CN113253123B - 一种燃料电池全工况在线阻抗测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池全工况在线阻抗测试装置和方法，交流阻抗分析仪向燃料电池施加不同频率的扰动电流或扰动电压；恒流单元与电感单元串联后，与燃料电池形成抑制交流电流的直流电流通路；通过所述恒流单元的瞬时电流恒定；交流阻抗分析仪测量交流电压或交流电流，获得阻抗。本发明实现了直流电子负载与交流阻抗分析仪的协同运行，为燃料电池测试系统的模块化及灵活配置提供技术基础，也为设计低成本、高精度的带载阻抗测试仪器提供参考。以较低的设备和调试成本规避了燃料电池大电流带载阻抗测试易受测试电路中其他设备干扰的问题，实现了直流电子负载与交流阻抗分析仪的协同运行。

Description

一种燃料电池全工况在线阻抗测试装置和方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池全工况在线阻抗测试装置和方法。

背景技术

燃料电池是将燃料的化学能通过电化学反应转化成电能的能量转换装置，包括但不限于固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。针对该燃料电池的电化学表征通常包括测量该燃料电池的电化学阻抗谱，即多个频率下燃料电池的电化学阻抗。利用电化学阻抗谱，我们可以对燃料电池内部具有不同时间尺度的各个极化过程进行分别的定量研究，准确、直接、在线地获得燃料电池内的物理化学过程信息。因此，电化学阻抗谱对燃料电池的监测和研究十分重要。

同时，燃料电池内部的传递和反应过程通常随着通过燃料电池的直流电流大小而变化，电化学阻抗谱也随之变化，于是燃料电池在未带载状态下的电化学阻抗谱并不能直接反映其在带载状态下的电化学阻抗谱。不同带载状态下的电化学阻抗谱，能够反映相应带载状态下电池内部来自电化学反应、气体传输和吸附、电荷转移等过程的能量损失。在燃料电池的寿命及稳定性测试中，燃料电池处于持续带载状态，一旦载荷变化，长期实验的结果可能发生明显改变，所以寿命及稳定性测试中不能中断载荷进行阻抗测试。因此，测量带载状态下的电化学阻抗谱，对寻找高效长寿命稳定运行的燃料电池、研究当前燃料电池性能及稳定性在带载状态下的关键制约因素，实现在线监测及诊断，有着不可替代的作用。

在实际应用中，测量带载状态下——即发电或电解状态下——燃料电池的电化学阻抗谱较为困难。受限于燃料电池内部反应和传输过程的时间尺度，燃料电池交流阻抗测量的常用频率范围下至100mHz，上至100kHz。目前市场上具有交流阻抗测试功能的电子负载大都不能准确测量上述频率范围内的交流阻抗，而能够在上述频率范围内测量的交流阻抗分析仪却往往不允许直流大电流通过。因此，一种常用且便捷的测试手段为，将直流电子负载和交流阻抗分析仪经电路并联后与被测燃料电池电连接。

然而，交流阻抗分析仪所施加的交流扰动电流还会流经与被测燃料电池电连接的直流电子负载，致使交流阻抗分析仪所施加的交流扰动电流偏离实际流经被测燃料电池的电流，进而使交流阻抗分析仪测得的阻抗偏离燃料电池的实际阻抗。

发明内容

为了准确获得燃料电池带载时的电化学阻抗，本发明提供一种燃料电池全工况在线阻抗测试装置和方法，通过减小交流阻抗分析仪所施加扰动电流与实际流经被测燃料电池扰动电流的差异，或通过测量实际流经被测燃料电池的扰动电流，配合现有仪器，实现带载阻抗的准确测量。

为达到上述目的，本发明提供了一种燃料电池全工况在线阻抗测试装置，包括交流阻抗分析仪、恒流单元以及电感单元；

所述燃料电池，包括含有至少一个正极-电解质-负极结构(PEN)的被测单元；

所述交流阻抗分析仪，向燃料电池施加不同频率的扰动电流或扰动电压，测量交流电压或交流电流，获得阻抗；

所述恒流单元与所述电感单元串联后，与燃料电池形成抑制交流电流的直流电流通路；通过所述恒流单元的瞬时电流恒定。

进一步地，所述恒流单元包括串联连接的直流电子负载；

通过所述直流电子负载的瞬时电流恒定，电流通过的方向与所述燃料电池提供电流方向相同。

进一步地，所述恒流单元还包括恒压直流电源，输出恒定电压，且与所述燃料电池电动势方向相同。进一步地，所述电感单元包括并联的电感线圈和双向电压缓冲器。

进一步地，还包括谐振耗散单元并联至所述直流电子负载，在所述直流电子负载与电感单元谐振时，提高交流阻抗，抑制交流电流。进一步地，所述谐振耗散单元包括串联连接的电容元件和电阻元件。

