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大電流脈沖用于電池研究

點擊次數:1284 更新時間:2020-04-08

前言

如果對于測量電池性能,尤其放電過程中電池阻抗變化感興趣,Gamry Reference™ 3000電化學工作站結合30k Booster電流放大器是不錯的選擇,它可以快速施加單次或循環大電流脈沖,進行電池循環測試。

Gamry reference 3000 / 30k booster

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

我們將30k校準測試用標準電路板作為電池,來進行測試。該電路板經過精心設計:

  • 無論是校準電路還是測試電路,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儀器使用校準電路,進行控制電流方式下的阻抗測試時,即使頻率達到300 kHz,相位差仍小于2°。

本應用報告是我們對Gamry儀器深入研究的數據結果。

實驗部分

測試在Reference 3000電化學工作站 和 Reference 30k Booster電流放大器上進行。30k校準測試用標準電路板始終與30k Booster連接。電池的連接使用標配的1米電流線和1.5米電壓傳感測試線。

絕大多數的測試都是使用電路板的校準電路。校準電路對應一個200 mΩ 的電阻,以及對電極線纜一側的一根2.5A保險絲。保險絲可以保護這個1 W的電阻,以免被過大的電流燒壞,保險絲的電阻為34 mΩ。如果電流脈沖時間足夠短,大于保險絲額定電流2.5A的快速電流脈沖,并不會使保險絲熔斷。

電路板的測試電路對應一個3 mΩ、四端子方式連接的電阻。它不需要保險絲,因為可以承受30A電流。

許多測試是在不同的控制放大器速度(CA Speed)下進行的,CA Speed越快,時間分辨率越高,但同時會犧牲控制放大器的穩定性。

絕大部分數據是用Gamry Framework™軟件來記錄的,部分測試需要使用Tektronix 2024C數字示波器。

結果與討論

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;不同顏色對應不同的控制放大器速度CA Speed(綠色:Fastest;紅色:Fast;藍色: Norm)。

示波器通過E Monitor BNC端口采集的200 mΩ電池數據:

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,對校準電路200 mΩ電池施加2A電流脈沖的電壓-時間曲線。CA Speed:Fast

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

3:通過 E Monitor 端口記錄的數據

圖4中示波器屏幕截圖顯示一個非常相似的波形。

fig4 data recorded to oscilloscope

4:示波器記錄的數據(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就能實現。大一些的電流(4 A至12 A)需要用到30k Booster。從曲線上看,信號轉換速率對波形幾乎沒有影響。

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對于8A脈沖的影響。(藍色曲線:Fast;紅色曲線:Fastest)紅色曲線波形為矩形,但上升和下降的瞬間,信號有振蕩。

fig6 data using CA speed

68 A脈沖曲線。CA Speed:Fast (藍色);Fastest (紅色)

下面圖7是4A和8A的脈沖曲線,采用CA Speed Fastest,信號轉換速率對于波形仍然沒有影響。

fig7 data using CA fastest

圖7:4A(藍色)和8A(紅色)的響應曲線對比。CA Speed :Fastest

3 mΩ電池的測試結果

連接標準電路板的測試電路,該電路對應一個3 mΩ、 4 W的電阻。30A時,功率消耗僅2.7W,因此,即使有連接錯誤或振蕩,也會比較安全。

圖8是在該電池上施加2A脈沖得到的結果,由Reference 3000即可進行。上方的系列曲線代表電壓;下方曲線代表電流。不同的曲線顏色對應不同的CA Speed(綠色:Fastest;紅色:Fast;藍色:Norm)。

fig8 data on test side

圖8:對標準電路板的測試電路施加2A脈沖。CA Speed(綠色:Fastest;紅色:Fast;藍色:Norm)

CA Speed 選擇Fastest模式時,曲線有略微的振蕩。

下面圖9是在不同CA Speed模式下,對標準電路板的測試電路施加4A脈沖得到的結果,曲線的位置分布和顏色與上圖相同。

fig9 data test side 4A

圖9:對標準電路板的測試電路施加4A脈沖得到的結果。CA Speed(綠色:Fastest;紅色:Fast;藍色: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,曲線都有輕微的振蕩。圖10是施加4A脈沖,CA Speed 選擇Fastest時的電壓波形,示波器通過E Monitor監測,同樣顯示有振蕩。

fig10 oscilloscope data

圖10:對標準電路板測試電路施加4A脈沖,示波器監測到的電壓波形。(CA Speed:Fastest)

50 µs電流脈沖

圖11是在50µs內,對標準電路板校準電路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);藍色:2A,CA Speed(Fast)

fig11 daton calibrate side

圖11:標準電路板校準電路的50µs脈沖數據。 2 A (藍色); 4 A Fast (紅色) ; 4A Fastest (綠色).

邊緣部分信號上升瞬間損失的電量,在下降階段得到了彌補。

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。紅色曲線代表電流;藍色代表電壓。

總結

Gamry Reference 3000電化學工作站結合Reference 30k Booster電流放大器,能夠在幾十微秒內,準確、可靠地生成大電流脈沖信號。信號上升時間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,測量上升時間。

對于電容性電池,恒電流儀模式更加穩定,本應用報告沒有討論這方面的影響。

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