一种基于LabVIEW的电化学阻抗谱测量方法

频率响应分析仪相比，本文中设计的测量仪，其扫频 信号由 软件实现，不需要信号 发 生 仪 器；采 集 得 到 的 波 形 成 分，如 幅值相位等也通过软 件 的 方 法 获 取，因 此 也 不 需 要 传 统 的 乘法器或相关器；其硬 件 电 路 简 单，易 于 实 现，并 且 避 免 了 不必要的硬件电路环 节 对 测 量 结 果 带 来 的 影 响，从 而 使 得 测 量 结 果 更 准 确 ；同 时 ，其 界 面 更 友 好 ，使 用 控 制 更 灵 活 ，数 据的存储，导出以及 进 一 步 的 数 据 处 理 更 加 方 便。 对 电 化 学 阻 抗 谱 测 量 仪 向 集 成 ，便 携 式 方 向 发 展 有 重 要 意 义 。
本 文 于 ２０１１ 年 ５ 月 收 到 。
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第 ３４ 卷
电 子 测 量 技 术
据处理做准备。
论在测量进行中，电池的阻抗是否发生变化，从而起 到恒电 流的作用。
测试表明，恒电流仪直流稳 流 精 度 优 于 ５％，最 高 频 率 可 达 到 １０ｋＨｚ。
２ 电 化 学 阻 抗 谱 （ＥＩＳ）测 量 仪 的 软 件 设 计
图 ７ 实 测 的 模 拟 电 池 的 阻 抗 谱
本文在 扫 频 原 理 的 基 础 上，用 ＬａｂＶＩＥＷ 实 现 了 虚 拟 的电化学阻抗 谱 测 量 仪，与 传 统 方 法 相 比，测 量 结 果 更 准 确，用户界面更人性化，测 量 波 形 和 数 据 的 保 存 更 方 便，更 有利于对阻抗谱的进一步的分析和研究。
如图３所示是系统 的 组 成 框 图。 主 要 由 测 量 面 板 （前 面板）、系统总体控制、变 量 更 新、扫 频 频 率 序 列 生 成、信 号 发 生 、数 据 采 集 、数 据 处 理 、显 示 等 部 分 组 成 。
图 ３ 软 件 系 统 的 组 成
２．２ 系 统 总 体 流 程 及 测 量 面 板 控 制 系统的总体流程图如图４所示。系统的总体流程主要
虚拟仪器技术
电 子 测 量 技 术 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
第３４卷 第８期 ２０１１ 年 ８ 月
一种基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的电化学阻抗谱测量方法
韩晓丽 罗伟林 王立欣
（哈 尔 滨 工 业 大 学 电 气 工 程 及 自 动 化 学 院 哈 尔 滨 １５０００１）
图 １ 系 统 组 成
１．２ 数 据 采 集 卡 ＤＡＱ ｃａｒｄ（数据采 集 卡）采 用 ＮＩ公 司 的 ＮＩ－ｍｙＤＡＱ，
它有８位数字输 入 输 出 口 （ＤＩＯ），在 这路模拟信 号 输 入口，可实现双通道同步采集功能，在这里用它们来 同步采 集响应电压和电流信号，并将采集到的信号 以 ＵＳＢ 的 方 式 上传到上位机；有２路模拟信号输出口，在这里分别用 来 给 出测量得到的电池开路电压值以及整个系统所要求的激励 信号。 工 作 时 模 拟 通 道 的 输 入 电 压 范 围 是 －１０ Ｖ ～ ＋１０ Ｖ，采 样 率 最 高 可 达 ２００ｋＳ／ｓ。 １．３ 恒 电 流 仪
图 ８ 理 论 曲 线 、ＣＳ 测 试 仪 结 果 和 实 测 结 果 的 拟 合 曲 线
４ 结 论
图 ５ 测 量 面 板 等效电路模型如图６所示。其理论的阻抗谱是１个半 圆。 本文中设定等效电路的参数为Ｒｕ ＝Ｒｃｔ ＝０．５Ω，Ｃｄ ＝ ９ ４００μＦ。
图 ６ 等 效 电 路 模 型 实测的 模 拟 电 池 系 统 在 频 率 范 围 为 ０．０１ Ｈｚ～１ｋＨｚ 的阻抗谱如图７所示。
