Introducción
Existen muchas formas de probar las baterías y sus materiales para determinar sus características. Entre los métodos tradicionales se incluyen los ciclos de larga duración para determinar la vida útil del ciclo y la pérdida de capacidad, la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) para la resistencia interna, la capacitancia y otras características, las técnicas de valoración intermitente potenciostática (y galvanostática) (PITT/GITT) para los índices de difusión, los índices de fuga y la autodescarga. Existen muchas otras, pero éstas constituyen la base de un gran número de pruebas. Recientemente, se ha despertado el interés por los impulsos rápidos de corriente más alta en las baterías. Esto es diferente de lo que se consigue cuando se realizan pruebas utilizando un Ciclo de Conducción Urbana en el que se tiene una serie de pulsos para simular el arranque/parada durante un viaje normal en coche. Estos pulsos son del orden de 100 μs a 100s de ms y se pueden utilizar para estresar una batería de maneras que la carga/descarga normal de CC no puede. Los equipos de Gamry Instruments llevan mucho tiempo siendo capaces de realizar este tipo de pulsos rápidos de alta corriente. Un ejemplo es el potenciostato/galvanostato Reference 3000 y el Booster Reference 30k. Juntas, estas dos piezas de equipo le permiten pulsar hasta 30A en el orden de 10s de microsegundos. Ahora bien, el hecho de que nuestro equipo pueda manejar este tipo de demandas no significa que su célula pueda hacerlo. Esta nota de aplicación pretende mostrar que nuestros equipos pueden manejar estas aplicaciones exigentes. Depende de usted ir un paso más allá y ver si su célula puede responder a este tipo de pulsos.
Fig. 1. Reference™ 3000 (izquierda) con Reference™ 30k Booster (derecha), con célula de prueba y calibración (verde).
Como célula, utilizamos nuestra célula de Prueba y Calibración de 30k. La placa de circuito impreso de la célula de Prueba y Calibración de 30k fue cuidadosamente diseñada para:
– Verdadero sensado de cuatro terminales tanto en el lado de Prueba como en el de Calibración de la Celda.
– Mínima inductancia en las conexiones conductoras de corriente
– Mínima inductancia mutua entre los circuitos de conducción de corriente y de detección.
Gamry Instruments utiliza el lado de Calibración de la célula para medir galvanostáticamente espectros de impedancia a frecuencias de hasta 300 kHz con menos de 2° de error de fase. Esta Nota de Aplicación muestra los resultados de nuestra propia investigación sobre las características de nuestro equipo.
Experimento
Las pruebas se realizaron con un Reference 3000 y un Reference 30k Booster. En todas las pruebas se conectó al amplificador una célula de prueba y calibración Gamry Reference 30k. Para las conexiones de las células se utilizaron los cables estándar suministrados con el sistema: un cable portador de corriente de 1 m y un cable sensor de 1,5 m. La mayor parte de las pruebas se realizaron en el lado de calibración de la célula de Test y Cal. Este lado es una resistencia de 200 mΩ con un fusible rápido de 2,5 A en el cable del contraelectrodo. El fusible protege la resistencia de 1 W de daños causados por un flujo de corriente excesivo. La resistencia de un fusible de muestra se midió en 34 mΩ. Los impulsos de corriente rápida superiores a la capacidad nominal del fusible de 2,5 A no fundirán el fusible si los impulsos son lo suficientemente cortos.
El lado de Prueba de la Celda de Prueba y Calibración es una resistencia de cuatro terminales de 3 mΩ. No requiere un fusible porque puede pasar con seguridad corrientes de 30 A. Se realizaron muchas pruebas a diferentes ajustes de velocidad del CA (amplificador de control). Cuanto más rápida es la velocidad del CA, mejor resolución temporal se consigue, pero a costa de la estabilidad del amplificador. Para una revisión del diseño de potenciostatos, consulte nuestra Nota de aplicación Fundamentos de un potenciostato.
Algunas de las pruebas requirieron el uso adicional de un osciloscopio digital Tektronix 2024C para mostrar la respuesta CA. Esto se consiguió conectando el osciloscopio a los BNC de monitorización E o I de la parte posterior del potenciostato.
Resultados
Pulsos de 2 A en celda de 200 mΩ, utilizando el software Framework™
La Fig. 2 a continuación muestra pasos de corriente de 2 A que duran 200 µs cada uno. Las conexiones se realizaron a través del Booster Reference 30k, con el rango de escala completa de 3 A del Reference 3000.
Fig. 2. La tensión de la célula es el trazo superior y la corriente de la célula es el inferior. Los colores corresponden a las diferentes velocidades del amplificador de control (velocidades CA): el verde corresponde a la velocidad CA más rápida, el rojo a la velocidad CA más rápida y el azul a la velocidad CA normal. Obsérvese la simetría entre las formas de onda ascendente y descendente. La carga perdida en un flanco del impulso se recupera en el otro flanco.
Datos del Osciloscopio en 200 mΩ Tomados del Monitor E BNC
Se conectó un cable BNC entre la salida del Monitor E del panel posterior del Reference 3000 y la entrada del osciloscopio.
