CN101144850B - 燃料电池电压衰减快速测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于清洁能源技术领域的一种燃料电池电压衰减快速测量方法及装置。该快速测量装置是待测燃料电池测试电路和参考电池分路的以相同电路结构分别接到差分放大器的同相和反相输入端，差分放大器的输出连接微处理器。所述快速测量方法是先选定电压衰减和功率衰减为表征燃料电池寿命/耐久性的物理量，在系统前级将测量对象从单片或者电堆的输出电压，变换为单片或者电堆的输出电压的衰减或者相对衰减，而直接测量输出电压衰减，后级则可采用常规的精密放大器、模拟开关；差分放大器的输出经过模数转换后送入微处理器进行进一步处理，即得到待测燃料电池电压衰减和功率衰减，从而评价燃料电池寿命/耐久性。

Description

燃料电池电压衰减快速测量方法及装置

技术领域

本发明属于清洁能源技术领域，特别涉及关于质子交换膜燃料电池的耐久性、寿命评价技术以及燃料电池的优化控制和管理的一种燃料电池电压衰减快速测量方法及装置。

背景技术

实际应用中，燃料电池产品通常是需要将多个单片燃料电池单元串联起来，结构上表现为多个单片层叠装配成为一个整体，称为电堆(fuel cell stack)，单片通常串联起来，共用一套燃料入口出口及冷却水入口出口。电堆的输出电流从电堆两端的单片引出。电堆的电压则等于串联的各个单片电压之和。

根据数理统计及可靠性等理论可知，通常多个样本的统计量更接近真实的总体分布情况。在对某种类型或者批次燃料电池的耐久性测试中，也就是说需要对多个燃料电池样本，通常也就是多个电堆，进行试验，才可得到具有一定置信度的此类型或批次燃料电池耐久性评价结论。

基于常规的燃料电池试验台，多个样本的试验，可以有两种做法：要么对于多个样本逐个进行测试；要么多个试验台对多个电堆样本同时进行测量。前者测试周期拖得很长；后者需要多个燃料电池试验台，需要给每个样本配备相应的测试系统、水热管理系统、气体控制系统、负载控制系统等模块，成本很高。

典型的燃料电池的可靠性、耐久性/寿命试验，具有如下特点：

破坏性试验，多个样本的破坏，需要的成本很高；

试验周期很长，特别是随着技术的进步，总是希望把耐久性和寿命做得更长、可靠性做得更高，同样试验条件下，这样破坏试验的周期也就越来越长。

长时间的破坏性试验中，试验系统的损耗、实验耗费的燃料和电力等非常多。对于清华大学引进的加拿大GreenLight燃料电池试验系统配备5kW燃料电池，目前每天4～8小时试验燃料和材料费用需要300～500元，100小时的试验材料费好几千元。目前燃料电池寿命则可达到几千到几万小时。整个试验周期的花费会非常高昂。

综上所述，在短时间内完成燃料电池的可靠性、耐久性或寿命试验等工作，对于燃料电池的开发、使用、在线优化控制管理、故障诊断等工作具有重要意义。研究并改进试验测试方法，新的试验装置就很有必要，本发明目的就是为燃料电池的快速测试和评价提供新的方法，也可用于其它类型电池的快速测试。

为了评价燃料电池的耐久性，可以通过燃料电池输出电压的衰减来推断。燃料电池随着时间，输出能力会降低，表现在，给定的负载电流和工作条件下，电压会随着工作时间而慢慢降低，或者在给定的电压下，输出电流的能力会降低，也就是输出功率降低，同时效率也在降低，当输出能力降低到一定程度的时候，提供的电力将无法驱动负载正常工作，或者效率降低使得经济性变得不划算了，或者故障频发，维修不划算，并带来安全性问题。这个时候，就认为燃料电池该寿终正寝了。这样评价燃料电池的正常工作时间或者耐用程度的指标，称为耐久性或者寿命。可见，通过检测燃料电池输出电压的变化，可以来判断评价燃料电池的耐久性和寿命。

燃料电池电压测量方面，傅明竹、胡里清先生的专利CN1480741中，设计了一种燃料电池各单电池工作电压监控与安全报警的装置，采用单片机控制开关巡回选通将某一个需监控的单电池电压信号送入A/D转换器，直接进行采集。

