一种基于电流脉冲注入的快速电化学阻抗谱测量方法

摘要

本发明公开了一种基于电流脉冲注入的快速电化学阻抗谱测量方法。在被测电化学系统的输出端并联一个可控恒流源电路，首先通过控制可控恒流源电路在被测电化学系统的输出电流中注入M序列形式的脉冲扰动电流，接着在被测电化学系统的输出端进行采集获得扰动电流与响应电压，对采集得到的扰动电流与响应电压数据使用阻抗计算方法获得电化学阻抗谱。本发明解决了传统的电化学阻抗谱测量方法耗时长，设备昂贵，不适合在线应用的问题，实现了快速电化学阻抗谱测量。

说明书

技术领域

本发明属于电化学测试技术的领域，涉及一种基于电流脉冲注入的快速电化学阻抗谱测量方法。

背景技术

电化学阻抗谱技术是一种常用的研究电化学系统内部反应过程的手段，在电池、电化学材料与腐蚀防护等领域都有着广泛的应用。其原理是在电化学系统中施加一个较小的扰动电流，然后测量响应电压来求解系统的内部阻抗。不同频率下的阻抗组成该系统的电化学阻抗谱，系统的电化学阻抗谱可以反映系统内部的各种物理和化学过程，如物质传输、电荷传输、欧姆内阻等，这些信息对于系统的电化学分析有着重要的意义。如在燃料电池应用中，可以通过分析电化学阻抗谱来进行故障诊断与寿命预测，可以优化电池运行条件、提高电池耐久性。然而，这项技术目前为止主要还是应用在科研工作中，并没有在工业上被广泛使用，主要有以下两个原因：一是传统的电化学阻抗谱技术采用正弦波扫频的方式进行阻抗测量，测试需要消耗较长的时间，实时性差，且无法直接应用在被测系统工况快速变化的场景中。二是目前的电化学阻抗谱测试设备体积较大，价格昂贵，容易损坏，主要是实验室应用为主。

因此，研究一种快速、低成本的电化学阻抗谱测量技术有着重大的意义。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提出了一种基于电流脉冲注入的快速电化学阻抗谱测量方法。

本发明采用的技术方案是：

被测电化学系统的输出端并联一个可控恒流源电路，首先通过控制可控恒流源电路在被测电化学系统的输出电流中注入M序列形式的脉冲扰动电流，接着在被测电化学系统的输出端进行采集获得扰动电流与响应电压，对采集得到的扰动电流与响应电压数据使用阻抗计算方法获得电化学阻抗谱。

所述的被测电化学系统包括燃料电池和负载，负载和可控恒流源电路并联在燃料电池的两端。

所述的可控恒流源电路主要由数模转换器、MOS管、反馈电阻、运算放大器和补偿电容组成，数模转换器输出端连接到运算放大器正向输入端，运算放大器的输出端连接到MOS管的栅极，运算放大器负向输入端连接到MOS管的源极，MOS管的漏极连接到被测电化学系统输出端的正极，运算放大器的输出端经补偿电容连接到MOS管的源极，MOS管的源极经反馈电阻连接到被测电化学系统输出端的负极。

