Электрохимическая импедансная спектроскопия эл. питания

Статьи

Спектроскопия электрохимического импеданса (СЭИ, EIS) представляет собой метод, при котором импеданс электрохимической ячейки измеряется как функция от частоты. Метод импедансной спектроскопии играет значительную роль в фундаментальных и прикладных исследованиях. Метод описывает процессы, связанные с химическими и электрическими явлениями/реакциями/параметрами и может представлять трудность в понимании терминов и использовании измерительных приборов.

Содержание

  1. Зачем использовать метод СЭИ (EIS)?
  2. Начальные измерения и базовая теория
  3. Экспериментальные измерения
  4. Галерея изображений

1. Зачем использовать метод СЭИ (EIS)?

Несколько очень важных характеристик могут быть определены с помощью метода СЭИ. Например, в процессе работы элемента батареи на быстро меняющуюся динамическую нагрузку, на зажимах (выводах) элемента появятся высокочастотные переходные процессы, которые приведут к появлению пульсирующего DC тока внутри электрохимической ячейки. Одним из эффектов является емкость внутри батареи, формирующаяся в виде узкой зоны между электролитом и электродом, т.н. эффект двойного электрического слоя. Данная емкость оказывается включенной параллельно с сопротивлением, связанным с протеканием реакции на границе электрод/электролит.

Определение характеристик электрохимической ячейки (элемента батареи) осуществляется с помощью ee представления в виде эквивалентной электрической схемы. Такое представление является важным как для разработчика батареи, так и для разработчика системы питания или электроснабжения. Также такое представление поможет разработчикам, исследующим отлик системы или элемента питания на различное поведение нагрузки. Моделирование может быть осуществлено с помощью бесплатного программного обеспечения PSMComm2 компании N4L.

Изначально, с целью знакомства читателя с представлением импеданса в виде годографа Найквиста, в данном документе описывается анализ импеданса нескольких пассивных элементов / цепей. Далее проводится анализ элемента питания Duracell MX1500 с помощью анализатора частотного отлика ВЕКТОР-375 и токового шунта СЭИ BATT470m компании N4L.

Измерение импеданса также требуется при определении характеристик батареи на высоких частотах. Например, при разработке зарядной цепи с ШИМ требуется знать импеданс ячейки (батареи) на частоте заряда, чтобы получить величину тока заряда. Все необходимые данные могут быть получены с помощью точного метода СЭИ исследуемой электрохимической ячейки.

2. Начальные измерения и базовая теория перейти к содержанию

Импеданс простой RC цепи может быть представлен с помощью годографа Найквиста или с помощью обычного графика импеданс – частота.

Измеряемая цепь


Рисунок 2

Исследуемая цепь состоит из 45кОм резистора и 10нФ конденсатора с параллельным соединением. Измерение импеданса осуществляется в диапазоне частот от 1Гц до 200кГц. Изначально, основное влияние на величину импеданса будет оказывать сопротивление, так как емкость на частоте 1Гц представляет собой открытую цепь. Как результат – импеданс является синфазным с тестовым сигналом, а фазовый угол близок к 0°.


Рисунок 3

Физическая интерпретация схемы заключается в том, что Cdl представляет собой емкость между электродом и ионным проводником внутри ячейки, т.н. емкость двойного электрического слоя. Именно с помощью данной емкости образуются высокочастотные всплески/броски тока при подключении ячейки к нагрузке. Rct представляет собой сопротивление, связанное с протеканием реакции на границе электрод-электролит.

При увеличении частоты на общий схемы импеданс начинает влиять емкость, так как на высоких частотах представляет собой короткое замыкание (формально).

Частота, при которой емкость оказывает максимальное влияние на общий импеданс, и при которой общий импеданс имеет наибольший реактивный (квадратурный) характер, представляет собой точку, в которой квадратурный импеданс емкости равен синфазному импедансу сопротивления.

Данная частота определяется, как:

Соответствующий фазовый угол на данной частоте равен 45°.


Рисунок 4. Логарифмический-линейный график


Рисунок 5. Логарифмический-логарифмический график


Рисунок 6. График импеданса


Рисунок 7. Логарифмический график импеданса


Рисунок 8. Годограф Найквиста

Годограф Найквиста представляет собой понятное представление о расположении максимального реактивного импеданса цепи, и это значение используется для определения неизвестного значения емкости Cdl. Такой метод моделирования используется в ПО PSMComm2 при моделировании схемы ячейки с последовательным соединением сопротивлений и наличием параллельной емкости (по англ.: Simplified Randle Cell).

Далее исследуемая цепь дополняется последовательным сопротивлением Rs, представляющим собой омическое сопротивление исследуемого образца/ячейки, т.е. металлическое сопротивление пластин электродов и сопротивление электролита.


Рисунок 9. Ячейка с последовательным соединением сопротивлений и наличием параллельной емкости (Randle Cell)

На низких частотах общий импеданс цепи будет стремиться к 50кОм, так как емкость Cdl, включенная параллельно сопротивлению Rct, на низкой частоте будет представлять собой открытую цепь. На высоких частотах, емкость Cdl будет иметь характер короткого замыкания, поэтому импеданс цепи будет стремиться к 5кОм и будет в основном резистивным.