加拿大N·A·弗里曼；S·马西；R·B·戈帕尔先生的专利CN1643390中，测量燃料电池电压的方法是采用差分放大器直接跨接在电化学装置的电池之间的多个测量点上的多个输入端，用来产生指示测量电压的电压信号。

王立明；付明竹；葛栩栩；胡里清等专利CN1841080中，将若干差分放大器与需要监测的单电池一一对应连接，每个单片用一个差分放大器测量电压，累加单片电压则可得到燃料电池电堆的总电压。

清华大学方成、许家群、李建秋、欧阳明高等发明的一种车用燃料电池堆单片电压监测装置，采用方法是电阻分压电路的输入端分别与被测的燃料电池堆各单电池连接，其输出端连接至多路开关电路的输入端；差分运放与A/D转换电路的输入端与多路开关电路的输出相连接。李中；刘蒙；卢兰光；李建秋；欧阳明高等发明的另一种车用燃料电池单片电压监测装置，采用光耦选通电路分别选通各单片电池两端的电势，实现对单个单片电池电压的直接测量，并解决电势积累的问题，采用64个双通道光耦隔离继电器作为选通元件，共选通124个单片电压；隔离电路用于燃料电池信号选通电路与单片机信号处理电路之间的隔离，防止燃料电池的电环境对单片机电路的干扰。

以上发明中的燃料电池电压测量方法，基本均可以归结为对于单片电压或者电堆电压的测量。利用上述装置，如果要用于耐久性试验，则要通过测量前后若干时间点的输出电压，来间接获得输出电压的衰减。

微小的燃料电池运行输出电压衰减叠加在幅度很大的开路输出电压上。其缺点是在较大的量程下，分辨率/精度/稳定性等难以做到很高，如果要提高性能，成本会急剧上升。

燃料电池工作中，温度、湿度、压力、流量、流场中的瞬态现象、积水、持续工作时间等对于燃料电池的输出均有影响，这些影响也往往远远大于短期运行试验内的燃料电池性能衰减，使得运行试验时间不得不大大延长，方可确定性能衰减的量。如果要快速获得燃料电池的性能衰减，则也需要除去这部分影响。

本发明则要提出一种差分原理的快速电压衰减测试方法，基于此原理的一些实施例将测量范围较大的输出电压变为测量范围较小的电压或电压衰减，来完成燃料电池电压衰减的快速精密测试。基于本方法的一些实施例则还可以部分或者全部削减工作状态波动带来的不利影响。从而得到可以缩短试验时间的快速耐久性试验评价方法。基于本方法的另一些实施例，则还可以通过电池进行调制来消除静态测量下的零点漂移等影响。

本文所示方法和装置，也不局限于应用在耐久性/寿命评价中，也可以用于燃料电池输出电压的精密测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池电压衰减快速测量方法及装置。其特征在于，所述燃料电池电压衰减快速测量方法是：

(1)选定电压衰减和功率衰减为表征燃料电池寿命/耐久性的物理量，其中功率通过电压和电流间接得到；从而减小了待测电压区间，并且消除、减小复杂的未知的因素的影响；

(2)在系统前级将测量对象从单片或者电堆的输出电压，变换为单片或者电堆的输出电压的衰减或者相对衰减，而直接测量输出电压衰减，这样既减小工作状态差异的影响、又减小测量的动态范围，并且达到减轻对于测量系统后级精度要求的目的，后级采用常规的精密放大器、模拟开关；

(3)测试装置中在待测燃料电池测试电路中设置参考电池分路，然后各自的输出电压送至差分放大器的同相和反相输入端，差分放大器的输出经过模数转换后送入微处理器进行进一步处理，即得到待测燃料电池电压衰减和功率衰减，从而评价燃料电池寿命/耐久性。

所述待测电池的输出电压为初始电压减去随着工作时间而衰减的电压，参考电池电压相当于相同的初始电压，待测电池的电压减去参考电池或电压源的电压之差可以通过量程很小的电压仪表测得，那么测量的对象也就从燃料电池的电压变换为测量燃料电池的电压衰减。

