利用電子負載如何測試燃料電池的交流阻抗?

       燃料電池交流阻抗是燃料電池發電性能的關鍵數據，進行燃料電池的交流阻抗測試可以識別有問題的燃料電池單體及其在組裝過程中產生的偏差。完成不同頻率下的交流阻抗測試后，即可得到燃料電池的電化學阻抗譜。ITECH IT8900A電子負載可以簡化測量過程，本文將介紹如何使用ITECH電子負載實現交流阻抗測試的方法。

　　一、 為什么需要測量交流阻抗

　　由于燃料電池具有非線性阻抗，薄膜阻抗的電學特性可以表征其內部元素的損失，因此燃料電池交流阻抗的測試至關重要。此外，直流測試法由于無法區分薄膜阻抗和極化阻抗，因此，只能采用交流測試法(四線制測試)。該測量有助于確定燃料電池系統中的運動阻力，如歐姆電阻(例如，電解液，接觸、滲透層電阻)，以及反應物的運輸限制。影響阻值的燃料電池組

　　件包括電流集電極、滲透層電極、催化層、接觸膜等等。

　　二、怎樣測量燃料電池的交流阻抗

　　測量交流阻抗的方法有很多種:

　　電流中斷法(電流跌落法)，即電流快速中斷，測試升高的電壓和電流的比值，此方法歷史悠久，優點在于測試方法簡單，然而測試出的單值信息量較少，容易引入導線阻抗。而且，這種方法需要格外小心，因局負載導線阻抗會產生瞬態反向電動勢。

　　EIS電化學阻抗譜可測定的頻率范圍很寬，因此可以測試出最為全面的數據，包括動力學信息和電極界面結構信息。需要使用到電子負載和頻響分析儀。

　　下面我們給大家介紹一種交流阻抗測試法，可以看成是EIS測試法的簡化版。此法相較于電流跌落法也更安全。采用信號發生器發生交流正弦波，配合IT8900A外部模擬量接口動態拉載，可以方便測試電壓和電流波形的相位差。這種測試方法比電流瞬跌法簡單易操作，兩種方法測試結果一致。

　　三、測量燃料電池交流阻抗的設備

　　測量交流阻抗可以用一臺直流電子負載lT8900A、一臺信號發生器和一個裝有相應軟件的電腦。其他可選儀器包括一臺輔助電源。測試方法如圖一所示，當燃料電池輸出電壓過低時，為保證電子負載能正常帶載，往往需要一臺輔助電源。通過信號發生器輸出測試頻率的正弦波信號，控制電子負載CC拉載正弦波形，讀取電子負載內部緩存區的電壓、電流數據，進行FFT快速傅里葉變換分析。最后，用數學函數將轉換后的電壓除以轉換電流以獲得復阻抗(包含幅值和相位信息)。這個方法適用于燃料電池全頻帶內任何一個頻率點的測試，進而可以得出電化學阻抗譜。

　　信號發生器必須具有產生精確可控頻率正弦波的能力，以便確保FFT結果的準確性。

　　而IT8900A電子負載是上述測量方法的核心硬件，因其具有以下多個特性，特別適用于燃料電池AC阻抗的測試。

　　1、CC模式(CV 模式和CR模式)

　　將負載處于定電流模式下，設置定電流值為燃料電池的直流電流測試點。

　　2、外部模擬量輸入

　　負載后面板的EXT PRG (正負)模擬量端口可以控制負載的帶載電壓或電流。在EXTPRG端子處接入0-10V可調電壓來模擬0-滿量程的輸入，從而調節負載的輸入電壓和電流的值(10V對應負載滿量程的電壓或電流值)。在電子負載的外部模擬端子輸入正弦信號，可在電子負載已有直流片之下，疊加出需要的正弦激勵信號。當負載的輸入電壓大于或者等于3V時，信號的帶寬可以達到10KHz，當電壓低于3V時，帶寬減小1KHz。另外，盡管模擬量輸入電壓可以為負值，但負載激勵電流不能為負值，因為這些負載單極性的。

　　3、同步輸入V-I曲線

　　精確同步獲取V-I曲線是做FFT分析的必要條件，以保證正常工作，在內部高精度晶振的控制下，IT8900A 系列電子負載具有內部緩存區，可獲取輸入電壓、電流數據，AD采樣率可任意設定，最高可達50kHz。

　　4、遠端補償電壓

　　IT8900A具有遠端補償功能，當負載消耗較大電流的時候，就會在被測儀器到負載端子的連接線產生較大壓降。為了保證測量精度，負載在后面端子提供一個遠端量測端子，用戶可以用該端子量測導線上損失的壓降。在使用遠端量測功能前，要先設定負載為遠端量測模式。

　　5、低電壓操作

　　典型的組合型燃料電池蓄電電壓一般大于2V，然而，擔心燃料電池的電壓會低于1V。因此，如果在低電壓下產生符合要求的大電流，可以給被測的燃料電池串聯一個直流電源來實現(例如IT6500C)。此時，遠端電壓測量功能依然可以對燃料電池端進行準確的測量。

　　6、并聯操作

　　若燃料電池需要獲的電流，一個負載模塊無法實現，可以將多臺IT8900A的電子負載進行并機以增加總電流的容量。該操作并不復雜，只需要其中一臺負載測量交流阻抗，其他負載工作在直流電流工作模式下。

　　四、實際測試

　　利用此方法測試1mR的分流器，電源、IT8906A 之間串接1mR分流器，負載開啟sense功能，使用trace功能，捕捉電壓電流信號，測試結果如下圖所示:

　　記錄電壓、電流FFT頻譜.上1KHz點的幅值:

　　可見，測試結果精度較高，此法同樣可類推到其他頻率的AC阻抗的測試。

　　利用IT8900A電子負載可以大大減少對燃料電池交流內阻的測試的成本，其中，IT8900A電子負載四線接線法、500kHz的電壓、電流采樣率、低電壓大電流工作特性、從直流到10kHz的正弦信號拉載帶寬都是的測試精準的重要保證。

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