进一步地，所述恒流单元包括恒流直流电源，所述恒流直流电源提供的瞬时电流恒定，电流方向与所述燃料电池提供电流方向相反。

进一步地，所述恒流单元还包括直流电子负载，直流电子负载与所述恒流直流电源串联，通过直流电子负载的瞬时电流恒定，电流通过的方向与所述恒流直流电源提供电流方向相同。

进一步地，还包括谐振耗散单元并联至所述恒流直流电源，在所述恒流直流电源与电感单元谐振时，提高交流阻抗，抑制交流电流。进一步地，所述谐振耗散单元包括串联连接的电容元件和电阻元件。

进一步地，还包括电流补偿单元，获取流经电感单元电流的交流部分，基于交流部分生成和流经电感单元的交流电流相同的交流电流，补偿至交流阻抗分析仪的输出。

进一步地，所述电流补偿单元包括电源模块、电流测量模块以及电流输出模块；

所述电源模块为所述电流输出模块供电，与所述燃料电池和电流输出模块共地；所述电流测量模块采集流经电感单元的电流并反馈至电流输出模块；所述电流输出模块，滤除采样电压中的直流信号，将交流部分放大至流经电感单元的交流电流大小，补偿至交流阻抗分析仪的输出。

进一步地，所述交流阻抗分析仪采集燃料电池交流电压

测量流经燃料电池电流对应的交流电压

所述交流阻抗分析仪输出的阻抗为：

其中Z*为采样电阻阻抗值或电流传感器的跨阻。

进一步地，通过采样电阻采集串联至燃料电池测量流经燃料电池电流对应的交流电压

所述交流阻抗分析仪具有四个电压接线端子，对应两个差分电压输入通道，其中一个差分电压输入通道的两个电压接线端子分别于所述被测燃料电池的两个电压接线端子连接，形成电流通路；另外两个电压接线端子连接至所述采样电阻两端。

本发明另一方面提供一种所述的燃料电池全工况在线阻抗测试装置在线阻抗测试方法，包括：

交流阻抗分析仪向燃料电池施加不同频率的扰动电流或扰动电压；

恒流单元与电感单元串联后，与燃料电池形成抑制交流电流的直流电流通路；所述恒流单元瞬时电流恒定；

交流阻抗分析仪测量交流电压或交流电流，获得阻抗。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明通过减小交流阻抗分析仪所施加扰动电流与实际流经被测燃料电池扰动电流的差异，或通过测量实际流经被测燃料电池的扰动电流，配合现有仪器，实现带载阻抗的准确测量。

(2)本发明通过设置谐振耗散装置抑制直流电子负载与电感单元的串联谐振，减小谐振频率下直流电流通路中的交流电流，进而减小交流阻抗分析仪输出交流电流与流经燃料电池交流电流的差值。

(3)本发明通过设置电流补偿装置进一步减小交流阻抗分析仪输出交流电流与流经燃料电池交流电流的差值，提高阻抗测试结果的准确性。

(4)本发明以较低的设备和调试成本规避了燃料电池大电流带载阻抗测试易受测试电路中其他设备干扰的问题，实现了直流电子负载与交流阻抗分析仪的协同运行，为燃料电池测试系统的模块化及灵活配置提供技术基础，也为设计低成本、高精度的带载阻抗测试仪器提供参考。

