5. díl, N4l seriál: Měření elektrochemické impedance

Spektroskopie elektrochemické impedance (EIS) se prováděla po mnoho let. Není do tak dávno, kdy se EIS stala populární ve výzkumu i vývoji.

Spektroskopie elektrochemické impedance bateriových článků

(Analyzátor impedance PSM3750 + proudový bočník BATT470m)

 

Úvod

Spektroskopie elektrochemické impedance (EIS) se prováděla po mnoho let. Není to tak dávno, kdy se EIS stala populární ve výzkumu i vývoji, stejně jako v různých oblastech údržby. EIS kombinuje obor chemie s elektrotechnikou. Toto křížení může občas vystavit techniky a vědce termínům a instrumentaci, s nimiž se běžně nesetkávali. Tento dokument pojednává o přístupech k měření s využitím přístrojů N4L, které poskytují měření impedance v oblasti baterií / článků od Lithium-Ion po vodíkové palivové články.

Proč provádíme EIS?

Měřením EIS lze získat několik důležitých charakteristik. Například během rychlé, dynamické zátěže baterie vozidla se budou vyskytovat vysokofrekvenční přechodové jevy na svorkách baterie, způsobující pulsující stejnosměrný proud baterií. Jsou zde různé elektrochemické efekty, včetně nedostatku oxidantů, teploty a dalším je vnitřní kapacita, která  je tvořena efektem krátké zóny náboje mezi elektrodou a elektrolytem. Ta je známa jako efekt dvojvrstvého kondenzátoru. Tato kapacita se bude vyskytovat paralelně s elektrochemickou reakcí nabíjecího přechodu, protože ji tvoří plocha elektrod. [1]
Stanovení charakteristik baterie, reprezentované jako elektricky ekvivalentní obvod (náhradní schéma), je důležité jak pro konstruktéra baterie, tak i pro vývojáře napájecí soustavy. Pomůže to technikům modelujícím odezvu sestavy na zátěžové efekty. Takové modelování může být prováděno se software PSMComm2, který je dostupný zdarma ke všem přístrojům N4L.

V úvodu tohoto dokumentu je provedena analýza impedance několika pasívních součástek / obvodů, aby se čtenář seznámil s Nyquistovou reprezentací složitých obvodů. Poté je provedena analýza monočlánku Duracell MX1500, využívající jednoduchou metodu zapojení, včetně analyzátoru frekvenční odezvy PSM3750 a proudového bočníku BATT470m.
Měření impedance jsou rovněž třeba k získání charakteristik baterie na vyšších frekvencích. Např. nabíječ, používající pulsně-šířkovou modulaci, vyžaduje znalost impedance článku baterie na frekvenci nabíjecího proudu k odvození jeho míry, atd. Toto vše může být odvozeno z přesného měření EIS článku.

Úvodní testy a základní teorie

Impedance jednoduché paralelní RC kombinace může být znázorněna v Nyquistově diagramu, stejně jako v tradičním grafu závislosti impedance na frekvenci.

Zapojení pro měření

Obrázek 1 – zapojení pro měření EIS

Měřící obvod obsahuje paralelně zapojený rezistor 45kOhm a kondenzátor 10nF. Měření rozpětí impedance je provedeno od 1Hz do 200kHz. Nejprve v hodnotě impedance převažuje odpor rezistoru, jelikož kondenzátor je na kmitočtu 1Hz prakticky přerušený obvod. Výsledkem je celková impedance ve fázi a fázový úhel téměř 0°.

Obrázek 2 – detail RC členu​

V praktických aplikacích představuje Cdl kapacitu rozhraní deska / elektrolyt, tvořenou dvojitou vrstvou iontů v elektrochemickém článku. Je to ta kapacita, která bude zpočátku zdrojem dávky vysokofrekvenčního proudu, když je článek baterie zatížen. Rct je odpor přenosu náboje, daný omezením přenosu iontů mezi deskou a elektrolytem.
Jak kmitočet narůstá, kapacita začíná více ovlivňovat celkovou impedanci paralelního páru a případně při vyšších frekvencích vytvoří zkrat.
Bod, v němž bude mít kapacita největší efekt a následně dosáhne obvod nejvyššího kvadrátu impedance, je v místě, kde se kvadrát impedance kapacity rovná impedanci rezistoru ve fázi.

