一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统及测量方法，系统包括：数字波形调制模块、激励扰动模块、采集链路模块、数字解调模块，所述数字波形调制模块的输出端与激励扰动模块的输入端连接，所述激励扰动模块的输出端连接至采集链路模块的输入端，所述激励扰动模块的测量电极与待测样品连接，所述采集链路模块的输出端与数字解调模块的输入端连接。本发明专利技术解决了现有解决了电化学阻抗谱测量方法的耗时和精度无法兼顾的问题；突破了现有技术中对特定的测试频率的限制，为阻抗谱技术的广泛应用提供了基础。阻抗谱技术的广泛应用提供了基础。阻抗谱技术的广泛应用提供了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统及测量方法


[0001]本专利技术涉及电化学阻抗谱测量
，更具体地，涉及一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统及测量方法。

技术介绍

[0002]电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)是在电池、燃料电池、超级电容器、电解水/二氧化碳等电化学能源领域中最重要的测量与分析方法之一。
[0003]电化学阻抗谱定义为系统响应电压信号和激励电流信号或响应电流和激励电压的幅度之比和相位之差在一定频率范围内的变化，即电化学阻抗谱定义为目标频率范围内的系统传递函数。
[0004]在传统的电化学阻抗谱测试中，对待测样品施加单一频率的正弦激励，采用频率响应技术(frequency response analysis，FRA)，检测响应电压信号和激励电流信号的幅值信息和相位信息，通过计算并循环扫频，获取特定频率范围的阻抗谱数据。传统的基于频率响应技术的电化学阻抗谱测试方法具有测试结果稳定性好、精度高等优点。但是，由于一次测试一个频点，测试时间与测试频率范围、测试点数、测试周期数成正相关，导致测试时间冗长，常常无法应用于实时诊断的场景。
[0005]现有技术公开了一种锂离子电池组电化学阻抗谱在线测量装置。该方案将各频率的正弦波进行分组，将分组后的各频率的正弦波分别加载到最低频正弦信号的不同区段；对响应电压信号进行快速傅氏变换，得到阻抗谱。但该方案由于采用傅里叶变换进行时域
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频域转换，受限于傅里叶变换的分辨率、采样点数、系统采样率，存在频谱泄露的问题，导致其测量精度有限，所测频率控制不灵活，只能作较为粗略的阻抗谱估计，频率范围有限，仅能实现为0.1Hz～10kHz。现有技术还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。该方案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，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。但是由于M序列形式的脉冲扰动电流的的频谱特性的限制，其有用信号能量不集中、各频率频谱分量不固定，所需激励信号幅度大，再者同样由于采用傅里叶变换进行时域
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频域转换，受限于傅里叶变换的分辨率、采样点数、系统采样率，存在频谱泄露的问题，导致其测量精度有限，且所测频率范围有限，仅能实现为0.5Hz～500Hz。
[0006]在电化学阻抗谱测试领域中，现有技术存在测试精准度和测试时间无法同时兼顾的问题，传统电化学阻抗谱测试方法测试结果精准但耗时长，现有技术中的快速电化学阻抗谱测试方法测试时间短但测试精度低，导致电化学阻抗谱这一测量与分析方法的广泛应用受限。