数模转换器输出端输出参考电压到运算放大器，通过运算放大器比较后输出，进而控制MOS管的导通，进而实现在反馈电阻产生并控制注入M序列形式的脉冲扰动电流。

M序列的有效带宽具体如下：

其中，f_s为M序列的时钟频率，n为阶数，f_max表示M序列的有效带宽的上限，f_min表示M序列的有效带宽的下限。

由被测电化学系统的输出端采集获得的i(t)与响应电压u(t)先进行傅里叶变换得到变换后的电流U(ω)和变换后的电压I(ω)，然后采用以下公式求解阻抗：

其中，Z(ω)表示阻抗。

本发明还包括主控单元和采集单元，主控单元包括傅里叶变换模块、阻抗谱计算模块和M序列波形发生器，采集单元包括了两个运算放大器和两个模数转换器，采集单元的其中一个运算放大器的两个输入端分别连接到被测电化学系统输出端的两极，被测电化学系统输出端的串联有分流电阻器，另一个运算放大器的两个输入端分别连接到分流电阻器的两端；两个运算放大器的输出端分别经各自的模数转换器连接到傅里叶变换模块，傅里叶变换模块连接到阻抗谱计算模块；M序列波形发生器连接到所述的可控恒流源电路的数模转换器的输入端；采集单元通过两个运算放大器分别采集被测电化学系统的扰动电流与响应电压的模拟信号数据，经模数转换器转化为数字信号后输入主控单元的傅里叶变换模块进行傅里叶变换，再输入到阻抗谱计算模块进行计算，阻抗谱计算模块输出电化学阻抗谱。

本发明的有益效果是：

本发明在被测电化学系统的输出端并联一个可控恒流源电路，通过控制恒流源电路在被测系统的输出电流中注入M序列形式的脉冲扰动电流，对采集得到的扰动电流与响应电压数据使用基于快速傅里叶变换的阻抗计算方法获得电化学阻抗谱，相比传统的通过正弦波扫频的电化学阻抗谱测量方式，测量时间显著缩短。

本发明解决了传统的电化学阻抗谱测量方法耗时长，设备昂贵，不适合在线应用的问题，仅使用简单的可控恒流源电路即可完成扰动注入，降低了设备成本，为阻抗谱技术的在线应用提供了基础。

附图说明

图1是本发明中快速电化学阻抗谱测量的系统结构图。

图2是本发明中快速电化学阻抗谱测量的运行流程图。

图3是本发明实施例中质子交换膜燃料电池输出电压和电流变化图。

图4是本发明实施例中质子交换膜燃料电池电化学阻抗谱测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，在被测电化学系统的输出端并联一个可控恒流源电路，首先通过控制可控恒流源电路在被测电化学系统的输出电流中注入M序列形式的脉冲扰动电流，接着在被测电化学系统的输出端进行采集获得扰动电流与响应电压，对采集得到的扰动电流与响应电压数据使用基于快速傅里叶变换的阻抗计算方法获得电化学阻抗谱。

具体实施中，所述的被测电化学系统包括燃料电池和负载，负载和可控恒流源电路并联在燃料电池的两端。具体实施中，燃料电池为质子交换膜燃料电池。

如图1所示，可控恒流源电路主要由数模转换器、MOS管Q、反馈电阻Rs、运算放大器G和补偿电容C组成，数模转换器输出端连接到运算放大器G的正向输入端，运算放大器G的输出端连接到MOS管Q的栅极，运算放大器G负向输入端连接到MOS管Q的源极，MOS管Q的漏极连接到被测电化学系统输出端的正极，运算放大器G的输出端经补偿电容C连接到MOS管Q的源极，MOS管Q的源极经反馈电阻Rs连接到被测电化学系统输出端的负极。其中MOS管Q工作在线性区，反馈电阻R_s用来采样电流，并通过运算放大器G构成负反馈电路。补偿电容C的作用是提高反馈电路的稳定性。

数模转换器输出端输出参考电压V_ref到运算放大器G，通过运算放大器G比较后输出，进而控制MOS管Q的导通，进而实现在反馈电阻Rs产生并控制注入M序列形式的脉冲扰动电流；

恒流电流I_p可以通过参考电压V_ref设定，在实际运行过程中，通过交替改变V_ref的大小，就可以实现脉冲扰动电流的注入。恒流电流I_p与参考电压V_ref的关系具体是：

使用M序列作为激励信号，M序列的有效带宽具体如下：

其中，f_s为M序列的时钟频率，n为阶数，f_max表示M序列的有效带宽的上限，f_min表示M序列的有效带宽的下限。

在实际应用中，为了减小激励信号的长度，可以使用多段不同的M序列来覆盖不同范围的阻抗谱频率测量区间。

本发明使用基于快速傅里叶变换的阻抗计算方法获得电化学阻抗谱，具体是将测量得到的扰动电流和响应电压数据分别进行傅里叶变换，被测系统的阻抗可以通过电压的傅里叶变换结果除以电流的傅里叶变换结果得到。

