5. časť; Séria N4L: Meranie elektrochemickej impedancie

Spektroskopia elektrochemickej impedancie (EIS) sa vykonávala mnoho rokov. Je to donedávna, keď sa EIS stal populárnym vo výskume a vývoji.

Spektroskopia elektrochemických impedancií batériových článkov

(Analyzátor impedancie PSM3750 + prúdový bočník BAT470m)

Úvod

Spektroskopia elektrochemickej impedancie (EIS) sa vykonávala mnoho rokov. Je to donedávna, keď sa EIS stal populárnym vo výskume a vývoji, ako aj v rôznych oblastiach údržby. EIS kombinuje odbor chémie s elektrotechnikou. Toto kríženie môže niekedy vystaviť technikov a vedcov termínom a inštrukcii, s ktorými sa bežne nestretávali. Tento dokument sa zaoberá prístupmi merania pomocou prístrojov N4L, ktoré poskytujú meranie impedancie v oblasti batérií / článkov od lítia-iónu po vodíkové palivové články.

Prečo zavádzame EIS?

Meraním EIS možno získať niekoľko dôležitých charakteristík. Napríklad počas rýchleho, dynamického zaťaženia batérie vozidla sa budú vyskytovať vysokofrekvenčné prechodové javy na svorkách batérie, spôsobujúce pulzujúci jednosmerný prúd batérie. Sú tu rôzne elektrochemické efekty, vrátane nedostatku oxidantov, teploty a ďalšieho je vnútorná kapacita, ktorá je tvorená efektom krátkej zóny náboja medzi elektródou a elektrolytom. Tá je známa ako efekt dvojvrstvového kondenzátora. Táto kapacita sa bude vyskytovať paralelne s elektrochemickou reakciou nabíjacieho prechodu, pretože ju tvorí plocha elektród. [1] Stanovenie vlastností batérie reprezentovanej ako elektricky ekvivalentný obvod (náhradný obvod) je dôležité pre konštruktéra batérie, ako aj pre vývojárov napájacieho systému. To pomôže technikom modelujúcim reakciu zostavy na stresové efekty. Takéto modelovanie možno vykonávať so softvérom PSMComm2, ktorý je dostupný bezplatne ku všetkým prístrojom N4L.

V úvode tohto dokumentu je vykonaná analýza impedancie niekoľkých pasívnych súčiastok / obvodov, aby sa čitateľ oboznámil s Nyquistovou reprezentáciou zložitých obvodov. Potom je vykonaná analýza monočlánku Duracell MX1500, používajúca jednoduchú metódu zapojenia, vrátane analyzátora frekvenčnej odozvy PSM3750 a prúdového bočníka BAT470m. Merania impedancie sú tiež potrebné na získanie vlastností batérie na vyšších frekvenciách. Napríklad nabíjač, ktorý používa pulznú-šírkovú moduláciu, vyžaduje znalosť impedancie článku batérie na frekvencii nabíjacieho prúdu na odvodenie jeho miery, atď. Toto všetko možno odvodiť z presného merania článku EIS.

Úvodné testy a základná teória

Impedancia jednoduchej paralelnej RC kombinácie môže byť znázornená v Nyquistovom diagrame, rovnako ako v tradičnom grafe závislosti impedancie na frekvencii.

Zapojenie na meranie

Obrázok 1 – zapojenie na meranie EIS

Merací obvod obsahuje paralelne zapojený rezistor 45kOhm a kondenzátor 10nF. Meranie rozsahu impedancie je vykonané od 1 Hz do 200 kHz. Najprv v hodnote impedancie prevažuje odpor rezistora, pretože kondenzátor je na frekvencii 1 Hz prakticky prerušený obvod. Výsledkom je celková impedancia vo fáze a fázový uhol takmer 0 °.

Obrázok 2 – detaily článku RC

V praktických aplikáciách predstavuje Cdl kapacitu rozhrania platňa / elektrolyt, tvorenú dvojitou vrstvou iónov v elektrochemickom článku. Je to tá kapacita, ktorá bude spočiatku zdrojom dávky vysokofrekvenčného prúdu, keď je článok batérie zaťažený. Rct je odpor prenosu náboja, daný obmedzením prenosu iónov medzi platňou a elektrolytom. Ako frekvencia rastie, kapacita začína viac ovplyvňovať celkovú impedanciu paralelného páru a prípadne pri vyšších frekvenciách vytvorí zraz.
Bod, v ktorom bude kapacita mať najväčší účinok a následne dosiahne obvod najvyššieho kvadrátu impedancie, je v mieste, kde sa kvadrát impedancie kapacity rovná impedancii rezistora vo fáze.