K tomu dojde na následujícím kmitočtu:

Následný fázový úhel na tomto kmitočtu bude 45°.

Obrázek 3 – lineární graf průběhu impedance RC členu

Obrázek 4 – logaritmický graf průběhu impedance RC členu

Obrázek 5 – graf impedance​

Obrázek 6 – logaritmický graf impedance​

Obrázek 7 – Nyquistův diagram impedance

Nyquistův diagram poskytuje jasný obrázek o místě maxima reaktivní impedance. Tento bod může být použit k určení neznámé hodnoty Cdl. Tato metoda modelování je použita ve funkci modelu Randleova článku v software PSMComm2.

Měřící obvod byl následně upraven pro začlenění sériového rezistoru Rs. Tento rezistor představuje odpor kovových částí desek a elektrolytu.

Na nízkém kmitočtu bude obvod na obrázku 8 vykazovat celkovou impedanci 50kOhm. To je způsobeno tím, že kapacita Cdl, paralelní k Rct, je efektivně přerušeným obvodem.
Jakmile se kapacita Cdl na vysokém kmitočtu stane zkratem, obvod vykazuje impedanci 5kOhm a je převážně rezistivní.
Nyquistův diagram ukazuje výsledek jasně se stejnou polokružnicí na obrázku 7 (díky paralelní kombinaci Rct || Cdl), jež je posunuta o 5kOhm od počátku.

Obrázek 9 popisuje odezvu obvodu z obr. 8 formou Nyquistova diagramu. Diagram je posunut na reálné ose o 5kOhm. Konec diagramu na nízkém kmitočtu začíná na reálné ose, přibližně na 50kOhm, pak přechází obloukem k reálné ose na 5kOhm na vysokém kmitočtu.

Warburgova impedance

K dokončení Randleova článku je do modelu přidána součást impedance, známá jako Warburgova impedance. Tato součást nemůže být vytvořena z jednoduchých součástek, protože se jedná o součást s konstantní fází. Warburgova impedance představuje obecnou, v podstatě lineární difuzi, tj. neomezenou difuzi z ploché elektrody. 

Konstantní fáze, představovaná Warburgovým difuzním elementem je 45°.  Rozsah impedance je nepřímo úměrný druhé odmocnině kmitočtu. Kde Aw je Warburgův koeficient na logaritmickém grafu se Warburgova impedance zobrazuje jako přímka se stoupáním ½.

Obrázek 10 – Warburgova impedance (0,2Hz – 0,002Hz) [2]

 

Pokus č. 1

V tomto pokusu je provedeno měření EIS na monočlánku Duracell Ultra Power AA. Specifikace Duracellu hlásí impedanci 81mOhm @ 1kHz. Tento bod frekvenční charakteristiky byl kontrolován nejprve pro ověření nastavení testu. Měření EIS v rozpětí od 100mHz do 5kHz je provedeno s použitím zkušebního zapojení, zobrazeného na obrázku 11.

Použité přístroje:

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

Připojení:

Generátor výstupního signálu PSM je připojen v sérii s kondenzátorem 100uF pro oddělení stejnosměrné složky. Poslední měřící obvod pak sestává z monočlánku Duracell MX1500 1,5V v sérii s proudovým bočníkem HF470m.

Schéma zapojení pro závěrečné měření:

Obrázek 11

BATT470m na obrázku 11 brání zatížení baterie generátorem impedance (50R).

