[發明專利]一種基于電流脈沖注入的快速電化學阻抗譜測量方法

有效

• 申請號: 201811518472.0
• 申請日: 2018-12-12
• 公開（公告）號: CN109459465B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 陳劍;盧華歆
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N27/02
• 分類號: G01N27/02;G01R27/08
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種基于電流脈沖注入的快速電化學阻抗譜測量方法。在被測電化學系統的輸出端并聯一個可控恒流源電路，首先通過控制可控恒流源電路在被測電化學系統的輸出電流中注入M序列形式的脈沖擾動電流，接著在被測電化學系統的輸出端進行采集獲得擾動電流與響應電壓，對采集得到的擾動電流與響應電壓數據使用阻抗計算方法獲得電化學阻抗譜。本發明解決了傳統的電化學阻抗譜測量方法耗時長，設備昂貴，不適合在線應用的問題，實現了快速電化學阻抗譜測量。

技術領域

本發明屬于電化學測試技術的領域，涉及一種基于電流脈沖注入的快速電化學阻抗譜測量方法。

背景技術

電化學阻抗譜技術是一種常用的研究電化學系統內部反應過程的手段，在電池、電化學材料與腐蝕防護等領域都有著廣泛的應用。其原理是在電化學系統中施加一個較小的擾動電流，然后測量響應電壓來求解系統的內部阻抗。不同頻率下的阻抗組成該系統的電化學阻抗譜，系統的電化學阻抗譜可以反映系統內部的各種物理和化學過程，如物質傳輸、電荷傳輸、歐姆內阻等，這些信息對于系統的電化學分析有著重要的意義。如在燃料電池應用中，可以通過分析電化學阻抗譜來進行故障診斷與壽命預測，可以優化電池運行條件、提高電池耐久性。然而，這項技術目前為止主要還是應用在科研工作中，并沒有在工業上被廣泛使用，主要有以下兩個原因：一是傳統的電化學阻抗譜技術采用正弦波掃頻的方式進行阻抗測量，測試需要消耗較長的時間，實時性差，且無法直接應用在被測系統工況快速變化的場景中。二是目前的電化學阻抗譜測試設備體積較大，價格昂貴，容易損壞，主要是實驗室應用為主。

因此，研究一種快速、低成本的電化學阻抗譜測量技術有著重大的意義。

發明內容

鑒于現有技術的不足，本發明提出了一種基于電流脈沖注入的快速電化學阻抗譜測量方法。

本發明采用的技術方案是：

被測電化學系統的輸出端并聯一個可控恒流源電路，首先通過控制可控恒流源電路在被測電化學系統的輸出電流中注入M序列形式的脈沖擾動電流，接著在被測電化學系統的輸出端進行采集獲得擾動電流與響應電壓，對采集得到的擾動電流與響應電壓數據使用阻抗計算方法獲得電化學阻抗譜。

所述的被測電化學系統包括燃料電池和負載，負載和可控恒流源電路并聯在燃料電池的兩端。

所述的可控恒流源電路主要由數模轉換器、MOS管、反饋電阻、運算放大器和補償電容組成，數模轉換器輸出端連接到運算放大器正向輸入端，運算放大器的輸出端連接到MOS管的柵極，運算放大器負向輸入端連接到MOS管的源極，MOS管的漏極連接到被測電化學系統輸出端的正極，運算放大器的輸出端經補償電容連接到MOS管的源極，MOS管的源極經反饋電阻連接到被測電化學系統輸出端的負極。

數模轉換器輸出端輸出參考電壓到運算放大器，通過運算放大器比較后輸出，進而控制MOS管的導通，進而實現在反饋電阻產生并控制注入M序列形式的脈沖擾動電流。

M序列的有效帶寬具體如下：

其中，f_s為M序列的時鐘頻率，n為階數，f_max表示M序列的有效帶寬的上限，f_min表示M序列的有效帶寬的下限。

由被測電化學系統的輸出端采集獲得的i(t)與響應電壓u(t)先進行傅里葉變換得到變換后的電流U(ω)和變換后的電壓I(ω)，然后采用以下公式求解阻抗：

其中，Z(ω)表示阻抗。