附图说明

图1为包含电感单元和谐振耗散装置的实施例的电路连接示意图；

图2为包含直流电源但不包含直流电子负载的实施例的电路连接示意图；

图3为包含电流补偿装置的实施例的电路连接示意图；

图4为图3电路连接示意图中局部电流示意图；

图5为包含具有两路差分电压出入的交流阻抗分析仪的实施例的电路连接示意图；

图6为10cm*10cm固体氧化物平板式燃料电池不带载时的阻抗测试及分析结果，图6(a)为阻抗测试结果Nyquist图，图6(b)为阻抗实部测试结果-频率图，图6(c)为阻抗虚部测试结果-频率图，图6(d)为无谐振Kramers-Kronig Test阻抗质量分析偏差Nyquist图，图6(e)为无谐振Kramers-Kronig Test阻抗质量分析实部偏差-频率图，图6(f)为无谐振Kramers-Kronig Test阻抗质量分析虚部偏差-频率图；

图7为图6所述的同一片燃料电池带30A直流负载时的阻抗测试结果，图7(a)为阻抗测试结果Nyquist图，图7(b)为阻抗实部测试结果-频率图，图7(c)为阻抗虚部测试结果-频率图，图7(d)为无谐振Kramers-Kronig Test阻抗质量分析偏差Nyquist图，图7(e)为无谐振Kramers-Kronig Test阻抗质量分析实部偏差-频率图，图7(f)为无谐振Kramers-Kronig Test阻抗质量分析虚部偏差-频率图；

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本发明相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本发明中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本发明所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

以下实施例提供了一种燃料电池全工况在线阻抗测试装置，其能够适用各种燃料电池的带载阻抗测试系统，所述燃料电池，包括含有单个正极-电解质-负极结构(PEN)的单电池单元，和含有多个PEN的多电池单元，如被测燃料电池堆。燃料电池包括但不限于质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等。以下以固体氧化物燃料电池为例，进行相关说明。同时，该带载阻抗测试方法也可应用于其他燃料电池的阻抗测试。

燃料电池全工况在线阻抗测试装置，包括交流阻抗分析仪200、恒流单元以及电感单元500。

交流阻抗分析仪200，向燃料电池施加不同频率的扰动电流或扰动电压，测量交流电压或交流电流，获得阻抗。

所述交流阻抗分析仪200具有两个电流接线端子和两个电压接线端子，两个电流接线端子分别于所述被测燃料电池100的两个电流接线端子连接，两个电压接线端子分别于所述被测燃料电池100的两个电压接线端子连接，形成电流通路。

电感单元500，所述电感单元500具有电路连通的两个接线端子，两个接线端子分别与被测燃料电池100的一个电流接线端子和直流电子负载的一个电流接线端子连接，形成电流通路。

恒流单元与所述电感单元串联后，与燃料电池形成抑制交流电流的直流电流通路；通过所述恒流单元的瞬时电流恒定。所述恒流单元工作电流控制为用户指定燃料电池工作的直流电流值。

在一个实施例中，如图3所示，所述恒流单元包括直流电子负载300，所述直流电子负载300具有电路连通的两个电流接线端子，两个电流接线端子分别与被测燃料电池100的两个电流接线端子连接，形成电流通路；所述直流电子负载300以恒电流模式运行，即所述直流电子负载300尝试使通过其的电流为设定值且不随输入电压变化。

被测燃料电池100具有两个电流接线端子和两个电压接线端子；两个电流接线端子同时与直流电子负载300的电流接线端子和阻抗分析仪200的电流接线端子连接，两个电压接线端子与阻抗分析仪200的电压接线端子连接，形成电流通路。

工作原理为：所述被测燃料电池100、所述电感单元500和所述直流电子负载300电路串联，形成直流电流通路，所述被测燃料电池100驱动直流电流流经直流电流通路，所述直流电子负载300控制直流电流的大小；所述交流阻抗分析仪200与所述被测燃料电池100电路并联，形成交流电流主通路，所述交流阻抗分析仪200驱动交流电流流经交流电流主通路，同时控制交流电流的大小和相位；同时，所述交流阻抗分析仪200、所述电感单元500和所述直流电子负载300也已构成电路串联，形成交流电流副通路，所述电感单元500增大交流电流副通路的交流阻抗，减小流经交流电流副通路的电流，而使所述交流阻抗分析仪200输出的交流电流与流经交流电流主通路的交流电流接近。

进一步地，所述电感单元500由电感线圈510和双向电压缓冲器520通过电路并联构成。

进一步地，还包括谐振耗散装置600，所述谐振耗散装置具有电路连通的两个接线端子；所述谐振耗散装置600的两个接线端子分别与直流电子负载300的两个电流接线端子连接，形成电流通路。

