電化學工作站交流阻抗怎麼測

1. 請教電池交流阻抗測試方法

目前，電池阻抗的測量方法主要有兩種，一是單一頻率逐次測量法，二是多頻率的快速測量方法。
基於外部提供單一正弦頻率的激勵設備進行阻抗測量的方法，雖然具有較高的測量精度，但是其測量電池的阻抗譜，如測量0.01hz～1000hz頻率的阻抗譜，往往需要數分鍾的時間。此外，基於單一正弦頻率的激勵測量方法只能應用於離線的阻抗測量，且具有較高的成本。
對於多頻率快速測量方法的研究，主要依靠信號處理的手段，如快速傅里葉變換(fft)，離散拉普拉斯變換(dft)等。上述基於傅里葉變換以及拉普拉斯變換獲取電池阻抗的方法，雖然從一定程度上實現了電池阻抗的獲取，但是由於電池阻抗具有一定時效性，不同時刻的電池阻抗是不同的，而傅里葉變換包括快速傅里葉變換缺少信號的時域信息，這一特性使得通過該方法獲得的阻抗具有不確定性。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種充電時蓄電池阻抗快速測量方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種充電時蓄電池阻抗快速測量方法，用以在電池充放電過程中獲得蓄電池阻抗，包括以下步驟：
1)將待測量蓄電池和充電裝置連接；
2)利用充電裝置對待測量蓄電池進行充電和放電產生電流階躍信號，生成變化的電流和電壓；
3)在蓄電池充放電期間採集蓄電池上的電壓和電流信號；
4)分別對采樣採集到的蓄電池電壓和電流進行小波分析，並通過電壓與電流小波變換系數之比得到蓄電池阻抗值。
所述的步驟2)中，利用跳變電流進行阻抗測量計算，實際應用時跳變電流方向可選正或負，跳變前的電流可為0或不為0，產生電流階躍信號的四種情況實際上是電流方向和跳變前電流的四種組合，則有：
待測量蓄電池初始狀態為輸入或輸出電流為0，利用充電裝置對待測量蓄電池進行充電，產生充電電流階躍信號；
待測量蓄電池初始狀態為輸入或輸出電流為0，利用充電裝置對待測量蓄電池進行放電，產生放電電流階躍信號；
待測量蓄電池初始狀態為輸入或輸出電流不為0，利用充電裝置對待測量蓄電池進行充電，產生電流階躍信號；
待測量蓄電池初始狀態為輸入或輸出電流不為0，利用充電裝置對待測量蓄電池進行放電，產生電流階躍信號。
所述的步驟3)中，分別對電池包、並聯電池模組和電池單體的電壓、電流進行測量。
所述的步驟4)的小波分析中採用morlet小波作為小波基。
所述的步驟4)具體包括以下步驟：
41)對電流信號進行分析時刻提取，選擇電壓和電流信號變化的瞬間時刻作為分析時刻b；
42)根據香農熵最小原理確定帶寬參數fb和中心頻率fc；
43)根據阻抗測量需求確定分析頻率f，採用公式a＝fc/f確定尺度因子a；
44)計算電壓和電流信號在尺度因子a、分析時刻b、帶寬參數fb和中心頻率fc下的小波變換系數，分別得到電壓小波系數u(a,b)和電流小波系數i(a,b)；
45)根據阻抗計算公式z＝u(a,b)/i(a,b)計算電池的阻抗。
所述的步驟41)中，提取電流信號進行分析時刻具體包括以下步驟：
411)對電流信號進行交叉窗分段處理；
412)根據每一段信號的標准差，獲取發生變化的信號所在的信號段，即目標信號段；
413)對目標信號段進行低通濾波處理；
414)對處理後的目標信號逐一求導，獲取變化信號的開始時刻，即為分析時刻b。
電壓小波系數u(a,b)和電流小波系數i(a,b)的計算式分別為：

其中，u(t)為電壓信號，i(t)為電流信號，為母小波ψ(t)在尺度因子a和平移因子b下的子小波，t為時間。
小波分析時刻的選取還可以由控制充電裝置產生相應階躍波形的控制器直接給出。
本發明所提出的充電時電池阻抗快速測量方法主要包括充電裝置連接，施加電流階躍信號，電壓、電流值采樣和阻抗計算四個關鍵步驟，與現有技術相比，本發明方法優點如下：
(1)不需要外界設備施加正弦激勵，只需在電池充電時利用充電裝置產生一個階躍電流信號作用到電池上，通過電池電壓和電流測量裝置單元測量電壓和電流信號後再利用本發明所述方法即可進行電池阻抗測量計算；
(2)寬頻阻抗計算時間短，相比於單一正弦頻率逐次施加至電池上，本發明方法利用階躍信號諧波成分豐富的特點可在短時間內實現寬頻率的阻抗測量計算。
總之，本發明所述方法可進行快速、准確的阻抗測量，為阻抗測量實時性要求高的應用場合提供基礎。
附圖說明
圖1為本發明的總體流程框圖。
圖2為實施例中充放電瞬間得到的電壓、電流波形，其中，圖(2a)為在開關閉合時的電流波形，圖(2b)為在開關閉合時的電壓波形。
圖3為本發明所提出的方法所測量得到的阻抗值與真實值的對比。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
實施例
本發明以電池的阻抗作為目標，而阻抗是一個包含幅值和相角的復值對象，因此在小波類型上應該選擇復值小波，復值小波可以很好的表達相位信息。此外，電池阻抗的研究一方面會涉及到信號特徵提取，另一方面還要對信號進行頻域上的定位，因此需要選擇非正交小波作為小波基函數。morlet小波是由gaussian函數調節的指數復值小波，其虛部是實部的hilbert變換，滿足復值小波和非正交小波的要求。並且morlet小波基可以達到與信號相匹配的時間或頻率解析度，能夠提供顯式的尺度與頻率的關系，非常適用於阻抗的計算。此外，morlet小波中還包含著更多的振動信息，小波功率可以將正、負峰值包含在一個寬峰之中，因此本發明採用morlet小波作為小波基進行研究。
morlet小波的數學表達式為：