所述参考电池为基准电压、电压源、或者计算机控制的受控电压源。

所述燃料电池电压衰减快速测量的流程如下：

1)准备特性相同或接近的两电池，分别用作待测电池和参考电池；

2)待测电池在实际或更恶劣工作条件下考核运行，累计工作时间T₀，参考电池直接在恒定稳态工作条件下运行或者静置相同的时间T₀；

3)开始测试运行，待测电池、参考电池同步运行至稳态，保持足够的时间，以减小历史状态不同带来的可逆的性能波动；

4)在时刻t，测量待测电池、参考电池输出电压之差Δu(X，T，x)，即得到近似的待测电池电压衰减测量值。可反复多次测量u_d(X，T，x)，取平均来提高精度，得到较准确的

5)是否扣除参考电池的衰减，如果扣除，则执行步骤6，如果不扣除，则执行步骤7后结束；

6)扣除参考电池电压衰减，参考电池电压衰减规律u_rd(X_r，T_r，x)可根据试验或者文献近似确定，对上述待测电池衰减的近似测量值进行补偿，进一步提高精度；

7)如果不扣除参考电池电压衰减，两电池差即为累计工作时间T内在X工况考核下的待测电池的电压衰减；

8)两电池差中扣除参考电池电压衰减，两电池差即为累计工作时间T内在X工况考核下的待测电池电压衰减；执行步骤9；

9)重复上述步骤，分别在累计考核工作时间T＝T₀，T₁，……T_n进行上述测量，获得上述时间点的待测电池电压衰减

如需较为准确地确定待测燃料电池电压衰减函数曲线或预测电池寿命，则执行步骤10；如果不需要获得多个时间点的待测电池电压衰减，则返回步骤2，继续进行。

10)对于待测电池电压衰减数据(T₀，

)，(T₁，

)，…，，进行曲线拟合，结束。

所述燃料电池电压衰减快速测量装置，待测燃料电池测试电路和参考电池分路的连接方式相同，包括电池反接差分放大方式和电桥方式；然后待测燃料电池测试电路和参考电池分路的输出分别接到差分放大器的同相和反相输入端，差分放大器的输出连接微处理器。

所述电池反接差分放大方式为在待测燃料电池测试电路和参考燃料电池分路中，在各电池上并联有负载电阻，两种电池的负端相连后接地；待测电池的正极接差分放大器的同相输入端；参考燃料电池的正极接差分放大器的反相输入端，差分放大器的输出连接微处理器。

所述电桥方式的电桥的结构是在待测燃料电池301正负极上并联第一负载电阻303，然后桥臂电阻R1、R2串联后并接在待测燃料电池301正负极上，在参考电池302正负极上并联第二负载电阻304，然后桥臂电阻R3、R4串联后并接在参考电池302正负极上，然后待测燃料电池301正极、参考电池302正极、桥臂电阻R2和桥臂电阻R4连接在一起后接地；桥臂电阻R1和桥臂电阻R2的结点接差分放大器305的同相输入端，桥臂电阻R3和桥臂电阻R4的结点接差分放大器305的反相输入端，差分放大器305的输出连接微处理器306。

所述电桥方式的电桥的结构是待测燃料电池301负极、桥臂电阻R1、R2串联，然后第一负载电阻303再并联在该串联电路两端；参考电池302负极、桥臂电阻R3、R4串联，然后第二负载电阻304再并联在该串联电路两端；然后第一负载电阻303、桥臂电阻R2、第二负载电阻304和桥臂电阻R4连接在一起后接地；桥臂电阻R1和桥臂电阻R2的结点接差分放大器305的同相输入端，桥臂电阻R3和桥臂电阻R4的结点接差分放大器305的反相输入端，差分放大器305的输出连接微处理器306。

所述电桥各个臂采用电阻构成，或采用电阻、电容、电池、可控电压源的组合。

所述电桥的平衡指示由放大器，微处理器来实现，或由微伏计来实现。

本发明的有益效果是不需要专门开发相关的测试系统，只需要附加简单的测试模块即可，造价低；试验条件与实际使用条件相符，也就没有工作条件不符带来的估计误差。可以在正常运行条件下测试，或者短期的加速试验条件下，不需要破坏昂贵的燃料电池或者破坏较小的情况下即可得到常规需要完全破坏才能获得的结果。