进一步地，所述谐振耗散装置600由串联连接的一个电容元件和一个电阻元件构成。

实际上，所述直流电子负载300以恒电流模式运行时，其对交流电流的阻抗特性与电容相似；当交流电流副通路中有特定频率的交流电流流过时，所述直流电子负载300和所述电感单元500可能发生串联谐振，对交流电流的阻抗降低；所述谐振耗散装置600用于减弱串联谐振的强度，保持交流电流副通路对交流电流具有较大的阻抗。

本实施例中，所述电感单元500、所述直流电子负载300两个部件与被测燃料电池100串联，流经所述电感单元500的电流和流经所述直流电子负载300及谐振耗散模块600的总电流相等，为了方便实际操作，所述电感单元500与所述直流电子负载300在电路中的次序可调换。

本实施例中，还可以设置直流电源400，所述直流电源400具有两个电流接线端子，两个电流接线端子分别与被测燃料电池100的一个电流接线端子和直流电子负载300的一个电流接线端子连接，形成电流通路；所述直流电源400以恒电压模式运行，即所述直流电源400尝试使其两个电流接线端子之间的电压为设定值且不随输入电流变化。直流电源400与所述燃料电池电动势方向相同。

本实施例中，所述电感单元500、所述直流电子负载300、所述直流电源400三个部件与被测燃料电池100串联，流经所述电感单元500的电流、流经所述直流电源400的电流和流经所述直流电子负载300及谐振耗散模块600的总电流相等，为了方便实际操作，所述电感单元500、所述直流电源400与所述直流电子负载300在电路中的次序可调换。

在图1中仅包含一个电感单元500，实际上恒流单元的两侧均可以设置一个电感单元，或者电感单元位于恒流单元的两侧的任意一侧，各种串联方式均在本发明的保护范围内。

如果被测燃料电池100的输出电压能够驱动测试所需的直流电流，本实施例中也可不包括直流电源400，以进一步简化测试系统结构。

按照本实施例进行10cm*10cm固体氧化物平板式燃料电池不带载和直流带载阻抗的测试结果如图6、图7所示。其中，不使用本实施例装置指，阻抗测试电路中不包含本实施例中所述电感单元500、谐振耗散模块600。如图6，当被测燃料电池不带直流负载时，使用本实施例所述装置及电子负载与否，测试结果无显著差异，且无谐振Kramers-Kronig Test阻抗质量分析偏差较小，阻抗谱可靠性较好。这表明，本实施例所述装置与电子负载同时使用时，不会显著干扰阻抗测试。如图7，当被测燃料电池带30A直流负载时，使用本实施例所述装置可以获得较为平滑的阻抗谱。与此相对，不使用本实施例所述装置测得的阻抗谱中存在间断和跳跃，且无谐振Kramers-Kronig Test(M.

D.Klotz,and E.Ivers-Tiffée,Electrochim.Acta,131,20–27(2014))阻抗质量分析偏差明显更大，阻抗谱可靠性较差。可见，本实施例有效抑制了交流阻抗分析仪测试结果受到的、来自直流通路上直流电子负载300等仪器的干扰，实现了燃料电池全工况在线阻抗的测试。

请参考图2，又一实施例中，在图1所述实施例的基础上，恒流单元包括直流电源400，但不包括直流电子负载300；所述直流电源400具有两个电流接线端子；所述直流电源400以恒电流模式运行，即所述直流电源400尝试使通过其的电流为设定值且不随输入电压变化。

又一实施例中，所述谐振耗散装置600的两个接线端子分别与直流电源400的两个电流接线端子连接，形成电流通路。

又一实施例中，所述电感单元500、所述直流电源400两个部件与被测燃料电池100串联，流经所述电感单元500的电流和流经所述直流电源400及谐振耗散模块600的总电流相等，所述电感单元500与所述直流电源400在电路中的次序可调换。

