交流阻抗法测燃料电池内阻.docx

交流阻抗法测质子交换膜燃料电池内阻机制 123 苏宇静 2111202083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、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R t；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 actRh ；由由反应离子浓度变化产生的浓差极化内阻R ohm con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Rh ,于是可以利用该特点ohm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乙作Z的平面 曲线图，从曲线跟实轴的交点即可得到Rh和R 10ohm pol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a确定一个使阻抗Z的虚部为零的频率，即a=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R 10pol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模块为了提高数据采集和分析的精度，采样子程序会根据激励源激励信号的频率，自适应调 整采样单元的频率，使采样的频率始终为激励源激励信号的 8 倍在每次数据采集的时候， 米样程序会控制高精度A D米样单兀，米用同步米样的方式米集1024个电流和电压值，并 将它们分别存放到数组｛X]( n ) ｝和｛ x2 ( n ) ｝中。

采样结束之后，STM32F107将会调用频 谱分析子程序，对采集到的数据｛X] ( n )｝和｛ x2 ( n ) ｝进行分析频谱分析子程序的核心是 浮点的快速离散傅里叶变换，其数学形式为：其中， n， k =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( kJ和X( k2 )通过求取X( kJ和X( k2)虚 部和实部的比值就可得出电压和电流的相位X( k])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R l=Z cos 0和阻抗虚部R. =Zsin 0直接代人燃料电池内阻模型的公式中： real imURZ 二 二 R + poi + j ① LI ohm 1 + 沖 R Cpol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。