Obrázek 12 – specifikace monočlánku

Obrázek 13 – zapojení měření​

Kanál CH1 na PSM bude měřit úbytek napětí na baterii, CH2 je připojen přes bočník BATT470m s dodaným izolovaným BNC kabelem pro měření proudu v měřeném okruhu. PSM3750 pak provede analýzu diskrétní Fourierovou transformací (DFT) použité sinusoidy k oddělení složky ve fázi a kvadrátu impedance, tak jako parametrů impedance. Jelikož vstupy PSM3750 jsou izolovány, mohou být připojeny přímo k libovolnému měřenému obvodu až do 500Vpk.

PSM3750 generuje střídavý sinusový signál, který prochází přes BATT470m (oddělující stejnosměrnou složku) a testované zařízení. Tento signál je pak rozmítán v rozsahu frekvencí, zatímco PSM3750 současně zaznamenává impedanci baterie, data jsou zobrazována v grafu na displeji přístroje a exportována do software PSMComm2.

Obrázek 14

Obrázek 15

PSM3750 zaznamenal sériový odpor 86mOhm. Všimněte si hodnoty reaktance -36mOhm, odpovídající kapacitě 4,4mF.​

Obrázek 16 – graf impedance od 0,1Hz do 5kHz​

Obrázek 17 – příklad tabulky výsledků​

Všechny výsledky mohou být exportovány do excelu, případně analyzovány v software PSMComm2 od N4L.

Výsledky mohou být rovněž přímo exportovány do excelu. PSMComm2 komunikuje přes USB, RS232 nebo LAN.

 

Obecné poznámky

PSM3750 disponuje galvanicky izolovanými vstupy a generátorem s šířkou pásma od 10uHz do 50MHz a rozsahem napětí do 500Vpk. Výše uvedený test může být použit na velké množství měřících 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

 

Pokud máte k tématu další dotazy. Neváhejte nás kontaktovat například formulářem níže.

Další díl / Všechny díly

Analyzátor kvality výkonu N4L PPA4500

Vysoce přesný analyzátor kvality elektrického výkonu. Je předurčen k měření ztrát transformátoru, účinnosti PWM měničů, klidové spotřeby dle IEC62301/EN50564 a k mnoha dalším náročným aplikacím.

Analyzátor kvality výkonu N4L PPA5500

Vysoce přesný analyzátor kvality výkonu s nejvyšší rychlostí, základní přesností 0,01%, až 50Arms (1000Apk) a 1000Vrms (3000Vpk) přímo na vstupech

Analyzátor kvality výkonu N4L PPA5500-TE Edice Transformer

Nejpřesnější analyzátor výkonu transformátoru na světě.

Analyzátor kvality výkonu N4L řady PPA1500

Analyzátor kvality sítě řady PPA1500 je vysoce výkonný kompaktní analyzátor kvality elektrické energie, který nabízí zajímavý poměr cena výkon.

Analyzátor kvality výkonu řady N4L PPA500

Kompaktní analyzátor kvality sítě řady PPA500 spojuje přesnost řady analyzátorů kvality s potřebou vysokého výkonu analýzy kvality energie za nízkou cenu. Je ideálním řešením pro aplikace vyžadující přesná měření ve výrobním a zkušebním prostředí. Nízká cena analyzátoru energie PPA500 představuje velkou příležitost pro systémové integrátory, hledající přesnou a spolehlivou analýzu.

Analyzátor výkonu 1 ~ 6 fází N4L PPA3500

Vysoce výkonný 6fázový analyzátor výkonu a kvality elektrické energie. Jediný analyzátor výkonu na trhu, určený speciálně pro využití na měničích pohonů.

Programovatelné arbitrární zdroje Newtons4th řady N4A

Zdroje střídavého napětí s výkonem 3 – 67kVA (DC + 0,01Hz až 1kHz) 1 nebo 3 fázové s minimálním nežádoucím zkreslením, uživatelsky konfigurovatelný generátorem harmonických pro syntézu i replikaci průběhů.