大电流脉冲用于电池研究
前言如果对于测量电池性能，尤其放电过程中电池阻抗变化感兴趣，gamry reference™ 3000电化学工作站结合30k booster电流放大器是不错的选择，它可以快速施加单次或循环大电流脉冲，进行电池循环测试。
图1：reference™ 3000 (左) 、 reference™ 30k booster (右)，以及校准测试用标准电路板 (绿色)。
我们将30k校准测试用标准电路板作为电池，来进行测试。该电路板经过精心设计：
无论是校准电路还是测试电路，都采用真正的四端子传感方式
保证电流测量回路极小的电感
保证电流和电压测量回路之间极小的交互电感
gamry仪器使用校准电路，进行控制电流方式下的阻抗测试时，即使频率达到300 khz，相位差仍小于2°。
本应用报告是我们对gamry仪器深入研究的数据结果。
实验部分测试在reference 3000电化学工作站 和 reference 30k booster电流放大器上进行。30k校准测试用标准电路板始终与30k booster连接。电池的连接使用标配的1米电流线和1.5米电压传感测试线。
绝大多数的测试都是使用电路板的校准电路。校准电路对应一个200 mω 的电阻，以及对电极线缆一侧的一根2.5a保险丝。保险丝可以保护这个1 w的电阻，以免被过大的电流烧坏，保险丝的电阻为34 mω。如果电流脉冲时间足够短，大于保险丝额定电流2.5a的快速电流脉冲，并不会使保险丝熔断。
电路板的测试电路对应一个3 mω、四端子方式连接的电阻。它不需要保险丝，因为可以承受30a电流。
许多测试是在不同的控制放大器速度（ca speed）下进行的，ca speed越快，时间分辨率越高，但同时会牺牲控制放大器的稳定性。
绝大部分数据是用gamry framework™软件来记录的，部分测试需要使用tektronix 2024c数字示波器。
结果与讨论
使用gamry framework™软件，记录在200 mω电池上施加2a脉冲的结果曲线：
下面图2是使用reference 30k booster及reference 3000（3a量程）施加的2a电流脉冲，每次持续200µs。
图2：上方曲线代表电压曲线，下方曲线代表电流曲线；不同颜色对应不同的控制放大器速度ca speed（绿色：fastest；红色：fast；蓝色： norm）。
示波器通过e monitor bnc端口采集的200 mω电池数据：
一根bnc线连接reference 3000后面板的e monitor输出端口和示波器的输入端口。
图3是200 µs内，对校准电路200 mω电池施加2a电流脉冲的电压-时间曲线。ca speed：fast
图3：通过e monitor 端口记录的数据
图4中示波器屏幕截图显示一个非常相似的波形。
图4：示波器记录的数据（与图5条件相同）。
reference 3000 booster在200 mω电池上施加一系列电流脉冲：
图5是gamry仪器施加的一系列电流脉冲。小的2a脉冲不需要30k booster就能实现。大一些的电流（4 a至12 a)需要用到30k booster。从曲线上看，信号转换速率对波形几乎没有影响。
图5：一系列电流脉冲曲线。小电流2a的曲线不需使用30k booster；4a至12a的大电流使用了30k booster。
图6显示的是控制放大器速度ca speed对于8a脉冲的影响。（蓝色曲线：fast；红色曲线：fastest）红色曲线波形为矩形，但上升和下降的瞬间，信号有振荡。
图6：8 a脉冲曲线。ca speed：fast (蓝色)；fastest (红色)
下面图7是4a和8a的脉冲曲线，采用ca speed fastest，信号转换速率对于波形仍然没有影响。
图7：4a（蓝色）和8a（红色）的响应曲线对比。ca speed ：fastest
3 mω电池的测试结果
连接标准电路板的测试电路，该电路对应一个3 mω、 4 w的电阻。30a时，功率消耗仅2.7w，因此，即使有连接错误或振荡，也会比较安全。
图8是在该电池上施加2a脉冲得到的结果，由reference 3000即可进行。上方的系列曲线代表电压；下方曲线代表电流。不同的曲线颜色对应不同的ca speed（绿色：fastest；红色：fast；蓝色：norm）。
图8：对标准电路板的测试电路施加2a脉冲。ca speed（绿色：fastest；红色：fast；蓝色：norm）
ca speed 选择fastest模式时，曲线有略微的振荡。
下面图9是在不同ca speed模式下，对标准电路板的测试电路施加4a脉冲得到的结果，曲线的位置分布和颜色与上图相同。
图9：对标准电路板的测试电路施加4a脉冲得到的结果。ca speed（绿色：fastest；红色：fast；蓝色：norm）。上方曲线：电压；下方曲线：电流
图9中，ca speed选择fastest 和 fast 模式时，曲线都有轻微的振荡。图10是施加4a脉冲，ca speed 选择fastest时的电压波形，示波器通过e monitor监测，同样显示有振荡。
图10：对标准电路板测试电路施加4a脉冲，示波器监测到的电压波形。（ca speed：fastest）
50 µs电流脉冲
图11是在50µs内，对标准电路板校准电路200 mω电阻施加2 a 和4 a电流脉冲得到的曲线。绿色：4a，ca speed（fastest）；红色：4a，ca speed（fast）；蓝色：2a，ca speed（fast）
图11：标准电路板校准电路的50µs脉冲数据。 2 a (蓝色)； 4 a fast (红色) ； 4a fastest (绿色).
