前言如果對(duì)于測(cè)量電池性能，尤其放電過(guò)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(cè)試。
圖1：reference™ 3000 (左) 、 reference™ 30k booster (右)，以及校準(zhǔn)測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)電路板 (綠色)。
我們將30k校準(zhǔn)測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)電路板作為電池，來(lái)進(jìn)行測(cè)試。該電路板經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)：
無(wú)論是校準(zhǔn)電路還是測(cè)試電路，都采用真正的四端子傳感方式
保證電流測(cè)量回路極小的電感
保證電流和電壓測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試線。
絕大多數(shù)的測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(lái)記錄的，部分測(cè)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。
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(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(guò)e monitor bnc端口采集的200 mω電池?cái)?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
圖3：通過(guò)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。
圖4：示波器記錄的數(shù)據(jù)（與圖5條件相同）。
reference 3000 booster在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(méi)有影響。
圖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。
圖6：8 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(méi)有影響。
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(cè)試結(jié)果
連接標(biāo)準(zhǔn)電路板的測(cè)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）。
圖8：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電路板的測(cè)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(cè)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。
圖9：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電路板的測(cè)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(guò)e monitor監(jiān)測(cè)，同樣顯示有振蕩。
圖10：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電路板測(cè)試電路施加4a脈沖，示波器監(jiān)測(cè)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）
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。
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） τca 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(cè)電池，測(cè)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(méi)有討論這方面的影響。