阻，以及對(duì)電極線纜一側(cè)的一根2.5A保險(xiǎn)絲。保險(xiǎn)絲可以保護(hù)這個(gè)1 W的電阻，以免被過大的電流燒壞，保險(xiǎn)絲的電阻為34 mΩ。如果電流脈沖時(shí)間足夠短，大于保險(xiǎn)絲額定電流2.5A的快速電流脈沖，并不會(huì)使保險(xiǎn)絲熔斷。

電路板的測試電路對(duì)應(yīng)一個(gè)3 mΩ、四端子方式連接的電阻。它不需要保險(xiǎn)絲，因?yàn)榭梢猿惺?0A電流。

許多測試是在不同的控制放大器速度（CA Speed）下進(jìn)行的，CA Speed越快，時(shí)間分辨率越高，但同時(shí)會(huì)犧牲控制放大器的穩(wěn)定性。

絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)是用Gamry Framework™軟件來記錄的，部分測試需要使用Tektronix 2024C數(shù)字示波器。

結(jié)果與討論

使用Gamry Framework™軟件，記錄在200 mΩ電池上施加2A脈沖的結(jié)果曲線：

下面圖2是使用Reference 30k Booster及Reference 3000（3A量程）施加的2A電流脈沖，每次持續(xù)200µs。

圖2： 上方曲線代表電壓曲線，下方曲線代表電流曲線；不同顏色對(duì)應(yīng)不同的控制放大器速度CA Speed（綠色：Fastest；紅色：Fast；藍(lán)色： Norm）。

示波器通過E Monitor BNC端口采集的200 mΩ電池數(shù)據(jù)：

一根BNC線連接Reference 3000后面板的E Monitor輸出端口和示波器的輸入端口。

圖3是200 µs內(nèi)，對(duì)校準(zhǔn)電路200 mΩ電池施加2A電流脈沖的電壓-時(shí)間曲線。CA Speed：Fast

圖3：通過 E Monitor 端口記錄的數(shù)據(jù)

圖4中示波器屏幕截圖顯示一個(gè)非常相似的波形。

圖4：示波器記錄的數(shù)據(jù)（與圖5條件相同）。

Reference 3000 Booster 在 200 mΩ電池上施加一系列電流脈沖：

圖5是Gamry儀器施加的一系列電流脈沖。小的2A脈沖不需要30k Booster就能實(shí)現(xiàn)。大一些的電流（4 A至12 A)需要用到30k Booster。從曲線上看，信號(hào)轉(zhuǎn)換速率對(duì)波形幾乎沒有影響。

圖5： 一系列電流脈沖曲線。小電流2A的曲線不需使用30k Booster；4A至12A的大電流使用了30k Booster。

圖6顯示的是控制放大器速度CA Speed對(duì)于8A脈沖的影響。（藍(lán)色曲線：Fast；紅色曲線：Fastest）紅色曲線波形為矩形，但上升和下降的瞬間，信號(hào)有振蕩。

圖6：8 A脈沖曲線。CA Speed：Fast (藍(lán)色)；Fastest (紅色)

下面圖7是4A和8A的脈沖曲線，采用CA Speed Fastest，信號(hào)轉(zhuǎn)換速率對(duì)于波形仍然沒有影響。

圖7：4A（藍(lán)色）和8A（紅色）的響應(yīng)曲線對(duì)比。CA Speed ：Fastest

3 mΩ電池的測試結(jié)果

連接標(biāo)準(zhǔn)電路板的測試電路，該電路對(duì)應(yīng)一個(gè)3 mΩ、 4 W的電阻。30A時(shí)，功率消耗僅2.7W，因此，即使有連接錯(cuò)誤或振蕩，也會(huì)比較安全。

圖8是在該電池上施加2A脈沖得到的結(jié)果，由Reference 3000即可進(jìn)行。上方的系列曲線代表電壓；下方曲線代表電流。不同的曲線顏色對(duì)應(yīng)不同的CA Speed（綠色：Fastest；紅色：Fast；藍(lán)色：Norm）。

圖8：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電路板的測試電路施加2A脈沖。CA Speed（綠色：Fastest；紅色：Fast；藍(lán)色：Norm）

CA Speed 選擇Fastest模式時(shí)，曲線有略微的振蕩。

下面圖9是在不同CA Speed模式下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電路板的測試電路施加4A脈沖得到的結(jié)果，曲線的位置分布和顏色與上圖相同。

圖9：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電路板的測試電路施加4A脈沖得到的結(jié)果。CA Speed（綠色：Fastest；紅色：Fast；藍(lán)色：Norm）。上方曲線：電壓；下方曲線：電流

圖9中，CA Speed選擇Fastest 和 Fast 模式時(shí)，曲線都有輕微的振蕩。圖10是施加4A脈沖，CA Speed 選擇Fastest時(shí)的電壓波形，示波器通過E Monitor監(jiān)測，同樣顯示有振蕩。

圖10：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電路板測試電路施加4A脈沖，示波器監(jiān)測到的電壓波形。（CA Speed：Fastest）

50 µs電流脈沖

圖11是在50µs內(nèi)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電路板校準(zhǔn)電路200 mΩ電阻施加2 A 和4 A電流脈沖得到的曲線。綠色：4A，CA Speed（Fastest）；紅色：4A，CA Speed（Fast）；藍(lán)色：2A，CA Speed（Fast）

圖11：標(biāo)準(zhǔn)電路板校準(zhǔn)電路的50µs脈沖數(shù)據(jù)。 2 A (藍(lán)色)； 4 A Fast (紅色) ； 4A Fastest (綠色).

邊緣部分信號(hào)上升瞬間損失的電量，在下降階段得到了彌補(bǔ)。

30A脈沖

Gamry儀器甚至可以施加30A電流脈沖，施加在5mΩ的低電阻上，如圖12所示。

圖12：使用Reference 3000 以及 30k Booster，生成的30A電流脈沖信號(hào)。紅色曲線代表電流；藍(lán)色代表電壓。

總結(jié)

Gamry Reference 3000電化學(xué)工作站結(jié)合Reference 30k Booster電流放大器，能夠在幾十微秒內(nèi)，準(zhǔn)確、可靠地生成大電流脈沖信號(hào)。信號(hào)上升時(shí)間τ如下表所示：

連接待測電池，測量上升時(shí)間。

對(duì)于電容性電池，恒電流儀模式更加穩(wěn)定，本應(yīng)用報(bào)告沒有討論這方面的影響。