电化学工作站交流阻抗怎么测

1. 请教电池交流阻抗测试方法

目前，电池阻抗的测量方法主要有两种，一是单一频率逐次测量法，二是多频率的快速测量方法。
基于外部提供单一正弦频率的激励设备进行阻抗测量的方法，虽然具有较高的测量精度，但是其测量电池的阻抗谱，如测量0.01hz～1000hz频率的阻抗谱，往往需要数分钟的时间。此外，基于单一正弦频率的激励测量方法只能应用于离线的阻抗测量，且具有较高的成本。
对于多频率快速测量方法的研究，主要依靠信号处理的手段，如快速傅里叶变换(fft)，离散拉普拉斯变换(dft)等。上述基于傅里叶变换以及拉普拉斯变换获取电池阻抗的方法，虽然从一定程度上实现了电池阻抗的获取，但是由于电池阻抗具有一定时效性，不同时刻的电池阻抗是不同的，而傅里叶变换包括快速傅里叶变换缺少信号的时域信息，这一特性使得通过该方法获得的阻抗具有不确定性。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种充电时蓄电池阻抗快速测量方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种充电时蓄电池阻抗快速测量方法，用以在电池充放电过程中获得蓄电池阻抗，包括以下步骤：
1)将待测量蓄电池和充电装置连接；
2)利用充电装置对待测量蓄电池进行充电和放电产生电流阶跃信号，生成变化的电流和电压；
3)在蓄电池充放电期间采集蓄电池上的电压和电流信号；
4)分别对采样采集到的蓄电池电压和电流进行小波分析，并通过电压与电流小波变换系数之比得到蓄电池阻抗值。
所述的步骤2)中，利用跳变电流进行阻抗测量计算，实际应用时跳变电流方向可选正或负，跳变前的电流可为0或不为0，产生电流阶跃信号的四种情况实际上是电流方向和跳变前电流的四种组合，则有：
待测量蓄电池初始状态为输入或输出电流为0，利用充电装置对待测量蓄电池进行充电，产生充电电流阶跃信号；
待测量蓄电池初始状态为输入或输出电流为0，利用充电装置对待测量蓄电池进行放电，产生放电电流阶跃信号；
待测量蓄电池初始状态为输入或输出电流不为0，利用充电装置对待测量蓄电池进行充电，产生电流阶跃信号；
待测量蓄电池初始状态为输入或输出电流不为0，利用充电装置对待测量蓄电池进行放电，产生电流阶跃信号。
所述的步骤3)中，分别对电池包、并联电池模组和电池单体的电压、电流进行测量。
所述的步骤4)的小波分析中采用morlet小波作为小波基。
所述的步骤4)具体包括以下步骤：
41)对电流信号进行分析时刻提取，选择电压和电流信号变化的瞬间时刻作为分析时刻b；
42)根据香农熵最小原理确定带宽参数fb和中心频率fc；
43)根据阻抗测量需求确定分析频率f，采用公式a＝fc/f确定尺度因子a；
44)计算电压和电流信号在尺度因子a、分析时刻b、带宽参数fb和中心频率fc下的小波变换系数，分别得到电压小波系数u(a,b)和电流小波系数i(a,b)；
45)根据阻抗计算公式z＝u(a,b)/i(a,b)计算电池的阻抗。
所述的步骤41)中，提取电流信号进行分析时刻具体包括以下步骤：
411)对电流信号进行交叉窗分段处理；
412)根据每一段信号的标准差，获取发生变化的信号所在的信号段，即目标信号段；
413)对目标信号段进行低通滤波处理；
414)对处理后的目标信号逐一求导，获取变化信号的开始时刻，即为分析时刻b。
电压小波系数u(a,b)和电流小波系数i(a,b)的计算式分别为：