La Fig. 3 muestra la curva de tensión en función del tiempo de un pulso de 200 µs y 2 A en la resistencia del lado de calibración. El gráfico se registró en velocidad CA rápida.
Fig. 3 Datos registrados a través del conector E Monitor
La captura de pantalla del osciloscopio (Fig. 4) muestra una forma de onda muy similar.
Fig. 4. Datos registrados en el osciloscopio en las mismas condiciones que la Fig. 5.
Reference 3000 impulsos de corriente de refuerzo en 200 mΩ
Aquí (Fig. 5) Gamry Instruments probó una gama de pulsos de corriente. La corriente más pequeña de 2 A no requirió el Booster de 30k. Las corrientes mayores (de 4 A a 12 A) incluyeron el Booster. Las curvas no muestran evidencia de limitación de la velocidad de giro.
Fig. 5. Datos de un rango de corrientes. La corriente más baja (2 A) no utilizó el Booster de 30k; las corrientes más altas (4-12 A) añadieron el Booster.
La Fig. 6 muestra el efecto de la velocidad CA en pulsos de 8 A. La curva azul se registró con velocidad CA. La curva azul se registró con la velocidad de CA rápida y la curva roja con la velocidad de CA más rápida. La curva roja tiene una respuesta más cuadrada, pero se observan anillos en los bordes ascendente y descendente.
Fig. 6. Datos a 8 A, utilizando la velocidad CA rápida (azul) y la velocidad CA más rápida (rojo).
La siguiente curva (Fig. 7) muestra pulsos de 4 A y 8 A en la velocidad CA más rápida. Todavía no hay evidencia de limitaciones en la velocidad de giro.
Fig. 7. Datos utilizando el CA speed fastest , comparando las respuestas de señal a 4 A (azul) y 8 A (rojo).
Resultados en una célula de 3 mΩ
Las conexiones se cambiaron al lado de Prueba de la Celda de Prueba y Cal. Este lado es una resistencia de 3 mΩ y 4 W. A 30 A, su disipación de potencia es de sólo 2,7 W, por lo que está a salvo de conexiones erróneas y oscilaciones.
La Fig. 8 muestra pulsos de 2 A en esta célula. Estos pulsos de corriente se aplican siempre con la Referencia 3000. La tensión está en el conjunto superior de trazas y la corriente en el conjunto inferior. Los colores de las trazas corresponden a las velocidades de CA: el verde es el más rápido, el rojo es el rápido y el azul es el normal.
Fig. 8. Datos en el lado de prueba de la celda de prueba y calibración, de pulsos de 2 A, a velocidades de CA normales (azul), rápidas (rojo) y más rápidas (verde).
Hay una ligera indicación de timbre en la velocidad CA más rápida.
El siguiente gráfico (Fig. 9) muestra pulsos de 4 A en la resistencia del lado de prueba a diferentes velocidades de CA. La ubicación de los trazos y los colores son los mismos que en el gráfico anterior.
Fig. 9. Datos en el lado de Prueba de la celda de Prueba y Cal, de 4 pulsos A, a velocidades CA de Normal (azul), rápido (rojo) y más rápido (verde). Arriba: Tensión; abajo: Corriente.
Tanto la velocidad CA más rápida como la rápida muestran anillos en la Fig. 9. La captura del osciloscopio en la Fig. 10 muestra la forma de onda del monitor E para la velocidad de CA más rápida y un pulso de 4 A. Aquí también se aprecia el timbre. Aquí también es visible el timbre.
Fig. 10. Datos del osciloscopio en el lado de Prueba de la celda de Prueba y Calibración, de pulsos de 4 A, a la velocidad de CA más rápida.
Pulsos de corriente de 50 µs
La Fig. 11 muestra pulsos de corriente de 50 µs de 2 A y 4 A en el lado de Calibración de 200 mΩ de la celda de Prueba y Calibración. El trazo verde es un pulso de 4 A en velocidad CA Fastest, el trazo rojo es un pulso de 4 A con velocidad CA fast, y el trazo azul es un pulso de 2 A a velocidad CA Fast.
Fig. 11. Datos en el lado Calibrar de la célula de Prueba y Calibración, a partir de pulsos de 50 µs, a 2 A (azul), 4 A rápido (rojo) y 4 A más rápido (verde). Arriba: tensión; abajo: corriente.
Resumen
El Reference 3000 y el Reference 30k Booster de Gamry pueden generar con precisión y fiabilidad pulsos de corriente tan cortos como las altas decenas de microsegundos. En cuanto a cuál es el ajuste óptimo de velocidad de CA, Gamry Instruments recomienda que los usuarios realicen una prueba preliminar que mida el tiempo de subida en una célula típica antes de ejecutar un conjunto de experimentos. Los galvanostatos generalmente se vuelven más estables cuando las celdas son capacitivas. Este efecto no se ha medido en esta nota de aplicación.
En la tabla siguiente se muestran los tiempos de subida τ aproximados:
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