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。

Gamry reference 3000 / 30k booster

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。

fig2 cell voltage upper trace

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

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

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。

fig4 data recorded to oscilloscope

4:示波器记录的数据(与图5条件相同)。

 

Reference 3000 Booster 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。最小的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。

fig5 data from range of currents

5 一系列电流脉冲曲线。最小电流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。

fig6 data using CA speed

68 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。

fig7 data using CA fastest

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)。

fig8 data on test side

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。

fig9 data test side 4A

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。

fig10 oscilloscope data

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)

fig11 daton calibrate side

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。

fig12 30A pulse

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:

 仪器 电池 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

 

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。