３ 利 用 等 效 电 路 设 计 试 验
系统的测量面板如图５所示。测量面板的左边是测试 结果的显示部分，包 括 系 统 的 伯 德 图 及 阻 抗 谱。 右 边 是 系 统 的 控 制 参 量 。 包 括 扫 频 范 围 、频 点 间 隔 、激 励 大 小 等 。
理论阻抗谱与实测理论阻 抗 谱 及 ＣＳ 测 试 仪 测 得 阻 抗 谱的拟合效果如图８所示。 可 看 出 与 ＣＳ 测 试 仪 的 结 果 相 比，实 测 的 数 据 与 理 论 曲 线 能 够 更 好 的 拟 合。 其 中 ＣＳ 测 试仪采用的是武汉科思特仪器 有 限 公 司 生 产 的 ＣＳ 阻 抗 测 试仪。
恒电流仪主要由数控部分和恒流源构成。其中恒流源 是系统的核心 部 分，它 性 能 的 好 坏 直 接 影 响 系 统 的 精 度； Ｖｉｎ 是由数控部分给出的激励信号，数控部分 是 附 加 在 恒 流 源上的一个独立系统，这里用 ＮＩ公 司 的 ＮＩ－ｍｙＤＡＱ（数 据 采 集 卡 ）实 现 ，可 以 通 过 编 程 给 出 任 意 形 式 的 激 励 信 号 。
包 括 系 统 初 始 化 、变 量 更 新 、扫 频 频 率 序 列 生 成 、信 号 产 生 、 配 置 采 集 、采 集 数 据 、数 据 的 处 理 、显 示 以 及 清 除 等 。
图２ 反相加法式恒电流仪电路
由原理 图 ２ 可 以 看 出，Ｉｓ ＝ （Ｖ１Ｒ－ｓＶ２）；Ｖ１ ＝－ （Ｖｉｎ － Ｖ２）；因此可以得到Ｖ１ －Ｖ２ ＝－Ｖｉｎ，即Ｉｓ ＝－ＶＲｉｓｎ，因此，流 经采样电阻的电流完 全 由 输 入 的 控 制 电 压 Ｖｉｎ 决 定，而 不
电化学阻抗谱测量仪的软件设计是在 ＬａｂＶＩＥＷ ２０１０ 开发平台上实现的。ＬａｂＶＩＥＷ 是１种图形化编程语言，直 观易用，模块化，可 以 用 软 件 实 现 多 功 能 信 号 发 生 器 等 功 能［９］，且有与其他软件平台，如 ＭＡＴＬＡＢ 与 数 据 库 等 的 接 口 ，使 ［１０－１３］ 得 系 统 设 计 更 为 方 便 灵 活，用 户 界 面 更 灵 活 友好。 ２．１ 软 件 系 统 的 组 成
０ 引 言
在电化学性能的研 究 过 程 中，多 采 用 测 量 电 化 学 阻 抗 谱的方法。目前 这 项 技 术 已 经 在 蓄 电 池 和 ［１－３］ 贮 氢 合 金 电 极，及防腐材料等研究方面得到应用，近年来国内也开 始 对 锂离子电池电化学阻 抗 谱 进 行 深 入 的 研 究 和 分 析，如 对 锂 离子电池阳极材料尖晶石（ＬｉＭｎ２Ｏ４）中 锂 离 子 的 嵌 入 和 脱 嵌过程的电化学阻 抗 谱 分 析［４］，以 及 对 锂 离 子 电 池 的 电 化 学阻抗谱的研究等 ，这 ［５－６］ 些研究将最终 用 于 电 池 的 健 康 管 理技术 。 ［７］ 电化学阻 抗 谱 测 量 时 使 用 扰 动 信 号 较 小，测 量 过程中对电极和电池 不 产 生 破 坏 作 用，是 公 认 的 电 化 学 系 统无损测量方法之一。
参考文献
［１］ 胡益民，冯冠平，刘岩．基于阻抗谱 技 术 的 蓄 电 池 荷 电 状 态 的 估 ［Ｊ］．电 工 技 术 学 报 ，２００９，２４（５）：２２５－２２８．
图２给出了反相加法式恒电流仪电路。运算放大器 Ａ１ 构 成 反 相 加 法 电 路 ，一 路 输 入 为 控 制 信 号 Ｖｉｎ；另 一 路 输 入 为 运放 Ａ３ 的输出。功率放大电路是针对运算放大器输出电流 小的不足，采 用 达 林 顿 管 组 成 的 推 挽 式 电 路 进 行 扩 流。Ａ２ 是电压跟随器，由 于 其 输 入 阻 抗 高，因 此 基 本 没 有 分 流，即 流经采样电阻Ｒｓ 的电流全部流入负载。流经Ｒｓ 的电流为Ｉｓ。