K tomu dochádza pri nasledujúcej frekvencii:

Následný fázový uhol na tejto frekvencii bude 45 °.

Obrázok 3 – lineárny graf priebehu impedancie RC článku

Obrázok 4 – logaritmický graf priebehu impedancie RC článku​

Obrázok 5 – Graf impedancie​

Obrázok 6 – logaritmický graf impedancie​

Obrázok 7 – Nyquistov diagram impedancie

Nyquistov diagram poskytuje jasný obraz o mieste maxima reaktívnej impedancie. Tento bod sa môže použiť na stanovenie neznámej hodnoty Cdl. Táto metóda modelovania je použitá vo funkcii modelu Randleovho článku v softvéri PSMComm2.

Merací obvod bol následne upravený pre začlenenie sériového odporu Rs. Tento odporník predstavuje odpor kovových častí dosiek a elektrolytu.

Na nízkej frekvencii bude obvod na obrázku 8 vykazovať celkovú impedanciu 50 kOhm. To je spôsobené tým, že kapacita Cdl, paralelná k Rct, je efektívne prerušeným obvodom.
Keď sa kapacita Cdl na vysokej frekvencii stane skratkou, obvod vykazuje impedancie 5kOhm a je prevažne rezistický.
Nyquistov diagram ukazuje výsledok jasne s tou istou polkruhom na obrázku 7 (vďaka paralelnej kombinácii Rct | | Cdl), ktorá je posunutá o 5 kOhm od začiatku.

Obrázok 9 opisuje odozvu obvodu z obrázku 8 Nyquistovom diagrame. Diagram je posunutý na reálnu os o 5 kOhm. Koniec diagramu na nízkej frekvencii začína na reálnej osi, približne na 50kOhm, potom prechádza oblúkom k reálnej osi na 5kOhm na vysokej frekvencii.

Warburgova impedancia

K dokončeniu Randleovho článku je do modelu pridaná časť impedancie, známa ako Warburgova impedancia. Táto zložka nemôže byť vytvorená z jednoduchých súčiastok, pretože ide o zložku s konštantnou fázou. Warburgova impedancia predstavuje všeobecnú, v podstate lineárnu difúziu, t. j. neobmedzenú difúziu z plochých elektród. 

Konštantná fáza, predstavovaná Warburgovým difúznym prvkom je 45 °.  Rozsah impedancie je nepriamo úmerný druhej odmocnine frekvencie. Kde Aw je Warburgov koeficient na logaritmickom grafe sa Warburgova impedancia zobrazuje ako priamka so stúpaním ½.

Obrázok 10 – Warburgova impedancia (0,2 Hz – 0,002 Hz) [2]​

 

Pokus č. 1

V tomto experimente je vykonané meranie EIS na monočlánku Duracell Ultra Power AA. Špecifikácie Duracellu hlásia impedanci 81mOhm @ 1kHz. Tento kmitočtový bod bol najprv skontrolovaný na overenie nastavenia testu. Merania EIS v rozsahu od 100 MHz do 5 kHz sa vykonávajú s použitím skúšobného zapojenia znázorneného na obrázku 11.

Použité prístroje:

• PSM3750-2C
• BATT470m
• 2x EST10m
• spojovacie vodiče 4 mm
• sonda osciloskopu

Pripojenie:

Generátor výstupného signálu PSM je pripojený v sérii s kondenzátorom 100uF na oddelenie jednosmerného priečinku. Posledný merací obvod potom pozostáva z monočlánku Duracell MX1500 1,5 V v sérii s prúdovým bočníkom HF470m.

Schéma zapojenia pre konečné meranie:​

Obrázok 11

BATT470m na obrázku 11 bráni zaťaženiu batérie generátorom impedancie (50R).

Obrázok 12 – Špecifikácie monočlánku​

Obrázok 13 – zapojenie merania​

Kanál CH1 na PSM bude merať stratu napätia na batérii, CH2 je pripojený cez bočník BAT470m s dodaným izolovaným BNC káblom na meranie prúdu v meranom obvode. PSM3750 potom vykoná analýzu diskrétnej Fourierovej transformácie (DFT) použitej sinusoidy na oddelenie zložky vo fáze a kvadrátu impedancie, tak ako parametre impedancie. Keďže vstupy PSM3750 sú izolované, môžu byť pripojené priamo k ľubovoľnému meraciemu obvodu až do 500 Vpk.

PSM3750 generuje striedavý sinusový signál, ktorý prechádza cez BATT470m (oddeľujúci jednosmerný komponent) a testované zariadenie. Tento signál je potom rozmietaný v rozsahu frekvencií, zatiaľ čo PSM3750 súčasne zaznamenáva impedancie batérie, údaje sú zobrazované v grafe na displeji prístroja a exportované do softvéru PSMComm2.

Obrázok 14

Obrázok 15

PSM3750 zaznamenal sériový odpor 86mOhm. Všimnite si hodnoty reaktancie -36 mOhm, čo zodpovedá kapacite 4,4 mF.

Obrázok 16 – Graf impedancie od 0,1 Hz do 5 kHz

Obrázok 17 – Príklad tabuľky výsledkov​

Všetky výsledky môžu byť exportované do exportu, prípadne analyzované v softvéri PSMComm2 od N4L.

Výsledky môžu byť tiež priamo exportované na vývoz. PSMComm2 komunikuje prostredníctvom USB, RS232 alebo LAN.

 

Všeobecné poznámky

PSM3750 disponuje galvanicky izolovanými vstupmi a generátorom s šírkou pásma od 10uHz do 50MHz a rozsahom napätia do 500Vpk. Uvedený test možno použiť na veľké množstvo meracích úloh.

Odkazy

[1] Xi Zhang, Chris Mi, Vehicle Power Management, Control and Optimization, Springer 2011
[2] E. Barsoukov, J. R. MacDonald, Impedance Spectroscopy Theory, Experiment and Applications, Wiley 2005

 

Ak máte ďalšie otázky k tejto téme. Neváhajte nás kontaktovať napríklad nižšie uvedeným formulárom.

Ďalšia časť / Všetky časti

Analyzátor kvality výkonu N4L PPA4500

Vysoko presný analyzátor kvality elektrického výkonu. Je predurčený k meranie strát transformátora, účinnosti PWM meničov, kľudové spotreby podľa IEC62301 / EN50564 a k mnohým ďalším náročným aplikáciám.

Analyzátor kvality výkonu N4L PPA5500

Vysoko presný analyzátor kvality výkonu s najvyššou rýchlosťou, základnou presnosťou 0,01%, až 50Arms (1000Apk) a 1000Vrms (3000Vpk) priamo na vstupoch

Analyzátor kvality výkonu N4L PPA5500-TE Edícia Transformer

Najpresnejší analyzátor výkonu transformátora na svete.

Analyzátor kvality výkonu N4L radu PPA1500

Analyzátor kvality siete rady PPA1500 je vysoko výkonný kompaktný analyzátor kvality elektrickej energie, ktorý ponúka zaujímavý pomer cena výkon.

Analyzátor kvality výkonu radu N4L PPA500

Analyzátor kvality siete rady PPA500 spája presnosť radu analyzátorov kvality s potrebou vysokého výkonu analýzy kvality energie za nízku cenu. Je ideálnym riešením pre aplikácie vyžadujúce presné merania vo výrobnom a skúšobnom prostredí. Nízka cena analyzátora energie PPA500 predstavuje veľkú príležitosť pre systémových integrátorov, hľadajúci presnú a spoľahlivú analýzu.

Analyzátor výkonu a kvality siete 1 ~ 6 fáz N4L PPA3500

Analyzátor výkonu 1 ~ 6 fáz N4L PPA3500

Programovateľné arbitrárne zdroje Newtons4th radu N4A

Zdroje striedavého napätia s výkonom 3 – 67kVA (DC + 0,01Hz až 1kHz) 1 alebo 3 fázové s minimálnym nežiaducim skreslením, používateľsky konfigurovateľný generátorom harmonických pre syntézu aj replikáciu priebehov.