附图说明。

图1为燃料电池的电压衰减曲线图。

图2为缩小量程的基本原理图。

图3为反接差分放大方式电池测试电路示意图。

图4～图5为电桥方式电池测试电路示意图。

图6所示为燃料电池电压衰减快速测量的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种燃料电池电压衰减快速测量方法及装置。燃料电池寿命/耐久性试验可以沿着三种思路进行。常规寿命/耐久性试验方法，燃料电池工作于正常使用条件下的长时间观察来得到燃料电池耐久性的变化规律。可以选择燃料电池的输出电压/输出功率/输出电流来评价燃料电池耐久性。正常使用条件下，随着燃料电池的日益改进，也许经过十几天乃至几十天的试验和使用，依然无法检测到明显的性能衰退。要得到衰减规律，整个试验也许就需要大半年乃至一二年时间。可见，这种方法缺点很明显，无法满足对于燃料电池研发和使用中的需求，因为人们总是期望在几天乃至几个月内知道改进后的产品，可靠性如何、耐久性如何，而不是几年后。

通过加速试验来加剧燃料电池性能的衰减过程，使得短时间内电池性能衰减变化显著增加，就可以容易测量了，从而缩短测试时间。加速试验采用比实际使用恶劣得多的试验条件，来加速电池性能的衰退乃至破坏。通常需要特制的加速试验系统，缺点：系统造价很高，且与实际使用条件不太相符，寿命和耐久性估计有一定的误差。需要多个样本，试验成本也很高。

燃料电池在正常的工作或试验情况下，输出电压的衰减等表征燃料电池性能衰减的量需要通过较长时间的工作方可测得。

对于单片PEMFC燃料电池，空载开路电压大于1V，正常工作时的电压0.6～0.7V，可以选择量程1V，燃料电池的衰减，稳态下已经可以达到0.1μV/h，动态范围10⁷倍，140dB，用二进制表示23.3位。

如图1所示，直接测量电压，测量系统输入端所需的量程101比较大。

一般放大器和数据采集系统的动态范围有限，量程、失调、增益误差、温漂、长期漂移、噪声等指标难以兼顾。失调、噪声、温度漂移和长期漂移往往远远大于每个小时乃至几天燃料电池的衰减，且后续电路和系统很难分离。所以一般的需要较长时间的试验来加大衰减的量。如果要测得前述的1小时试验的衰减量，需要非常精密的测试系统，至少24位模数转换器(ADC)才能勉强测得。10小时的衰减量，采用这样高精密的测试系统误差也有10％。而且高精度放大器、模拟开关、24位模数转换器、系统布线等均需要特别设计、技术难度比较高，构成的系统等会非常昂贵。

本发明选定的燃料电池寿命/耐久性的表征物理量为燃料电池电压衰减/功率衰减。功率通过电压和电流间接得到；减小了待测电压区间，并且消除、减小复杂的未知的因素的影响。

系统前级，将测量对象从单片或者电堆的输出电压，变换为单片或者电堆的输出电压的衰减或者相对衰减。通过直接测量输出电压衰减，而非输出电压，这样既可减小工作状态差异的影响、又可减小测量的动态范围，并且达到减轻对于测量系统后级精度要求的目的，后级则可采用常规的精密放大器、模拟开关、10～14位模数转换器等。可见这是比较合理的方法。

为了精确测量燃料电池电压的衰减，可以将输出电压减去固定的一个电压(如图1的104所示)，留下部分，从而减小测量的范围(如图1的102所示)。实现的原理如图2所示，待测电池201的电压减去参考电池或电压源202的电压。待测电池的输出电压相当于初始电压减去随着工作时间(如图1的103所示)而衰减的电压，参考电池电压相当于相同的初始电压。则两者之差可以通过量程很小的电压仪表203测得。那么测量的对象也就从燃料电池的电压变换为测量燃料电池的电压衰减了。