其中，fc表示函數的中心頻率，fb表示帶寬變數。改變fc可以改變小波分析時的目標頻率成分。
對於一個信號f(t)，它的morlet連續小波變換分解為：

式(2)中，w(a,b)為小波變換系數，a為尺度因子(a>0)，b為平移因子，為ψ(t)的共軛函數，ψa,b(t)為母小波ψ(t)在尺度因子a和平移因子b下的子小波。
對於電池的阻抗測量，可分別對同一時刻的電壓和電流的時域信號做以morlet小波為基的小波變換：

則電池阻抗表達式為：

由於小波變換的本質是對信號進行濾波和分解，是將信號分解到各個頻率上，認為無需對電池從外部載入激勵信號，可利用電池本身放電過程中產生的電信號變化(如開關瞬間的電壓和電流信號)作為分析對象，這樣就無需外部激勵源，從而簡化系統。
本例中的實驗對象採用容量為2850mah三星18650型鋰離子電池，在充放電瞬間得到的電壓、電流波形，電流為500ma階躍，如圖2所示。採用采樣率10khz對電池電壓和電流信號進行測量。按照本發明所述方法進行阻抗快速計算。通過在電壓、電流變化時刻進行小波分析，可以得到如圖3所示的不同頻率下的電池阻抗譜。且可以看到所測量得到的阻抗與真實值相接近。

2. 電化學工作站可以測試工作狀態下燃料電池的交流阻抗嗎

這是可以的，我以前用德國Zahner公司的電化學工作站就可以測。但因為工作狀態下的燃料電池的交流阻抗通常是不穩定的，所以用儀器測出來的阻抗結果也是相應不太穩定的。如要准確測定交流阻抗，建議讓電池在穩定的狀態下進行測試。

3. eis圖譜怎麼看阻抗

電化學阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectros，簡寫為 EIS)又叫交流阻抗譜，在電化學工作站測試中叫作交流阻抗(AC Impedance)。阻抗測量原本是電學中研究線性電路網路頻率響應特性的一種方法，引用到研究電極過程，成了電化學研究中的一種實驗方法，在三電極系統下，測量工作電極的阻抗。常見的電化學阻抗譜有兩種：一種叫作奈奎斯特圖（Nyquist plot），一種叫作波特圖（Bode plot）；還有一種相點陣圖。

4. 哪一種電化學工作站測交流阻抗能達到12個數量級以上

德國Zahner公司生產的電化學工作站就可以測。進口品牌中就它做超高阻抗和超微電流了做得最好了。

5. 電化學工作站能測什麼

電化學工作站既能檢測電池電壓、電流、容量等基本參數，又能檢測體現電池反應機理的交流阻抗參數，從而完成對多種狀態下電池參數的跟蹤和分析。電化學工作站是電化學測量系統的簡稱，是電化學研究和教學常用的測量設備。其主要有2大類，單通道工作站和多通道工作站，應用於生物技術、物質的定性定量分析等。

電化學工作站可直接用於超微電極上的穩態電流測量。如果與微電流放大器及屏蔽箱連接，可測量1pA或更低的電流。如果與大電流放大器連接，電流范圍可拓寬為±100A。某些實驗方法的時間尺度的數量級可達l0倍，動態范圍極為寬廣，一些工作站甚至沒有時間記錄的限制。可進行循環伏安法、交流阻抗法、交流伏安法、電流滴定、電位滴定等測量。

電化學工作站可以同時進行兩電極、三電極及四電極的工作方式。四電極可用於液/液界面電化學測量，對於大電流或低阻抗電解池(例如電池)也十分重要，可消除由於電纜和接觸電阻引起的測量誤差。儀器還有外部信號輸入通道，可在記錄電化學信號的同時記錄外部輸入的電壓信號，例如光譜信號，快速動力學反應信號等。這對光譜電化學，電化學動力學等實驗極為方便。