大電流脈衝用於電池研究

大電流脈衝用於電池研究

前言

如果對於測量電池性能，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迴圈大電流脈衝，進行電池迴圈測試。

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

我們將30k校正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：

•        無論是校正電路還是測試電路，都採用真正的四極式量測方式
•          保證電流測量迴路極小的電感
•       保證電流和電壓測量迴路之間極小的交互電感

Gamry儀器使用校正電路，進行控制電流方式下的阻抗測試時，即使頻率達到300 kHz，相位差仍小於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電化學工作站和電流放大器上進行。 30k校正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1M電流線和1.5M電壓感測測試線。

絕大多數的測試都是使用電路板的校正電路。校正電路對應一個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。如果電流脈衝時間足夠短，大於保險絲額定電流2.5A的快速電流脈衝，並不會使保險絲熔斷。

電路板的測試電路對應一個3 mΩ、四極式方式連接的電阻。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，時間解析度越高，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™軟體來記錄的，部分測試需要使用Tektronix 2024C數位示波器。

結果與討論

使用Gamry Framework™軟體，記錄在200 mΩ電池上施加2A脈衝的結果曲線：

下面圖2是使用Reference 30k Booster及Reference 3000（3A量程）施加的2A電流脈衝，每次持續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埠採集的200 mΩ電池數據：

一根BNC線連接Reference 3000後面板的E Monitor輸出埠和示波器的輸入埠。

圖3是200 μs內，對校正電路200 mΩ電池施加2A電流脈衝的電壓-時間曲線。 CA Speed：Fast

圖3：通過 E Monitor 埠記錄的數據

圖4中示波器螢幕截圖顯示一個非常相似的波形。

圖4：示波器記錄的數據（與圖5條件相同）。

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

圖5是Gamry儀器施加的一系列電流脈衝。小的2A脈衝不需要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。

圖5： 一系列電流脈衝曲線。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對於8A脈衝的影響。（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，信號有振盪。

圖6：8 A脈衝曲線。 CA Speed：Fast （藍色）; Fastest （紅色）

下面圖7是4A和8A的脈衝曲線，採用CA Speed Fastest，信號轉換速率對於波形仍然沒有影響。

圖7：4A（藍色）和8A（紅色）的回應曲線對比。 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盪，也會比較安全。

圖8是在該電池上施加2A脈衝得到的結果，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）。

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

CA Speed 選擇Fastest模式時，曲線有略微的振盪。

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脈衝得到的結果，曲線的位置分佈和顏色與上圖相同。

圖9：對標準電路板的測試電路施加4A脈衝得到的結果。 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脈衝，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。

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

50 μs電流脈衝

圖11是在50μs內，對標準電路板校正電路200 mΩ電阻施加2 A 和4 A電流脈衝得到的曲線。綠色：4A，CA Speed（Fastest）; 紅色：4A，CA Speed（Fast）; 藍色：2A，CA Speed（Fast）

圖11：標準電路板校正電路的50μs脈衝數據。 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脈衝

Gamry儀器甚至可以施加30A電流脈衝，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電流脈衝信號。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μs內，準確、可靠地生成大電流脈衝信號。信號上升時間τ如下表所示：

連接待測電池，測量上升時間。

對於電容性電池，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。