为此，可以为待测燃料电池配备用作参考的电池或者装置，此电池或者装置用于提供固定的或者变化电压用来抵消待测燃料电池中与性能衰退无关的电压分量。这样的电池或者装置可以是燃料电池与电压基准、电压源、其它电池、或者计算机控制的受控电压源等。

如果仅仅缩小量程，还不能充分消除测量的误差。考察一下，燃料电池工作的特点：

燃料电池中电化学反应生成水、有水淹的问题，影响反应物质的供应速度以及化学反应的分布；燃料电池内部电化学反应以及电流通过内阻生成热；既受到内部化学反应的影响，也受到负载变化影响，还受到增湿、温度管理、散热等因素的影响；

开机、或者负载变化等都要有一个较长的温度、湿度、流量、压力等的复杂的动态平衡过程，在此过程中伏安特性表现为较显著的波动，燃料电池城市客车的测试数据反应了实际工作中这种情况。下午的性能也许比上午的性能好，若干天后的某次测试也许性能比上次测试的性能好。

既然燃料电池内部的工作状态很难精确保持在给定的恒定状态。也就是说很难让燃料电池保持在一个非常精确的给定状态让我们测量并比较其电压或者电压衰减。那么这就必然存在很大的误差。

这种误差是我们假设外部条件相同的情况下得出的，实际的外部条件存在控制误差，内部状态则更是存在较大的差异。表现出来可以归纳为不确定性、时变特性。短时间内的这些变化，实际上是可逆的变化，而燃料电池衰减变化是不可逆的。可以将时间尺度不同、可逆不可逆的电压变化分开表示。

对于在工况X下，累计考核工作时间T的待测电池，考核结束后，进入稳态工况。其输出电压是工作条件x、累计工作时间T以及进入稳态工况后的持续时间t的函数。假设在t时刻，待测燃料电池处于某个设定的平衡状态(假设t此前的可逆变化可以忽略)。

在工况X下累计工作时间T的待测电池，测试开始后的t时刻(t＜＜T)，在设定工作条件x下待测电池的输出电压为u(X，T，x，t)。可以分解为两大部分：

u(X，T，x，t)＝u_a(X，T，x，t)-u_d(X，T，x，t)

≈u_a(x，t)-u_d(X，T，x)    (1)

＝[u_a1(x₀，t)+u_a2(x₀，Δx₀，t)]-[u_d1(X，T，x₀)+u_d2(X，T，x₀，Δx₀)]

式中：

u为待测电池的输出电压；u_a与衰减无关的部分，u_d仅与衰减有关的部分；

T为工况X下累计考核运行的工作时间；

X为考核运行时的工况，按照工况确定的随着时间变化的燃料电池工作条件，包括输出电流、氢气压力、氧气/空气压力、氢气湿度、氧气/空气湿度、电堆温度、氢气过量系数、氧气/空气过量系数等等；

x₀为测试工况的目标设定值(基准测试条件)，工况对于电压输出影响很大，只有给定统一的基准工作条件，电压衰减的测量比较才有意义；x为测试时工况的实际值(实际测试条件)；Δx₀为测试条件x(实际值)与基准测试条件(目标值)x₀之间存在的误差，x＝x₀+Δx₀。测试时的工况包括输出电流、氢气压力、氧气/空气压力、氢气湿度、氧气/空气湿度、电堆温度、氢气过量系数、氧气/空气过量系数等等参数；

t为电压取样测量的时刻，也是从考核运行结束到电池内部达到状态x的时间。

公式(1)表示，t时刻待测电池的输出电压，分解为两部分，第一部分为与衰减无关的部分u_a(X，T，x，t)，也就是说与长期的累计考核工作时间T基本无关，当t也足够长，与过去较早时间的工况关系也不大，但与当前状态x以及误差Δx₀有关，可以近似为u_a(x，t)，测试条件x＝x₀+Δx₀，x₀的误差及波动较大，幅值较大，变化范围也较大；第二部分为燃料电池的衰减u_d(X，T，x，t)，幅值很小，变化范围也较小。衰减相对来说很慢的，测试时间t＜＜累计工作时间T，另外测试工况对于电池衰减的影响远小于考核工况，故测试时间t内的衰减可以忽略。故可以简化为u_d(X，T，x)。