工作原理为：所述被测燃料电池100、所述电感单元500和所述直流电源400电路串联，形成直流电流通路，所述被测燃料电池100驱动直流电流流经直流电流通路，所述直流电源400控制直流电流的大小；所述交流阻抗分析仪200与所述被测燃料电池100电路并联，形成交流电流主通路，所述交流阻抗分析仪200驱动交流电流流经交流电流主通路，同时控制交流电流的大小和相位；同时，所述交流阻抗分析仪200、所述电感单元500和所述直流电源400也已构成电路串联，形成交流电流副通路，所述电感单元500增大交流电流副通路的交流阻抗，减小流经交流电流副通路的电流，而使所述交流阻抗分析仪200输出的交流电流与流经交流电流主通路的交流电流接近。

事实上，所述直流电源400目前多以开关电源为原型，因此其输出电压和电流的纹波往往较大，可能对阻抗测试有明显干扰；实际使用中，可仍然将所述直流电子负载300通过电路串联进直流电流通路，并将所述直流电源400设为恒电压模式，将所述直流电子负载300设定为恒电流模式，以降低所述直流电源400对阻抗测试的干扰。此时，本实施例与图1所述实施例的差别在于，所述直流电子负载300和所述直流电源400在直流电流通路中相对所述被测燃料电池100的电流极性相反；电流在所述直流电源400的驱动下，以从正极到负极的方向流经所述被测燃料电池100，实现被测燃料电池在电解工作模式下的交流阻抗测试。

请参考图3，再一实施例中，在图1所述实施例的基础上，还包括电流补偿装置700；所述电流补偿装置700包括电流测量模块710、电流输出模块720和补偿装置电源模块730；所述电流测量模块710测量通过直流电子负载300的交流电流，所述电流测量模块710包括采样电阻711和采样电阻电压引线712；所述采样电阻711具有两个电流接线端子，两个电流接线端子分别与被测燃料电池100的一个电流接线端子和直流电子负载300的一个电流接线端子连接，形成电流通路；所述电流输出模块720包括放大电路721和至少一个采样信号输入端子、一个零电位接线端子、至少一个供电接线端子和一个补偿电流接线端子；所述补偿电流接线端子与被测燃料电池100的一个电流接线端子通过补偿电流引线722连接；所述补偿装置电源模块730具有至少一个直流电压源731、一个零电位接线端子和至少一个供电接线端子732，零电位接线端子同时与所述放大电路的零电位接线端子和被测燃料电池未与所述补偿电流接线端子连接的电流接线端子连接。

功能做原理为：所述电流测量模块710同时位于直流电流通路和交流电流副通路中，利用所述采样电阻711将瞬时电流转化为电压信号，经所述采样电阻电压引线712传递给所述电流输出模块720。所述电流输出模块720滤除电压信号中的直流分量，放大交流电压信号，同时输出与流经所述采样电阻711的电流中交流分量等大的电流，这一电流经接地线路返回所述补偿装置电源模块730，形成电流环路。此时，将图3中节点A处的电流单独画出，请参考图4，

为从节点A流出、流向被测燃料电池100的瞬时电流交流分量，

为从交流阻抗分析仪200流入节点A的瞬时电流交流分量，

为从节点A流出、流向电感单元500等位于交流电流副通路的组件的瞬时电流交流分量，

为电流输出模块720经补偿电流引线722输出、流入节点A的瞬时电流交流分量。根据节点电流定理，

理想地，根据所述电流输出模块720的设计，

因此

即交流阻抗分析仪200输出的交流电流与流经被测燃料电池100的电流的交流分量在每瞬时相等，交流电流副通路中的电流对阻抗测试的干扰被消除。

需要注意的是，由于所述电感单元500和所述谐振耗散装置600的作用，所述电流补偿装置700只需要在串联谐振频率附近的两至三个十倍频程范围内进行电流补偿，且补偿电流的幅值远小于所述交流阻抗分析仪200输出的交流电流，因此所述电流补偿装置700的实现成本较低。

具体地，所述电流输出模块具有两个采样信号输入端子，两个端子分别与两个采样电阻电压引线连接，形成电流通路；采样电阻、直流电源、直流电子负载、电感单元四个部件与被测燃料电池串联，流经所述采样电阻的电流、电感单元的电流、流经所述直流电源的电流和流经所述直流电子负载及谐振耗散模块的总电流相等，所述采样电阻、所述电感单元、所述直流电源与所述直流电子负载在电路中的次序可调换。