被测电化学系统的输出端采集获得的扰动电流i(t)与响应电压u(t)先进行快速傅里叶变换得到变换后的电流U(ω)和变换后的电压I(ω)，然后采用以下公式求解阻抗：

其中，Z(ω)表示阻抗。

如图1、图2所示，本发明还包括主控单元和采集单元，主控单元包括傅里叶变换模块、阻抗谱计算模块和M序列波形发生器，采集单元包括了两个运算放大器和两个模数转换器，采集单元的其中一个运算放大器的两个输入端分别连接到被测电化学系统输出端的两极，被测电化学系统输出端的串联有分流电阻器，另一个运算放大器的两个输入端分别连接到分流电阻器的两端；两个运算放大器的输出端分别经各自的模数转换器连接到傅里叶变换模块，傅里叶变换模块连接到阻抗谱计算模块；M序列波形发生器连接到所述的可控恒流源电路的数模转换器的输入端；采集单元通过两个运算放大器分别采集被测电化学系统的扰动电流与响应电压的模拟信号数据，经模数转换器转化为数字信号后输入主控单元的傅里叶变换模块进行傅里叶变换，再输入到阻抗谱计算模块进行计算，阻抗谱计算模块输出电化学阻抗谱。

采集单元具体工作过程为：在电流注入过程中，需要对被测电化学系统的电压和电流进行采集，为了提高测量精度，电流采样使用串联分流电阻器实现。电池的电压和电流分别通过采集单元的两个运算放大器转换为0-5V的电压信号后，由两个模数转换器(模拟-数字变换器)转化为数字信号后进行采集，采样频率设置为50kHz。

本实施例中燃料电池选用质子交换膜燃料电池。燃料电池的输出端串联一个分流电阻器用来测量输出电流，与负载以及可控恒流源电路并联。可控恒流源电路由一个数字-模拟变换器输出的参考电压V_ref进行控制，通过交替变化参考电压V_ref的值实现M序列信号的注入。

本实施例在一个质子交换膜燃料电池实验平台中进行，使用的燃料电池功率为3kW，片数为18片。对于质子交换膜燃料电池来说，处于0.5Hz-500Hz频率区间的阻抗谱已经可以反映足够的阻抗信息，因此将这个区间设置为电化学阻抗谱的测量范围。为了进一步减小激励波形的周期，本发明采用双M序列作为输入信号，依次输入两端M序列激励信号分别对不同频率范围的电化学阻抗谱进行测量。低频M序列的时钟频率为200Hz，阶数为11，测量带宽为0.5Hz-60Hz；高频M序列的时钟频率为1500Hz，阶数为13，测量带宽为60Hz-500Hz。为了在保证测量精度的同时减小对燃料电池的扰动，激励电流的幅值选择为燃料电池工作电流的5％。

如图2所示，在系统运行过程中，可控恒流源电路收到触发信号开始将两段M序列激励信号注入燃料电池的输出电流中，燃料电池的额定输出电流为150A，激励电流的幅值设定为7.5A。燃料电池的电压和电流通过信号处理电路转换为适合测量的标准信号后由模拟-数字变换器采集并保存，采样频率为50kHz，实验中燃料电池输出的电压和电流变化如图3所示。

信号注入完成后，对采集得到的电压和电流序列进行快速傅里叶变换并求解得到电化学阻抗谱。如图4所示，电化学阻抗谱的“△”部分和“○”部分分别由高频M序列和低频M序列激励测量得到。本次实验中，激励信号的长度为16s，计算阻抗谱花费的时间为5s，因此阻抗谱的总共测量时间为21s，

本发明通过使用并联在被测电化学系统两端的恒流源电路在系统中注入M序列形式的脉冲扰动电流，对扰动电流与响应电压进行采集并使用傅里叶变换方法进行电化学阻抗谱计算，相比传统的通过正弦波扫频的电化学阻抗谱测量方式，测量时间显著缩短。因此，本方法实现了快速电化学阻抗谱测量，仅需使用简单的可控恒流源电路即可完成扰动注入，降低了设备成本，为阻抗谱技术的在线应用提供了基础。