[发明专利]一种基于电流脉冲注入的快速电化学阻抗谱测量方法

说明书

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。

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。