其中，u(t)为电压信号，i(t)为电流信号，为母小波ψ(t)在尺度因子a和平移因子b下的子小波，t为时间。
小波分析时刻的选取还可以由控制充电装置产生相应阶跃波形的控制器直接给出。
本发明所提出的充电时电池阻抗快速测量方法主要包括充电装置连接，施加电流阶跃信号，电压、电流值采样和阻抗计算四个关键步骤，与现有技术相比，本发明方法优点如下：
(1)不需要外界设备施加正弦激励，只需在电池充电时利用充电装置产生一个阶跃电流信号作用到电池上，通过电池电压和电流测量装置单元测量电压和电流信号后再利用本发明所述方法即可进行电池阻抗测量计算；
(2)宽频阻抗计算时间短，相比于单一正弦频率逐次施加至电池上，本发明方法利用阶跃信号谐波成分丰富的特点可在短时间内实现宽频率的阻抗测量计算。
总之，本发明所述方法可进行快速、准确的阻抗测量，为阻抗测量实时性要求高的应用场合提供基础。
附图说明
图1为本发明的总体流程框图。
图2为实施例中充放电瞬间得到的电压、电流波形，其中，图(2a)为在开关闭合时的电流波形，图(2b)为在开关闭合时的电压波形。
图3为本发明所提出的方法所测量得到的阻抗值与真实值的对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明以电池的阻抗作为目标，而阻抗是一个包含幅值和相角的复值对象，因此在小波类型上应该选择复值小波，复值小波可以很好的表达相位信息。此外，电池阻抗的研究一方面会涉及到信号特征提取，另一方面还要对信号进行频域上的定位，因此需要选择非正交小波作为小波基函数。morlet小波是由gaussian函数调节的指数复值小波，其虚部是实部的hilbert变换，满足复值小波和非正交小波的要求。并且morlet小波基可以达到与信号相匹配的时间或频率分辨率，能够提供显式的尺度与频率的关系，非常适用于阻抗的计算。此外，morlet小波中还包含着更多的振动信息，小波功率可以将正、负峰值包含在一个宽峰之中，因此本发明采用morlet小波作为小波基进行研究。
morlet小波的数学表达式为：

其中，fc表示函数的中心频率，fb表示带宽变量。改变fc可以改变小波分析时的目标频率成分。
对于一个信号f(t)，它的morlet连续小波变换分解为：

式(2)中，w(a,b)为小波变换系数，a为尺度因子(a>0)，b为平移因子，为ψ(t)的共轭函数，ψa,b(t)为母小波ψ(t)在尺度因子a和平移因子b下的子小波。
对于电池的阻抗测量，可分别对同一时刻的电压和电流的时域信号做以morlet小波为基的小波变换：

则电池阻抗表达式为：

由于小波变换的本质是对信号进行滤波和分解，是将信号分解到各个频率上，认为无需对电池从外部加载激励信号，可利用电池本身放电过程中产生的电信号变化(如开关瞬间的电压和电流信号)作为分析对象，这样就无需外部激励源，从而简化系统。
本例中的实验对象采用容量为2850mah三星18650型锂离子电池，在充放电瞬间得到的电压、电流波形，电流为500ma阶跃，如图2所示。采用采样率10khz对电池电压和电流信号进行测量。按照本发明所述方法进行阻抗快速计算。通过在电压、电流变化时刻进行小波分析，可以得到如图3所示的不同频率下的电池阻抗谱。且可以看到所测量得到的阻抗与真实值相接近。

2. 电化学工作站可以测试工作状态下燃料电池的交流阻抗吗

这是可以的，我以前用德国Zahner公司的电化学工作站就可以测。但因为工作状态下的燃料电池的交流阻抗通常是不稳定的，所以用仪器测出来的阻抗结果也是相应不太稳定的。如要准确测定交流阻抗，建议让电池在稳定的状态下进行测试。

3. eis图谱怎么看阻抗

电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectros，简写为 EIS)又叫交流阻抗谱，在电化学工作站测试中叫作交流阻抗(AC Impedance)。阻抗测量原本是电学中研究线性电路网络频率响应特性的一种方法，引用到研究电极过程，成了电化学研究中的一种实验方法，在三电极系统下，测量工作电极的阻抗。常见的电化学阻抗谱有两种：一种叫作奈奎斯特图（Nyquist plot），一种叫作波特图（Bode plot）；还有一种相位图。

4. 哪一种电化学工作站测交流阻抗能达到12个数量级以上

德国Zahner公司生产的电化学工作站就可以测。进口品牌中就它做超高阻抗和超微电流了做得最好了。

5. 电化学工作站能测什么

电化学工作站既能检测电池电压、电流、容量等基本参数，又能检测体现电池反应机理的交流阻抗参数，从而完成对多种状态下电池参数的跟踪和分析。电化学工作站是电化学测量系统的简称，是电化学研究和教学常用的测量设备。其主要有2大类，单通道工作站和多通道工作站，应用于生物技术、物质的定性定量分析等。

电化学工作站可直接用于超微电极上的稳态电流测量。如果与微电流放大器及屏蔽箱连接，可测量1pA或更低的电流。如果与大电流放大器连接，电流范围可拓宽为±100A。某些实验方法的时间尺度的数量级可达l0倍，动态范围极为宽广，一些工作站甚至没有时间记录的限制。可进行循环伏安法、交流阻抗法、交流伏安法、电流滴定、电位滴定等测量。

电化学工作站可以同时进行两电极、三电极及四电极的工作方式。四电极可用于液/液界面电化学测量，对于大电流或低阻抗电解池(例如电池)也十分重要，可消除由于电缆和接触电阻引起的测量误差。仪器还有外部信号输入通道，可在记录电化学信号的同时记录外部输入的电压信号，例如光谱信号，快速动力学反应信号等。这对光谱电化学，电化学动力学等实验极为方便。