进一步地，所述电流输出模块也可以具有两个及以上采样信号输入端子，实现采样电压信号的差分输入。

结合图5，一种实施例中，在图1所述实施例的基础上，所述交流阻抗分析仪200具有四个电压接线端子，对应两个差分电压输入通道，其中两个电压接线端子分别于所述被测燃料电池100的两个电压接线端子连接，形成电流通路；另外两个电压接线端子分别与所述采样电阻711经采样电阻电压引线712连接，形成电流通路；所述电流补偿装置只包含电流测量模块。

工作原理为：所述电流测量模块710中的所述采样电阻711位于交流电流主通路中，测量实际流经所述被测燃料电池100的瞬时电流，并通过采样电阻电压引线712向交流阻抗分析仪200反馈电压信号。交流阻抗分析仪200分别将来自所述被测燃料电池100和所述电流测量模块710的电压信号中的交流分量(分别记作

和

)与交流阻抗分析仪200输出的电流信号的交流分量(记作

)进行比较并获得两组阻抗测试结果：

和

根据所述电流测量模块710的已知的阻抗特性(或跨阻特性)Z*，即电流测量模块710的交流响应电压和流经其的被测交流电流之间的关系，当使用采样电阻时称为阻抗。所述电流测量模块710所测量的电流中的交流分量I₁可表示为

由于电路串联关系，所述电流测量模块710所测量的电流与流经所述被测燃料电池100的电流在每瞬时相等，因此所述被测燃料电池100的真实阻抗Z可以表示为

实际上，所述电流测量模块710可以使用其他电流测量原理，例如，在其他实施例中，使用磁通门电流传感器和霍尔效应电流传感器测量瞬时电流。磁通门电流传感器和霍尔效应电流传感器常常输出与其所测电流成比例(例如1：1000，1：2500)缩小的电流信号，在本申请的实施例中，需要使用无感采样电阻将此缩小的电流信号转换为电压信号。Z^*当使用采样电阻时称为阻抗，当使用霍尔元件、磁通门元件等主动器件时称为跨阻。

另一方面提供一种以上燃料电池全工况在线阻抗测试装置在线阻抗测试方法，其特征在于，包括：

(1)交流阻抗分析仪向燃料电池施加不同频率的扰动电流或扰动电压；

(2)恒流单元与电感单元串联后，与燃料电池形成抑制交流电流的直流电流通路；所述恒流单元瞬时电流恒定。

(3)交流阻抗分析仪测量交流电压或交流电流，获得阻抗。

进一步地，如果为图5实施例中，交流阻抗分析仪采集燃料电池交流电压

通过采样电阻采集串联至燃料电池测量流经燃料电池瞬时电流对应的电压

所述交流阻抗分析仪输出的阻抗为：

综上所述，本发明涉及一种燃料电池全工况在线阻抗测试装置和方法，交流阻抗分析仪向燃料电池施加不同频率的扰动电流或扰动电压；恒流单元与电感单元串联后，与燃料电池形成抑制交流电流的直流电流通路；所述恒流单元瞬时电流恒定；交流阻抗分析仪测量交流电压或交流电流，获得阻抗。本发明实现了直流电子负载与交流阻抗分析仪的协同运行，为燃料电池测试系统的模块化及灵活配置提供技术基础，也为设计低成本、高精度的带载阻抗测试仪器提供参考。本发明解决了燃料电池大电流放电时测量交流阻抗的难题，借助电感、电容和电阻等基本元件，以较低的设备和调试成本规避了燃料电池大电流带载阻抗测试易受测试电路中其他设备干扰的问题，实现了直流电子负载与交流阻抗分析仪的协同运行，为燃料电池测试系统的模块化及灵活配置提供技术基础，也为设计低成本、高精度的带载阻抗测试仪器提供参考。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种燃料电池全工况在线阻抗测试装置，其特征在于，包括交流阻抗分析仪、恒流单元、电感单元以及谐振耗散单元；

所述燃料电池，包括含有至少一个正极-电解质-负极结构(PEN)的被测单元；

所述交流阻抗分析仪，向燃料电池施加不同频率的扰动电流或扰动电压，测量交流电压或交流电流，获得阻抗；

所述恒流单元与所述电感单元串联后，与燃料电池形成抑制交流电流的直流电流通路；通过所述恒流单元的瞬时电流恒定；

所述恒流单元包括串联连接的直流电子负载；通过所述直流电子负载的瞬时电流恒定，电流通过的方向与所述燃料电池提供电流方向相同；所述恒流单元还包括恒压直流电源，输出恒定电压，且与所述燃料电池电动势方向相同；

