新型燃料电池内阻测试仪研究和设计

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1、新型燃料电池内阻测试仪的研究与设计江竑旭1，全书海2，童亮3（1.武汉理工大学，自动化学院，武汉430070；2.武汉理工大学，自动化学院，武汉430070；3.武汉理工大学，自动化学院，武汉430070）摘要：本文在分析传统的燃料电池内阻测试方法的基础上，针对传统方法存在测试速度慢、测试精度低和测量数据较少的现状，设计了一种基于高频阻抗测量法的并具有测试速度快、精度高等特性的燃料电池内阻测试仪。在设计的测试仪中，使用了高精度的程控交流激励源提供信号激励，采用高精度测量单元进行数据测量，并使用浮点

2、的FFT算法对数据进行频谱分析，最终得到了很好的测量效果。关键词：燃料电池；内阻；测试精度；频谱分析中图分类号：TP391Researchanddesignonthenew-stylefuelcellresistancetesterJiangHongxu1，QuanShuhai2，TongLiang3（1.SchoolofAutomation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan.430070,China；2.SchoolofAutomation,WuhanUnive

3、rsityofTechnology,Wuhan.430070,China；3.SchoolofAutomation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan.430070,China）Abstract:Basedontheanalysisoftraditionalfuelcellinternalresistancetestingmethodswhichhasaslowtestspeedandlowprecision,ontheotherhand,whichalsocano

4、nlytestafewdataatatime,soanewfuelcellresistancetesterwithfeaturesofhightestspeedandhighprecision,whichbaseonhighfrequencyimpedancemeasurementisproposed.Inthedesign,theprogram-controlledsignalexcitationsourcewithhigh-precisionisusedtoprovideexcitations

5、ignalsforthefuelcell.Andthehigh-precisionmeasurementunitisusedtomeasuredatawhichwillbeanalyzedwhitthemethodofthefloating-pointFFTalgorithm.Finally,usingthistestercangetagoodmeasurementresult.Keywords:fuelcell;resistance;testprecision;spectrumanalysis0

6、引言目前，在国内外采用的燃料电池内阻测试方法主要有2种，分别是断流法[1,2]和交流阻抗法[3]。其中，由于断流法会对燃料电池系统产生较大的扰动，因此一般只用于简易的燃料电池系统中。对汽车电子以及航天等要求较高的领域来说，这种方法显然是不可取的。因此，在这些领域中，需要采用对燃料电池系统扰动较小的测试方法对燃料电池进行测量。而交流阻抗法就是一种对燃料电池系统扰动较小的测试方法。交流阻抗法又可分为固定频率的交流阻抗法和变频的交流阻抗法即电化学阻抗谱分析法。电化学阻抗谱分析法与固定频率交流阻抗法相比较

7、，前者具有测试精度较高、抗干扰能力较强和测试数据较丰富的特点。本文所设计的燃料电池内阻测试仪，就是基于电化学阻抗谱分析法设计完成的。1燃料电池内阻测试仪设计指标及工作原理1.1燃料电池内阻测试仪设计指标本次设计的燃料电池内阻测试仪设计指标如表1所示。表1燃料电池内阻测试仪设计指标内阻幅值测试精度1%内阻相位测试精度1o内阻幅值测试范围1mΩ-1000mΩ内阻测试频率相应范围1Hz-100KHz1.2燃料电池内阻测试仪工作原理燃料电池内阻测试仪的工作原理是依据燃料电池工作机理制定的。燃料电池的反应可

8、以用简化Randles[4]等效电路表示，如图1所示。该模型包含了理想直流电压源、欧姆内阻、极化内阻、分布电容、分布电感共5个部分。其中，分布电感的作用在高频时表现比较明显。从燃料电池的反应模型可以推出燃料电池内阻阻抗的计算公式（1）其中，I是施加在燃料电池两端的幅值为燃料电池输出电流大小5%的一个交流电流，U是交流电流流过燃料电池所产生的交流电压，R1是燃料电池的欧姆内阻，R2是燃料电池的极化内阻，C是燃料电池的分布电容，L是燃料电池的分布电感，ω是通过燃料电池激励信号的角频率。