Годограф Найквиста представляет поведение импеданса цепи в понятном виде, и состоит их полуокружности (как на рис. 8), смещенной по активной составляющей на частотно-независимую величину 5кОм.


Рисунок 10.

На Рис.10 представлен отклик цепи на Рис. 9 в форме годографа Найквиста. Годограф смещен по активной оси на 5кОм. В области низких частот, годограф начинается от активной оси в области 50кОм и в виде полуокружности возвращается к 5кОм на высоких частотах.

Импеданс Варбурга

Окончательным дополнением для тестируемой цепи (Рис. 9) является компонент импеданса, называемый импедансом Варбурга или диффузионным импедансом. Данный компонент нельзя составить из дискретных составляющих, так как импеданс Варбурга является элементом постоянной фазы. Импеданс Варбурга представляет линейную полубесконечную диффузию, подчиняющуюся во временной области закону Фика. Элемент импеданса Варбурга используется при описании систем, в которых электроды хотя бы частично не являются блокирующими, когда под воздействием переменного тока в околоэлектродном пространстве образуется зависящий от времени диффузионный слой. Постоянная фазы представлена на годографе Найквиста в виде прямой линии под углом 45°. А величина импеданса Варбурга обратно пропорциональна квадратному корню частоты.

Где величина Aw представляет собой коэффициент Варбурга. На годографе с логарифмическим отсчетом, импеданс Варбурга выглядит как прямая линия с наклоном ½.


Рисунок 11. Импеданс Варбурга (частоты 0.2Гц – 0.002Гц)

3. Экспериментальные измерения перейти к содержанию

В данном эксперименте, применим метод СЭИ к элементу питания Duracell Ultra Power тип AA. В спецификации к элементу указано, что на частоте 1кГц он обладает импедансом 81мОм. Эта частота проверяется изначально, для правильности настройки измерения. Качание частоты (свипирование) для СЭИ производится в диапазоне от 100мГц до 5кГц. Схема измерения приведена на рис. 12.

Измерительное оборудование и подключения

- Анализатор частотного отклика ВЕКТОР-375-2
Токовый шунт для СЭИ BATT470m
Адаптеры EST10m x 2 шт.
- Кабели для подключения, разъемы 4мм
Осциллографический пробник

Генератор анализатора ВЕКТОР-375 включается последовально с DC блокирующим конденсатором 100мкФ, исследуемый элемент питания (1.5В Duracell MX1500) включается последовательно с токовым шунтом BATT470m.


Рисунок 12.

Токовый шунт BATT470m на рисунке 12 предотвращает нагрузку батареи импедансом генератора анализатор (=50R).

Рисунок 13. Характеристики батареи Рис 14. Схема тестирования

Канал КАН1 анализатора ВЕКТОР-375 измеряет падение напряжения на тестируемом элементе пи- тания, а канал КАН2 подключается параллельно токовому шунту BATT470m с помощью входящего в комплект поставки кабеля BNC, и обеспечивает измерение тока в цепи с тестируемым элементом питания. Далее, анализатор ВЕКТОР-375 с помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ) осуществляет анализ синусоидального сигнала, с целью получения синфазной и квадратурной ком- поненты сигнала и параметров импеданса цепи. Так как входы анализатора ВЕКТОР-375 являются изолированными, то они могут быть подключены напрямую к любой исследуемой цепи с напряжени- ем до 500Впк.

Анализатор ВЕКТОР-375 обеспечивает генерацию синусоидального сигнала с качанием частоты в заданном диапазоне (свипированием), который проходит через блокирующий DC шунт BATT470m и тестируемый элемент питания. Одновременно ВЕКТОР-375 обеспечивает запись параметров импеданса элемента питания. Далее, измеренные параметры либо выводятся на экран прибора, либо передаются на ПК с программным обеспечением PSMComm2.

Рисунок 15 Рисунок 16

С помощью анализатора ВЕКТОР-375 измерено последовательное сопротивление 86мОм, значение реактивности равно -36мОм, что соответствует емкости равной 4.4мФ.

Рисунок 17. График импеданса в диапазоне
от 0.1Гц до 5кГц
Рисунок 19. Табличное представление Рисунок 19. Табличное представление

Результаты измерений могут быть экспортированы через интерфейсы USB, RS232 или LAN в таблицы Excel, либо проанализированы с помощью программного обеспечения N4L PSMComm2.

Общая информация

Анализатор частотного отклика ВЕКТОР-375 оснащен изолированными входами и генератором, с полосой частот от 0.1мкГц до 50МГц, обеспечивает измерение напряжения до 500Впк. Приведенное выше тестирование может найти применение в широком круге измерительных задач.

Программное обеспечение PSMComm2

ПО PSMComm2 помимо функций управления анализатором, импорта данных и построения графиков, оснащено режимом СЭИ (EIS), обеспечивающим построние годографа Найквиста и расчет параметров эквивалентной электрической схемы тестируемой электрохимической ячейки.


Рисунок 20. ПО PSMComm2 в режиме СЭИ (EIS)

4. Галерея изображений перейти к содержанию

Токовый шунт для метода СЭИ элементов питания/батарей BATT470m Адаптеры подключения ESF10m (10мГц ФВЧ) Схема подключения ВЕКТОР-375 (ГЕН, КАН1/2), шунта BATT470m и элемента питания

Другие статьи

посмотреть все