燃料电池绝缘阻值怎么计算 (燃料电池电流电压曲线怎么分析)

新能源汽车在我国发展势头正劲,其中有一种发展方向就是燃料电池汽车 (FCV)。

动力电池阻值测量的常用方法,测新能源电池绝缘电阻的正确方法

它通过燃料(目前主要的燃料为氢)的化学能转化为电能,提供行驶所需的能量,这几乎是一个完美应对气候和环保问题的能源解决方式。虽然在目前市场上这一类新能源汽车还比较少见,但相比较电动化的发展方向,它却是最贴近新能源汽车本质的一种。

各国都在此投入大量的研发费用,那么作为一名电测人,我们来看一下如何高效的来测量燃料电池的电阻值。

首先我们为什么需要测量燃料电池的电阻值呢?

将利用电化学反应的燃料电池的电阻值使用等效电路进行表示时,可以参考下图

动力电池阻值测量的常用方法,测新能源电池绝缘电阻的正确方法

Rs在燃料电池中被称为膜电阻,是由电极、隔膜、触媒以及离子交换膜的电阻相结合而组成。

Rc被称为反应电阻,是由于燃料的氢放出电子后,氧接受了电子的反应中用于使其活性化的能量损失而产生的。

Cd是被称为双电层电容的静电容量,当与Rc并联时将会形成时间常数。

由于该等效电路的电容Cd不流动直流,所以燃料电池的直流电阻为膜电阻Rs与反应电阻Rc相加的值。也就是在直流电中只能测量该合计值,却无法确认Rs与Rc、Cd分别的值。但是,在不同的2点以上的频率下测量电阻时,可以根据其测量值计算出图2 等效电路中包含Cd的各个常数。并且还可作为了解燃料电池的哪个部分发生了什么的线索。

电感的影响

在燃料电池实用化时会发生的其中一个问题是提高单位体积的输出功率。为了可以提高燃料电池的输出效率,需要尽可能的减少Rs与Rc。燃料电池的开发人员也是对减少其值而不断地进行研究开发。固体高分子燃料电池的单元电池中,电阻值非常小,只有数mΩ~数10mΩ。所以很难使用普通的LCZ测量仪等测量。那么如何在不受电线等的影响下尽可能准确地测量如mΩ数量级的电阻值呢?

动力电池阻值测量的常用方法,测新能源电池绝缘电阻的正确方法

其中一个非常有效的方法是在测量对象附近连接传感线(电阻测量用电线)。这样可以测量出不包含测量对象为止的布线电阻和电感。但是,电阻测量不能仅凭这一点就安心。随着频率慢慢升高,仅仅带有一点点长度的电极所具有的电感成分的影响也会变大。麻烦的是电感成分一定会出现在有长度的地方,所以在进行mΩ数量级的低电阻测量时需要十分注意。即使只有几厘米,测量值也会有很大的差别。例如图2的例子中,测量值会有多少差异呢?让我们实际来计算一下吧!

假设燃料电池中的电极长度分别为2cm时,一般来说电线的电感约为10mH/cm,电极的电感为40mH。如果在频率10kHz下测量一个真实值为R=3mΩ、X=0Ω的电阻的燃料电池时下图

动力电池阻值测量的常用方法,测新能源电池绝缘电阻的正确方法

Z=R+jX

=0.003+jωL

=0.003+j·2π·10000·0.00000004

≒3mΩ+j2.51mΩ

Φ=tan-1(X/R) ≒40°

仅仅只是将传感位置偏离了2cm,就会使原本为0的电抗成分达到2.51mΩ。电压与电流间也会产生40°的相位角,导致最终值与真实值出现误差。在这种状态下,如果改变测量频率并绘制科尔作图时,则会出现如图3 所示的差。

动力电池阻值测量的常用方法,测新能源电池绝缘电阻的正确方法

小知识:什么是电阻测试仪?

直流电阻的情况下,无论是与电感L串联、或是与电容C并联,其值都不会变化。但是在使用交流的电阻的情况下,还需考虑由电感L与电容C所产生的电抗。电阻Z通常被认为是实际电阻成分R与电阻成分X之间的连接。电阻测试仪就是为测量该R与X的装置。

在测量电阻时,如果不去注意在直流中所不需要考虑的部分,则无论测量仪器的精度有多高,也都无法发挥其能力。