交流阻抗法测燃料电池内阻.docVIP

交流阻抗法测质子交换膜燃料电池内阻 机制123 苏宇静 座机电话号码83 交流阻抗法对于燃料电池内阻测试时，扰动较小的测试方法，所以，在测试应用于航空、航天、汽车等精度要求较高的质子交换膜燃料电池时，一般会采用交流阻抗法。 图一 理想的燃料电池内阻Nyquist图 如图一，燃料电池的内阻可以分为三个部分：由电化学反应体系的性质决定的活化极化内阻Ract；由电池内部的电极、隔膜、电解液、连接条和极柱等组成部分的电阻为欧姆内阻Rohm；由由反应离子浓度变化产生的浓差极化内阻Rcon。 由于在质子交换膜燃料电池等效电路中双电层分布电容在高频时是一个很小的阻抗，所以从电路上说相当于短路，因此在高频信号作用下只能观测到Rohm，于是可以利用该特点进行内阻测试。测出质子交换膜燃料电池在不同频率交流电流作用下的阻抗Z，作Z的平面曲线图，从曲线跟实轴的交点即可得到Rohm和Rpol。 为了保证燃料电池的正常安全运行和测试有效的进行，正弦交流电流幅值要控制在燃料电池直流电流的10%之内（以5%为最佳），否则对质子交换膜燃料电池的扰动太大，影响其正常工作。如果交流信号频率在很宽的频率范围 一般为0.1 Hz ~10 kHz 变化，在不同频率下比较交流电流和交流电压的相位差α，确定一个使阻抗Z的虚部为零的频率，即α 0。此时质子交换膜燃料电池内阻就处于纯电阻状态，从燃料电池内阻Nyquist图知该频率是最适合实际电池测试的信号频率，得到的电阻就是燃料电池工作时的欧姆内阻，再用0.1Hz交流电流测试所得内阻减去A 0时的欧姆内阻就可得到极化内阻Rpol。 在数据的采样与分析时，采用STM32F107，它集成了各种高性能工业标准接口，STM32的标准外设包括10个定时器、两个12位1-Msample/s AD 模数转换器 快速交替模式下2M sample/s 、两个12位DA 数模转换器 、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口和高质量数字音频接口IIS，另外STM32F107拥有全速USB（OTG）接口，两路CAN2.0B接口，以及以太网10/100 MAC模块。 0，1，…，N一1。X k 为采样序列经过傅里叶变换之后的频谱序列。 经过运算后，可求出电流和电压的复数值 X k1 和 X k2 。通过求取X k1 和X k2 虚部和实部的比值就可得出电压和电流的相位。X k1 和X k2 的模就是所测电压和电流的幅 值，而它们的比值就是所对应燃料电阻阻抗Z的大小。 测试频率在10k H z以下时，由于分布电感的作用不明显，因此可以将阻抗实部 Rreal Z cos θ和阻抗虚部Rim Zsin θ直接代人燃料电池内阻模型的公式中： 求出所对应质子交换膜燃料电池实时的欧姆电阻和极化内阻的大小。在高频时，将经过频谱分析子程序处理得到的数值X k1 和X k2 代人燃料电池模型计算公式，便可求得燃料电池的分布电感、分布电容、欧姆内阻以及极化内阻的值。 最后，主控单元将调用通信子程序，将分布电感、分布电容、欧姆内阻和极化内阻等信息通过USB端口送到上位机。上位机就可以建立相关的数据库，并根据接收到的信息判断出燃料电池的工作状态，发出相应的控制操作命令，以保证质子交换膜燃料电池工作在最佳状态。