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大電流脈沖用于電池研究

點(diǎn)擊次數(shù):1408 更新時(shí)間:2020-04-08

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。

Gamry reference 3000 / 30k booster

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。

fig2 cell voltage upper trace

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

fig3-data-recorded-e-monitor-connector.png 

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。

fig4 data recorded to oscilloscope

4:示波器記錄的數(shù)據(jù)(與圖5條件相同)。

 

Reference 3000 Booster  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。

fig5 data from range of currents

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。

fig6 data using CA speed

68 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。

fig7 data using CA fastest

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)。

fig8 data on test side

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。

fig9 data test side 4A

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。

fig10 oscilloscope data

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)

fig11 daton calibrate side

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。

fig12 30A pulse

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:

 儀器電池τ(CA Speed: Fastest)τ (CA Speed:  Fast)τ CA Speed:  Norm)
 Reference 3000 200 mΩ τ < 6 µs ringing τ ≈ 10 µs τ ≈ 29 µs
  3 mΩ τ < 6 µs ringing τ ≈ 7 µs τ ≈ 23 µs
 30k Booster 200 mΩ τ < 5 µs ringing τ ≈ 7 µs τ ≈ 17 µs
  3 mΩ τ < 2 µs ringing τ ≈ 6 µs τ ≈ 22 µs

 

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。

美國Gamry電化學(xué)關(guān)鍵詞:多通道電化學(xué)工作站,電化學(xué)工作站價(jià)格,石英晶體微天平,電化學(xué)工作站廠家,電化學(xué)工作站品牌
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