又因前者实际工作/测量条件x和基准测量条件x₀很难保持一致，故上述两部分又各自可分两部分。前者，衰减无关的部分包含：为与基准测量条件下x₀的输出电压u_a1(x₀，t)，实际测量条件x下的输出电压和基准测量条件x₀下的输出电压之差u_a2(x₀，Δx₀，t)，包含当前状态的影响，又有历史状态的累积影响，随着时间的推移，新近状态的影响不断出现，早期状态的影响逐渐趋向于0，也就是包含有连续不断的可逆电压变化；

后者，衰减部分包含：为基准测量条件下x₀的输出电压测得的衰减u_d1(X，T，x₀)，实际测量条件x下测得的输出电压衰减和基准测量条件x₀下测得的输出电压衰减之差u_d2(X，T，x₀，Δx₀)。其中u_d1(X，T，x₀)为真正想测量的量。

可见，如果直接一个燃料电池测量前后的电压用以确定衰减，则其中多出来了三项干扰，测试时的工作状态不准确的干扰：u_a2(x₀，Δx₀，t)，u_d2(X，T，x₀，Δx₀)，时变因素带来的干扰u_a1(x₀，t)、u_a2(x₀，Δx₀，t)中与时间有关的部分；以及量程放大而引入的测量误差，微小的待测量u_d1(X，T，x₀)上叠加了幅度大了若干个数量级的u_a1(x₀，t)。

短期内的反应物质分布、水热分布等状态变化波动及平衡过程，这些既有时变特性也有随机特性的因素给燃料电池的输出也带来了相应的影响。和燃料电池不可逆衰减量混叠在一起。所以，真实的不可逆衰减量不易测准，如果据此来估计寿命，则误差必然很大，如果延长工作时间来增大这个不可逆衰减量，以减小燃料电池不可逆衰减量测量误差，则试验周期会大大延长。

这么复杂规律变化的干扰，并不容易通过电脑进行滤除，效果也非常有限。在源头上提高精度应是最有效的途径。故期望在源头上消除干扰，考虑引入测试的时候同步工作的参考电池来解决问题。

类似地，参考燃料电池的输出电压，同样也包含上述两部分以及4个分量：

u_r(X_r，T_r，x，t)＝u_ra(X_r，T_r，x，t)-u_rd(X_r，T_r，x，t)

≈u_ra(x，t)-u_rd(X_r，T_r，x)    (2)

＝[u_ra1(x₀，t)+u_ra2(x₀，Δx₀，t)]-[u_rd1(X_r，T_r，x₀)+u_rd2(X_r，T_r，x₀，Δx₀)]

式中：

u_r为参考电池的输出电压；u_ra与衰减无关的部分，u_rd仅与衰减有关的部分；

T_r为累计运行的工作时间；

X_r为运行时的工况，通常直接以性能下降最小的储存条件静置或工作条件工作，包括输出电流、氢气压力、氧气/空气压力、氢气湿度、氧气/空气湿度、电堆温度、氢气过量系数、氧气/空气过量系数等等；

x为实际测试条件，也包括输出电流、氢气压力、氧气/空气压力、氢气湿度、氧气/空气湿度、电堆温度、氢气过量系数、氧气/空气过量系数等等；

x₀为基准测量条件，当要进行衰减测量的时候，就选取这一给定的工作条件，作为比较电压衰减的基准参数。典型的，比如可以选择额定功率或者额定功率的50％等等；Δx₀实际测试条件与基准测试条件之间存在误差，x＝x₀+Δx₀；

t为给定的平衡状态到电压取样测量时的时间；

如果我们选择的参考燃料电池，短时间内的特性与待测燃料电池的短时间特性相同，则公式(2)可表示为：

u_r(X_r，T_r，x，t)＝u_ra(X_r，T_r，x，t)-u_rd(X_r，T_r，x，t)

≈u_a(x，t)-u_rd(X_r，T_r，x，t)    (3)

那么，两个燃料电池电压之差：

u_r(X_r，T_r，x，t)-u(X，T，x，t)

≈[u_a(x，t)-u_rd(X_r，T_r，x，t)]-[u_a(x，t)-u_d(X，T，x，t)]

