利用电子负载测试燃料电池的交流阻抗

一、为什么需要测量交流阻抗 

由于燃料电池具有非线性阻抗，薄膜阻抗的电学特性可以表征其内部元素的损失， 因此燃料电池交流阻抗的测试至关重要。此外，直流测试法由于无法区分薄膜阻抗和极化阻抗，因此，只能采用交流测试 法（四线制测试）。该测量有助于确定燃料电池系统中的运动阻力，如欧姆电阻（例 如，电解液，接触、渗透层电阻），以及反应物的运输限制。影响阻值的燃料电池组 件包括电流集电极、渗透层电极、催化层、接触膜等等。

二、怎样测量燃料电池的交流阻抗
 测量交流阻抗的方法有很多种： 电流中断法（电流跌落法），即电流快速中断，测试升高的电压和电流的比值，此方法历史悠久，优点在于测试方法简单，然而测试出的单值信息量较少，容易引入导线阻抗。而且，这种方法需要格外小心，因爲负载导线阻抗会产生瞬态反向电动势。EIS 电化学阻抗谱可测定的频率范围很宽，因此可以测试出*为**的数据，包括动 力学信息和电极界面结构信息。需要使用到电子负载和频响分析仪。下面我们给大家介绍一种交流阻抗测试法，可以看成是 EIS 测试法的简化版。此法 相较于电流跌落法也更**。采用信号发生器发生交流正弦波，配合 IT8900A 外部模拟 量接口动态拉载，可以方便测试电压和电流波形的相位差。这种测试方法比电流瞬跌法 简单易操作，两种方法测试结果一致。

三、测量燃料电池交流阻抗的设备

测量交流阻抗可以用一台直流电子负载  IT8900A、一台信号发生器和一个装有相应软件 的电脑。其他可选仪器包括一台辅助电源。测试方法如图一所示，当燃料电池输出电压过低 时，为保证电子负载能正常带载，往往需要一台辅助电源。通过信号发生器输出测试频率的 正弦波信号，控制电子负载 CC 拉载正弦波形，读取电子负载内部缓存区的电压、电流数据，进行 FFT 快速傅里叶变换分析。*后，用数学函数将转换后的电压除以转换电流以获得复阻抗（包含幅值和相位信息）。这个方法适用于燃料电池全频带内任何一个频率 点的测试，进而可以得出电化学阻抗谱。


图一、燃料电池测试连接框图
信号发生器必须具有产生**可控频率正弦波的能力，以便确保 FFT 结果的准确性。而 IT8900A 电子负载是上述测量方法的核心硬件，因其具有以下多个特性，特别适用于燃料电池 AC 阻抗的测试。

1、 CC 模式（CV 模式和 CR 模式） 将负载处于定电流模式下，设置定电流值为燃料电池的直流电流测试点。

2、 外部模拟量输入

负载后面板的EXT PRG（正负）模拟量端口可以控制负载的带载电压或电流。在EXT PRG 端子处接入0-10V 可调电压来模拟0-满量程的输入，从而调节负载的输入电压和电 流的值（10V 对应负载满量程的电压或电流值）。在电子负载的外部模拟端子输入正弦信 号，可在电子负载已有直流片之下，叠加出需要的正弦激励信号。当负载的输入电压大于 或者等于3V时，信号的带宽可以达到10KHz，当电压低于3V时，带宽减小为1KHz。另外， 尽管模拟量输入电压可以为负值，但负载激励电流不能为负值，因为这些负载单极性的。

3、 同步输入 V-I 曲线

**同步获取 V-I 曲线是做 FFT 分析的必要条件，以保证正常工作，在内部高精度晶振 的控制下，IT8900A 系列电子负载具有内部缓存区，可获取输入电压、电流数据，AD 采样率可任意设定，*高可达 50kHz。

4、 远端补偿电压

 IT8900A 具有远端补偿功能，当负载消耗较大电流的时候，就会在被测仪器到负载端子 的连接线产生较大压降。为了保证测量精度，负载在后面端子提供一个远端量测端 子，用户可以用该端子量测导线上损失的压降。在使用远端量测功能前，要先设定负 载为远端量测模式。

5、 低电压操作

艾德克斯电子负载在低电压输入下，服从 0V 对应 0A，2V 对应满量程电流的线性对应 关系。典型的组合型燃料电池蓄电电压一般大于 2V，然而，担心燃料电池的电压会低 于 1V。因此，如果在低电压下产生符合要求的大电流，可以给被测的燃料电池串联一 个直流电源来实现（例如 IT6500C）。此时，远端电压测量功能依然可以对燃料电池端 进行准确的测量。

6、 并联操作
若燃料电池需要获的电流，一个负载模块无法实现，可以将多台 IT8900A 的电子负载 进行并机以增加总电流的容量。该操作并不复杂，只需要其中一台负载测量交流阻 抗，其他负载工作在直流电流工作模式下。

四、实际测试
利用此方法测试 1mR 的分流器，电源、IT8906A 之间串接 1mR 分流器，负载开启sense 功能，使用 trace 功能，捕捉电压电流信号，测试结果如下图所示：
利用 IT8900A 电子负载可以大大减少对燃料电池交流内阻的测试的成本，其中，IT8900A电子负载四线接线法、500kHz 的电压、电流采样率、低电压大电流工作特性、从直流到10kHz 的正弦信号拉载带宽都是的测试精准的重要保证。

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