技术实现思路

[0007]本专利技术为克服上述现有的电化学阻抗谱测量无法兼顾测量精度和测量时长的缺
陷，提供一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统及测量方法。
[0008]本专利技术的首要目的是为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0009]本专利技术第一方面提供一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，包括：
[0010]数字波形调制模块、激励扰动模块、采集链路模块、数字解调模块，所述数字波形调制模块的输出端与激励扰动模块的输入端连接，所述激励扰动模块的输出端连接至采集链路模块的输入端，所述激励扰动模块的测量电极与待测样品连接，所述采集链路模块的输出端与数字解调模块的输入端连接。
[0011]进一步的，所述数字波形调制模块包括测试条件控制模块、正弦波发生器组模块和波形叠加器模块，所述测试条件控制模块用于设置所述正弦波发生器组的频率控制字、相位控制字和幅度控制字，所述正弦波发生器组由多个独立的正弦波发生器并行组成，依据频率控制字、相位控制字和幅度控制字输出一组不同的单一频率的正弦波数字信号；所述波形叠加器将多个单一频率的正弦波数字信号叠加为一个含有多个频率分量的数字波形信号。
[0012]进一步的，所述激励扰动模块包括DAC数模转换模块、抗镜像滤波器模块、恒电流仪模块，所述DAC数模转换模块用于将数字波形信号转换为模拟波形信号，所述抗镜像滤波器用于滤除所述DAC数模转换模块输出的模拟波形信号中的高次谐波成分，实现输出信号的高信噪比，所述恒电流仪模块用于提高输出驱动能力，将所述模拟波形信号施加到待测样品中，并检测待测样品的响应电压信号和响应电流信号。
[0013]进一步的，所述恒电流仪模块包括：输入电阻R1、反馈电阻R2、控制运算放大器U1、功率运算放大器U2、三电极单元、电压采集仪表放大器U3、可变电流采样电阻Rm、电流采集仪表放大器U4，具体连接关系为：输入电压通过所述输入电阻R1与所述控制运算放大器U1的反相端连接；所述控制运算放大器U1的同相端连接到参考地，输出端连接到所述功率放大器U2的输入端，反相端还通过所述反馈电阻R2连接到所述电流采集仪表放大器U4的输出端，所述功率放大器U2的输出端连接到所述三电极单元的CE极，所述电压采集仪表放大器U3的同相端连接到所述三电极单元的RE极，所述三电极单元的WE极同时连接到所述电压采集仪表放大器U3的反相端、所述电流采集仪表放大器的同相端、所述可变电流采样电阻Rm的第一端；所述可变电流采样电阻Rm的第二端和所述电流采集仪表放大器U4的反相端同时连接到参考地。
[0014]进一步的，所述采集链路模块包括：程控放大电路模块、抗混叠滤波器模块、ADC模数转换模块，所述程控放大电路模块用于将所述恒电流仪模块输出的微弱的响应电压信号和响应电流信号进行适当的放大，所述抗混叠滤波器用于滤除带外噪声，提高信号的信噪比，所述ADC模数转换模块对滤波后的模拟信号进行采样，将转换后的数字信号输入给所述数字解调模块。
[0015]进一步的，所述数字解调模块包括分组解调模块、滤波器组模块、阻抗谱计算模块，所述分组解调模块对采样后的数字信号，分别与所述正弦波发生器组模块产生的多个单频正弦波信号相乘，将响应数字信号相同的频率分量解调为直流分量和二倍频分量，而其他不同频率分量则调制为和频分量和差频分量，所述滤波器组模块实现数字低通滤波器的功能，滤除所述分组解调模块输出的解调信号的其他频率分量，只保留直流分量，该直流
分量即响应电压信号或响应电流信号的实部或者虚部的幅值信息，所述阻抗谱计算模块依据欧姆定律，同时将所述多个频率分量的响应电压信号和响应电流信号的幅值相除，相位相减，计算得到阻抗谱。
[0016]本专利技术第二方面提供了一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量方法，所述方法用于所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，包括以下步骤：
[0017]S1：将测试频率段分组，确定每组的频率点，利用数字波形调制模块输出包含有多个频率分量的数字波形信号；
[0018]S2：将激励扰动模块电极分别与待测样品连接，并将数字波形信号转换为模拟波形信号施加到待测样品中；
[0019]S3：采集待测样品的模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，包括：数字波形调制模块、激励扰动模块、采集链路模块、数字解调模块，所述数字波形调制模块的输出端与激励扰动模块的输入端连接，所述激励扰动模块的输出端连接至采集链路模块的输入端，所述激励扰动模块的测量电极与待测样品连接，所述采集链路模块的输出端与数字解调模块的输入端连接。2.根据权利要求1所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，所述数字波形调制模块包括测试条件控制模块、正弦波发生器组模块和波形叠加器模块，所述测试条件控制模块用于设置所述正弦波发生器组的频率控制字、相位控制字和幅度控制字，所述正弦波发生器组由多个独立的正弦波发生器并行组成，依据频率控制字、相位控制字和幅度控制字输出一组不同的单一频率的正弦波数字信号；所述波形叠加器将多个单一频率的正弦波数字信号叠加为一个含有多个频率分量的数字波形信号。3.根据权利要求1所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，所述激励扰动模块包括DAC数模转换模块、抗镜像滤波器模块、恒电流仪模块，所述DAC数模转换模块用于将数字波形信号转换为模拟波形信号，所述抗镜像滤波器用于滤除所述DAC数模转换模块输出的模拟波形信号中的高次谐波成分，实现输出信号的高信噪比，所述恒电流仪模块用于提高输出驱动能力，将所述模拟波形信号施加到待测样品中，并检测待测样品的响应电压信号和响应电流信号。4.根据权利要求1所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，所述恒电流仪模块包括：输入电阻R1、反馈电阻R2、控制运算放大器U1、功率运算放大器U2、三电极单元、电压采集仪表放大器U3、可变电流采样电阻Rm、电流采集仪表放大器U4，具体连接关系为：输入电压通过所述输入电阻R1与所述控制运算放大器U1的反相端连接；所述控制运算放大器U1的同相端连接到参考地，输出端连接到所述功率放大器U2的输入端，反相端还通过所述反馈电阻R2连接到所述电流采集仪表放大器U4的输出端，所述功率放大器U2的输出端连接到所述三电极单元的CE极，所述电压采集仪表放大器U3的同相端连接到所述三电极单元的RE极，所述三电极单元的WE极同时连接到所述电压采集仪表放大器U3的反相端、所述电流采集仪表放大器的同相端、所述可变电流采样电阻Rm的第一端；所述可变电流采样电阻Rm的第二端和所述电流采集仪表放大器U4的反相端同时连接到参考地。5.根据权利要求1所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，所述采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：王自鑫，杨帆，冯昊鹏，黄俊龙，钟哲滔，陈弟虎，戴宗，谢曦，崔国峰，蔡志岗，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：