大电流脉冲用于电池研究

前言

如果对于测量电池性能，尤其放电过程中电池阻抗变化感兴趣，Gamry Reference™ 3000电化学工作站结合30k Booster电流放大器是不错的选择，它可以快速施加单次或循环大电流脉冲，进行电池循环测试。

图1： Reference™ 3000 (左) 、 Reference™ 30k Booster (右)，以及校准测试用标准电路板 (绿色)。

我们将30k校准测试用标准电路板作为电池，来进行测试。该电路板经过精心设计：

• 无论是校准电路还是测试电路，都采用真正的四端子传感方式

•  保证电流测量回路极小的电感

• 保证电流和电压测量回路之间极小的交互电感

Gamry仪器使用校准电路，进行控制电流方式下的阻抗测试时，即使频率达到300 kHz，相位差仍小于2°。

本应用报告是我们对Gamry仪器深入研究的数据结果。

实验部分

测试在Reference 3000电化学工作站 和 Reference 30k Booster电流放大器上进行。30k校准测试用标准电路板始终与30k Booster连接。电池的连接使用标配的1米电流线和1.5米电压传感测试线。

绝大多数的测试都是使用电路板的校准电路。校准电路对应一个200 mΩ 的电阻，以及对电极线缆一侧的一根2.5A保险丝。保险丝可以保护这个1 W的电阻，以免被过大的电流烧坏，保险丝的电阻为34 mΩ。如果电流脉冲时间足够短，大于保险丝额定电流2.5A的快速电流脉冲，并不会使保险丝熔断。

电路板的测试电路对应一个3 mΩ、四端子方式连接的电阻。它不需要保险丝，因为可以承受30A电流。

许多测试是在不同的控制放大器速度（CA Speed）下进行的，CA Speed越快，时间分辨率越高，但同时会牺牲控制放大器的稳定性。

绝大部分数据是用Gamry Framework™软件来记录的，部分测试需要使用Tektronix 2024C数字示波器。

结果与讨论

使用Gamry Framework™软件，记录在200 mΩ电池上施加2A脉冲的结果曲线：

下面图2是使用Reference 30k Booster及Reference 3000（3A量程）施加的2A电流脉冲，每次持续200µs。

图2： 上方曲线代表电压曲线，下方曲线代表电流曲线；不同颜色对应不同的控制放大器速度CA Speed（绿色：Fastest；红色：Fast；蓝色： Norm）。

示波器通过E Monitor BNC端口采集的200 mΩ电池数据：

一根BNC线连接Reference 3000后面板的E Monitor输出端口和示波器的输入端口。

图3是200 µs内，对校准电路200 mΩ电池施加2A电流脉冲的电压-时间曲线。CA Speed：Fast

 

图3：通过 E Monitor 端口记录的数据

图4中示波器屏幕截图显示一个非常相似的波形。

图4：示波器记录的数据（与图5条件相同）。

 

Reference 3000 Booster 在 200 mΩ电池上施加一系列电流脉冲：

图5是Gamry仪器施加的一系列电流脉冲。小的2A脉冲不需要30k Booster就能实现。大一些的电流（4 A至12 A)需要用到30k Booster。从曲线上看，信号转换速率对波形几乎没有影响。

图5： 一系列电流脉冲曲线。小电流2A的曲线不需使用30k Booster；4A至12A的大电流使用了30k Booster。

图6显示的是控制放大器速度CA Speed对于8A脉冲的影响。（蓝色曲线：Fast；红色曲线：Fastest）红色曲线波形为矩形，但上升和下降的瞬间，信号有振荡。

图6：8 A脉冲曲线。CA Speed：Fast (蓝色)；Fastest (红色)

下面图7是4A和8A的脉冲曲线，采用CA Speed Fastest，信号转换速率对于波形仍然没有影响。

图7：4A（蓝色）和8A（红色）的响应曲线对比。CA Speed ：Fastest

3 mΩ电池的测试结果

连接标准电路板的测试电路，该电路对应一个3 mΩ、 4 W的电阻。30A时，功率消耗仅2.7W，因此，即使有连接错误或振荡，也会比较安全。

图8是在该电池上施加2A脉冲得到的结果，由Reference 3000即可进行。上方的系列曲线代表电压；下方曲线代表电流。不同的曲线颜色对应不同的CA Speed（绿色：Fastest；红色：Fast；蓝色：Norm）。

图8：对标准电路板的测试电路施加2A脉冲。CA Speed（绿色：Fastest；红色：Fast；蓝色：Norm）

CA Speed 选择Fastest模式时，曲线有略微的振荡。

下面图9是在不同CA Speed模式下，对标准电路板的测试电路施加4A脉冲得到的结果，曲线的位置分布和颜色与上图相同。

图9：对标准电路板的测试电路施加4A脉冲得到的结果。CA Speed（绿色：Fastest；红色：Fast；蓝色：Norm）。上方曲线：电压；下方曲线：电流

图9中，CA Speed选择Fastest 和 Fast 模式时，曲线都有轻微的振荡。图10是施加4A脉冲，CA Speed 选择Fastest时的电压波形，示波器通过E Monitor监测，同样显示有振荡。

图10：对标准电路板测试电路施加4A脉冲，示波器监测到的电压波形。（CA Speed：Fastest）

50 µs电流脉冲

图11是在50µs内，对标准电路板校准电路200 mΩ电阻施加2 A 和4 A电流脉冲得到的曲线。绿色：4A，CA Speed（Fastest）；红色：4A，CA Speed（Fast）；蓝色：2A，CA Speed（Fast）

图11：标准电路板校准电路的50µs脉冲数据。 2 A (蓝色)； 4 A Fast (红色) ； 4A Fastest (绿色).

边缘部分信号上升瞬间损失的电量，在下降阶段得到了弥补。

30A脉冲

Gamry仪器甚至可以施加30A电流脉冲，施加在5mΩ的低电阻上，如图12所示。

图12：使用Reference 3000 以及 30k Booster，生成的30A电流脉冲信号。红色曲线代表电流；蓝色代表电压。

总结

Gamry Reference 3000电化学工作站结合Reference 30k Booster电流放大器，能够在几十微秒内，准确、可靠地生成大电流脉冲信号。信号上升时间τ如下表所示：

 

连接待测电池，测量上升时间。

对于电容性电池，恒电流仪模式更加稳定，本应用报告没有讨论这方面的影响。