边缘部分信号上升瞬间损失的电量，在下降阶段得到了弥补。
30a脉冲
gamry仪器甚至可以施加30a电流脉冲，施加在5mω的低电阻上，如图12所示。
图12：使用reference 3000 以及 30k booster，生成的30a电流脉冲信号。红色曲线代表电流；蓝色代表电压。
总结gamry reference 3000电化学工作站结合reference 30k booster电流放大器，能够在几十微秒内，准确、可靠地生成大电流脉冲信号。信号上升时间τ如下表所示：
仪器 电池 τ（ca speed: fastest） τ（ca speed: fast） τca speed: norm）
reference 3000 200 mω τ < 6 µs ringing τ ≈ 10 µs τ ≈ 29 µs
3 mω τ < 6 µs ringing τ ≈ 7 µs τ ≈ 23 µs
30k booster 200 mω τ < 5 µs ringing τ ≈ 7 µs τ ≈ 17 µs
3 mω τ < 2 µs ringing τ ≈ 6 µs τ ≈ 22 µs
连接待测电池，测量上升时间。
对于电容性电池，恒电流仪模式更加稳定，本应用报告没有讨论这方面的影响。
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无论是校准电路还是测试电路，都采用真正的四端子传感方式
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gamry仪器使用校准电路，进行控制电流方式下的阻抗测试时，即使频率达到300 khz，相位差仍小于2°。
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实验部分测试在reference 3000电化学工作站 和 reference 30k booster电流放大器上进行。30k校准测试用标准电路板始终与30k booster连接。电池的连接使用标配的1米电流线和1.5米电压传感测试线。
绝大多数的测试都是使用电路板的校准电路。校准电路对应一个200 mω 的电阻，以及对电极线缆一侧的一根2.5a保险丝。保险丝可以保护这个1 w的电阻，以免被过大的电流烧坏，保险丝的电阻为34 mω。如果电流脉冲时间足够短，大于保险丝额定电流2.5a的快速电流脉冲，并不会使保险丝熔断。
电路板的测试电路对应一个3 mω、四端子方式连接的电阻。它不需要保险丝，因为可以承受30a电流。
许多测试是在不同的控制放大器速度（ca speed）下进行的，ca speed越快，时间分辨率越高，但同时会牺牲控制放大器的稳定性。
绝大部分数据是用gamry framework™软件来记录的，部分测试需要使用tektronix 2024c数字示波器。
结果与讨论
使用gamry framework™软件，记录在200 mω电池上施加2a脉冲的结果曲线：
下面图2是使用reference 30k booster及reference 3000（3a量程）施加的2a电流脉冲，每次持续200µs。
图2：上方曲线代表电压曲线，下方曲线代表电流曲线；不同颜色对应不同的控制放大器速度ca speed（绿色：fastest；红色：fast；蓝色： norm）。
示波器通过e monitor bnc端口采集的200 mω电池数据：
一根bnc线连接reference 3000后面板的e monitor输出端口和示波器的输入端口。
图3是200 µs内，对校准电路200 mω电池施加2a电流脉冲的电压-时间曲线。ca speed：fast
图3：通过e monitor 端口记录的数据
图4中示波器屏幕截图显示一个非常相似的波形。
图4：示波器记录的数据（与图5条件相同）。
reference 3000 booster在200 mω电池上施加一系列电流脉冲：
图5是gamry仪器施加的一系列电流脉冲。小的2a脉冲不需要30k booster就能实现。大一些的电流（4 a至12 a)需要用到30k booster。从曲线上看，信号转换速率对波形几乎没有影响。
图5：一系列电流脉冲曲线。小电流2a的曲线不需使用30k booster；4a至12a的大电流使用了30k booster。
图6显示的是控制放大器速度ca speed对于8a脉冲的影响。（蓝色曲线：fast；红色曲线：fastest）红色曲线波形为矩形，但上升和下降的瞬间，信号有振荡。
图6：8 a脉冲曲线。ca speed：fast (蓝色)；fastest (红色)
下面图7是4a和8a的脉冲曲线，采用ca speed fastest，信号转换速率对于波形仍然没有影响。
图7：4a（蓝色）和8a（红色）的响应曲线对比。ca speed ：fastest
3 mω电池的测试结果
连接标准电路板的测试电路，该电路对应一个3 mω、 4 w的电阻。30a时，功率消耗仅2.7w，因此，即使有连接错误或振荡，也会比较安全。
图8是在该电池上施加2a脉冲得到的结果，由reference 3000即可进行。上方的系列曲线代表电压；下方曲线代表电流。不同的曲线颜色对应不同的ca speed（绿色：fastest；红色：fast；蓝色：norm）。
图8：对标准电路板的测试电路施加2a脉冲。ca speed（绿色：fastest；红色：fast；蓝色：norm）
ca speed 选择fastest模式时，曲线有略微的振荡。
下面图9是在不同ca speed模式下，对标准电路板的测试电路施加4a脉冲得到的结果，曲线的位置分布和颜色与上图相同。
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图11：标准电路板校准电路的50µs脉冲数据。 2 a (蓝色)； 4 a fast (红色) ； 4a fastest (绿色).
边缘部分信号上升瞬间损失的电量，在下降阶段得到了弥补。
30a脉冲
gamry仪器甚至可以施加30a电流脉冲，施加在5mω的低电阻上，如图12所示。
图12：使用reference 3000 以及 30k booster，生成的30a电流脉冲信号。红色曲线代表电流；蓝色代表电压。
总结gamry reference 3000电化学工作站结合reference 30k booster电流放大器，能够在几十微秒内，准确、可靠地生成大电流脉冲信号。信号上升时间τ如下表所示：
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3 mω τ < 6 µs ringing τ ≈ 7 µs τ ≈ 23 µs
30k booster 200 mω τ < 5 µs ringing τ ≈ 7 µs τ ≈ 17 µs
3 mω τ < 2 µs ringing τ ≈ 6 µs τ ≈ 22 µs
连接待测电池，测量上升时间。
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