＝u_d(X，T，x，t)-u_rd(X_r，T_r，x，t)    (4)

≈u_d(X，T，x)-u_rd(X_r，T_r，x)

≈u_d(X，T，x)

可见，参考燃料电池，短时间内的特性与待测燃料电池的短时间特性相同，则短时间内的波动即可抵消。剩下的是反映衰减特性的部分。测试阶段两电池的衰减很慢，测试时间t远远小于考核时间T，故两者的衰减均较小且两者的衰减规律接近，故测试阶段的衰减之差可以忽略。

工作于稳态的参考电池的衰减速率通常远远小于考核状态电池衰减速率，u_d(X，T，x)＞＞u_rd(X_r，T_r，x)，故两燃料电池之差，大约就等于待测电池在考核阶段的衰减。

可见本方法直接得到的就是考核运行时间T的电压衰减值，引入的噪声和干扰较小，精度较高。而直接输出电压测量法则需要测量考核运行前后的输出电压(动态范围较大，不易测准其中的衰减)，取其差值(电池在考核前后的工作状态很难保持一致，引入与衰减测量无关的干扰)，才得到考核时间内的电压衰减。由于其机理上难以避免带入较大的噪声和干扰，故精度很低，或者需要通过大幅度延长考核时间来获得衰减数据。

也就是说可以借助于短时特性相同且于测量阶段同步工作的参考燃料电池，即可直接得到待测燃料电池的电压衰减。

当然了，实际中不可能完全抵消，只能是大致抵消。由于制造、匹配、控制的误差，待测燃料电池和参考燃料电池必然包含实际工作状态的差异，存在时变特性的差异。其中，较长时间尺度的秒级～小时级的波动，通过匹配选择合适的参考电池或者其它方法补偿，基本可以抵消。更短时间内的波动，则主要是随机因素造成的，可以通过多次取样测量，依据概率和统计方法进行消除。

故此，得到对于参考燃料电池的要求：

稳态特性基本相同，如有差异将带来测量误差；

水、热、气、负载、电化学的时间常数与待测燃料电池基本相同，电池特性越接近，则抵消干扰的效果也就越好；

测量阶段，控制两电池同步工作，则两电池状态同步变化，故产生的扰动也同步变化，就可以互相抵消。

据上述方法，经过若干次短时间的考核运行，并在其间依次测得若干电压衰减，即可描绘出其衰减曲线的片段，进行曲线拟合，即可确定本燃料电池衰减规律及曲线参数。

下面结合具体实施例，对发明进一步说明。具体的测试装置如图3～图5所示。

如图3所示的反接差分放大方式电池测试电路示意图，在待测燃料电池301测试电路和参考电池302分路中，在待测燃料电池301正负极上并联第一负载电阻303，在参考电池302正负极上并联第二负载电阻304，两种电池的负端相连后接地；待测燃料电池301的正极接差分放大器305的同相输入端；参考电池302的正极接差分放大器305的反相输入端，差分放大器305的输出连接微处理器306。待测燃料电池301、参考电池302各自的输出电压送至差分放大器305，差分放大器305输出两者之差，后级经过模数转换后送入微处理器6进行进一步处理。具体处理如图6所示测试流程所示。

如图4所示为电桥方式的电池测试电路一示意图。电桥的结构是在待测燃料电池301正负极上并联第一负载电阻303，然后桥臂电阻R1、R2串联后并接在待测燃料电池301正负极上，在参考电池302正负极上并联第二负载电阻304，然后桥臂电阻R3、R4串联后并接在参考电池302正负极上，然后待测燃料电池301正极、参考电池302正极、桥臂电阻R2和桥臂电阻R4连接在一起后接地；桥臂电阻R1和桥臂电阻R2的结点接差分放大器305的同相输入端，桥臂电阻R3和桥臂电阻R4的结点接差分放大器305的反相输入端，差分放大器305的输出连接微处理器306。