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图 ４ 系 统 总 体 流 程
韩晓丽 等：一种基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的电化学阻抗谱测量方法
第８期
测量面板的控制是运用 ＬａｂＶＩＥＷ 中事件结 构 与 队 列 相结合的策略，当 有 事 件 发 生 时，就 把 相 应 的 元 素 加 入 队 列 ，然 后 通 过 队 列 与 条 件 结 构 相 结 合 的 方 式 ，运 行 程 序 。
１ 电 化 学 阻 抗 谱 （ＥＩＳ）测 量 仪 的 硬 件 设 计
１．１ 系 统 的 组 成 如图１所示的是系统 硬 件 部 分 的 总 体 框 架，其 中 恒 电
流仪和 ＤＡＱ ｃａｒｄ（数据 采 集 卡）是 系 统 的 ２ 个 重 要 组 成 部 分 。恒 电 流 仪 为 被 测 系 统 提 供 恒 定 电 流 激 励 ，ＤＡＱ ｃａｒｄ（数 据采集卡）采集系统的响应信 号。ＤＡＱ ｃａｒｄ（数据采 集 卡） 有２路模拟输入通道（ＡＩ０和 ＡＩ１）分 别 用 来 采 集 系 统 的 电 压和电流信号，模拟输 出 通 道 （ＡＯ０）用 来 给 出 虚 拟 信 号 发 生器输出的控制信号。采集得到的响应信号为进一步的数
Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ
Ｈａｎ Ｘｉａｏｌｉ Ｌｕｏ Ｗｅｉｌｉｎ Ｗａｎｇ Ｌｉｘｉｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１）
频率域的电化学测量 技 术 有 ＡＣ 桥 法 （ＡＣ ｂｒｉｄｇｅｓ）和 锁 定 放 大 器 法 （ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ），以 及 频 率 响 应 分 析 仪 。
目前，市场上的产品 中 应 用 最 多 的 是 频 率 响 应 分 析 仪 ＦＲＡ 的方法，它的原 理 是，应 用 相 关 器 对 正 弦 交 流 电 流 信 号 和 电 势 信 号 进 行 比 较 ，检 测 出 两 信 号 的 同 相 和 ９０°相 移 成 分，从而直接输 出 电 化 学 阻 抗 的 实 部 和 虚 部 。 ［８］ 与 传 统 的
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｖｉｒｔｕａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ＬａｂＶＩＥＷ ｗｉｔｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｃａｎ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｓｗｅｅｐ ｗａｙ，ａｎｄ ｄｒａｗ ｄｙｎａｍｉｃｌｙ ｔｈｅ Ｂｏｄｅ ｆｉｇｕｒｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｅ ｃａｎ ｇｅｔ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ｐｈａｓｅ，ａｎｄ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｌ ａｎｄ ｉｍａｇｉｎａｒｙ ｖａｌｕｅｓ ｕｎｄｅｒ ｅａｃｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ； ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｗｅｅｐ