燃料电池系统EIS（电化学阻抗谱）测试详解
燃料电池系统EIS（电化学阻抗谱）测试详解
燃料电池系统EIS(electrochemical impedance spectroscopy, 电化学阻抗谱)是表征燃料电池系统性能和特性的重要手段之一。通过电化学阻抗谱的测量和分析，可以有效分离各种因素（传质因素、排水因素、接触与导电、散热因素等）对燃料电池系统单独的影响，EIS测试可应用于燃料电池系统水热管理优化、冷启动前的关机吹扫控制、电堆寿命预测、膜干/水淹的故障诊断等方面，为燃料电池系统的优化设计和应用提供重要依据。
EIS测量原理
EIS是测量设备通过一个频率可变的小幅正弦波电压（或电流）信号，对燃料电池系统微扰以激励阻抗响应，从而得到燃料电池系统相应参数。
为保证EIS测量的有效性，电极系统须满足因果性、线性、稳定性3个条件，一般要求扰动的电压信号振幅在5～15mV左右，电流信号在工作电流的10%以下，最大频率在1kHz以上。
EIS测试流程
①主要设备
EIS测试设备包含有：EIS交流干扰主设备（电子负载-用于叠加测试用的交流电流信号；函数发生器-用于生成交流激励信号）；接线盒（电压采集装置-用于采集测试过程中燃料电池系统的电压信号；电流采集装置-用于采集测试过程中燃料电池系统的电流信号）；工控机电脑（阻抗测试分析软件-用于在线及离线的数据记录及处理。）
②设备连接
- 需要将电堆输出正负极连接至接线盒对应位置；
- 需要将DCDC(或者负载)输入正负极连接至接线盒对应位置；
- 将EIS设备的交流信号负载线正负极连接至接线盒对应位置；
- 将EIS设备的交流电压，交流电流传感器接插件连接至接线盒对应位置；
- 测量设备的通讯线连接至工控机电脑。
③数据采集
对电堆内部状态进行测量，分别进行DC Measurement（直流测试）、Fixed Frequency（定频测试）、Frequencysweep（扫频测试），三种模式对燃料电池系统进行直流、单频、扫频测试，采集燃料电池系统在不同扰动信号频率下阻抗参数的数据。
扫频测试输出R -theta Graph（阻抗参数与时间关系曲线图）、Bode Graph（波特图）、Nyquist Graph（奈奎斯特图）。
阻抗参数与时间关系曲线图
波特图
奈奎斯特图
EIS数据分析
等效电路模型（ECM）是分析阻抗谱常用方法，该模型可描述阻抗的变化趋势而又无需复杂的机理过程，内部物理化学现象可由等效电子元件替代，单个等效电子元件值可基于实测阻抗谱，通过数学算法拟合得出。
燃料电池系统发生反应的过程主要有以下损耗：欧姆损失、阴极活化、阳极活化、阴极质量传输。
一般EIS测试结果如下图（奈奎斯特图），主要由三部分组成：两个特征半圆和一短弧，阻抗谱不同部分对应燃料电池系统内部各个损耗过程。EIS测试应用点击阅读：《干货丨质子交换膜燃料电池EIS测试技术详解》。
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