所述谐振耗散单元并联至所述直流电子负载，在所述直流电子负载与电感单元谐振时，提高交流阻抗，抑制交流电流；所述谐振耗散单元包括串联连接的电容元件和电阻元件。

2.根据权利要求1所述的燃料电池全工况在线阻抗测试装置，其特征在于，所述电感单元包括并联的电感线圈和双向电压缓冲器。

3.一种燃料电池全工况在线阻抗测试装置，其特征在于，包括交流阻抗分析仪、恒流单元以及电感单元；

所述燃料电池，包括含有至少一个正极-电解质-负极结构(PEN)的被测单元；

所述交流阻抗分析仪，向燃料电池施加不同频率的扰动电流或扰动电压，测量交流电压或交流电流，获得阻抗；

所述恒流单元与所述电感单元串联后，与燃料电池形成抑制交流电流的直流电流通路；通过所述恒流单元的瞬时电流恒定；

所述恒流单元包括恒流直流电源，所述恒流直流电源提供的瞬时电流恒定，电流方向与所述燃料电池提供电流方向相反。

4.根据权利要求3所述的燃料电池全工况在线阻抗测试装置，其特征在于，所述恒流单元还包括直流电子负载，直流电子负载与所述恒流直流电源串联，通过直流电子负载的瞬时电流恒定，电流通过的方向与所述恒流直流电源提供电流方向相同。

5.根据权利要求3或4所述的燃料电池全工况在线阻抗测试装置，其特征在于，还包括谐振耗散单元并联至所述恒流直流电源，在所述恒流直流电源与电感单元谐振时，提高交流阻抗，抑制交流电流。

6.根据权利要求2或3所述的燃料电池全工况在线阻抗测试装置，其特征在于，还包括电流补偿单元，获取流经电感单元电流的交流部分，基于交流部分生成和流经电感单元的交流电流相同的交流电流，补偿至交流阻抗分析仪的输出。

7.根据权利要求6所述的燃料电池全工况在线阻抗测试装置，其特征在于，所述电流补偿单元包括电源模块、电流测量模块以及电流输出模块；

所述电源模块为所述电流输出模块供电，与所述燃料电池和电流输出模块共地；所述电流测量模块采集流经电感单元的电流并反馈至电流输出模块；所述电流输出模块，滤除采样电压中的直流信号，将交流部分放大至流经电感单元的交流电流大小，补偿至交流阻抗分析仪的输出。

8.根据权利要求2或3所述的燃料电池全工况在线阻抗测试装置，其特征在于，所述交流阻抗分析仪采集燃料电池交流电压

测量流经燃料电池电流对应的交流电压

所述交流阻抗分析仪输出的阻抗为：

其中Z*为测量实际流经被测燃料电池电流的采样电阻阻抗值或电流传感器的跨阻。

9.根据权利要求8所述的燃料电池全工况在线阻抗测试装置，其特征在于，通过采样电阻采集串联至燃料电池测量流经燃料电池电流对应的交流电压

所述交流阻抗分析仪具有四个电压接线端子，对应两个差分电压输入通道，其中一个差分电压输入通道的两个电压接线端子分别于所述被测燃料电池的两个电压接线端子连接，形成电流通路；另外两个电压接线端子连接至所述采样电阻两端；

通过电流传感器采集串联至燃料电池测量流经燃料电池电流对应的交流电压

所述交流阻抗分析仪具有四个电压接线端子，对应两个差分电压输入通道，其中一个差分电压输入通道的两个电压接线端子分别于所述被测燃料电池的两个电压接线端子连接，形成电流通路；另外两个电压接线端子连接至所述电流传感器的电压输出端子。

10.利用权利要求1-9之一所述的燃料电池全工况在线阻抗测试装置在线阻抗测试方法，其特征在于，包括：

交流阻抗分析仪向燃料电池施加不同频率的扰动电流或扰动电压；

恒流单元与电感单元串联后，与燃料电池形成抑制交流电流的直流电流通路；所述恒流单元瞬时电流恒定；

交流阻抗分析仪测量交流电压或交流电流，获得阻抗。

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