如图5所示为电桥方式的电池测试电路二示意图。电桥方式的电桥的结构是待测燃料电池301负极、桥臂电阻R1、R2串联，然后第一负载电阻303再并联在该串联电路两端；参考电池302负极、桥臂电阻R3、R4串联，然后第二负载电阻304再并联在该串联电路两端；然后第一负载电阻303、桥臂电阻R2、第二负载电阻304和桥臂电阻R4连接在一起后接地；桥臂电阻R1和桥臂电阻R2的结点接差分放大器305的同相输入端，桥臂电阻R3和桥臂电阻R4的结点接差分放大器305的反相输入端，差分放大器305的输出连接微处理器306。

本实例方案，是用参考电池去抵消待测电池电压中不变的部分及与电池电压衰减无关的部分，即可缩小电压范围并/或分离衰减无关部分，得到燃料电池电压衰减为主的电压输出，即可大大提高测量精度。

对于电桥方式，通过检测不平衡状态下电桥输出电压，来间接测量待测燃料电池与参考电池输出电压的差异，或者通过电桥平衡状态下的桥臂电阻调节量来确定待测、参考燃料电池的输出电压差。其中，桥臂电阻R1、R2、R3或R4来调节电桥的平衡，根据电桥输出电压是否接近于0来判断电桥是否平衡；负载电阻303、304可以用来调节两个电池各自的工作电流，如果RL1、RL2远远小于R1～R4，则电桥电路对于电流、输出电压的影响足够小。电桥各个臂采用电阻构成，也不限于电阻、也可采用电阻、电容、电池、可控电压源等的组合。平衡指示可以是放大

微处理器来实现，也可以是微伏计等来实现。

图6所示为燃料电池电压衰减快速测量的流程如下：

1)准备特性相同或接近的两电池，分别用作待测电池和参考电池。

2)待测电池在实际或更恶劣工作条件下考核运行，累计工作时间T₀，参考电池直接在恒定稳态工作条件下运行(或者静置)相同的时间T₀。

3)开始测试运行，待测电池、参考电池同步运行至稳态，保持足够的时间，以减小历史状态不同带来的性能影响(可逆的性能波动)。

4)在时刻t，测量待测电池、参考电池输出电压之差Δu(X，T，x)，即得到近似的待测电池衰减测量值。可反复多次测量u_d(X，T，x)，取平均来提高精度，得到较准确的

5)是否扣除参考电池的衰减，如果扣除，则执行步骤6，如果不扣除，则执行步骤7后结束；

6)扣除参考电池的衰减，参考电池的衰减规律U_rd(X_r，T_r，x)可根据试验或者文献近似确定，对上述待测电池衰减的近似测量值进行补偿，进一步提高精度；

7)如果不扣除参考电池的衰减，两电池差即为累计工作时间T内在X工况考核下的待测电池的衰减；

8)两电池差中扣除参考电池的衰减，两电池差即为累计工作时间T内在X工况考核下的待测电池的衰减；执行步骤9；

9)重复上述步骤，分别在累计考核工作时间T＝T₀，T₁，……T_n进行上述测量，获得上述时间点的待测电池衰减如需较为准确地确定待测燃料电池的衰减函数曲线或预测电池寿命，则执行步骤10；如果不需要获得多个时间点的待测电池衰减，则返回步骤2，继续进行。

10)对于待测电池衰减数据(T₀，

)，(T₁，

)，…，，进行曲线拟合，结束。

据此待测电池衰减拟合曲线，可以预测待测电池在未来某个时刻的输出电压。也可依据报废时的寿命/耐久性的电压标准来预测出待测电池的寿命和耐久性指标。但不局限于此方面的应用，也可用于其它类型电池的耐久性评价和电池管理等。

Claims (6)

1.一种燃料电池电压衰减快速测量方法，其特征在于，所述燃料电池电压衰减快速测量方法是：

(1)选定燃料电池的电压衰减和功率衰减为表征燃料电池寿命和耐久性的物理量，直接测量此电压衰减而非通过测电池电压来间接测量电压衰减，从而减小或消除了复杂的未知的因素的影响，并且减小了待测电压的量程；

(2)在系统前级将测量对象从单片或者电堆的输出电压，变换为单片或者电堆的输出电压的衰减或者相对衰减，而直接测量输出电压衰减，这样既减小工作状态差异的影响、又减小测量的动态范围，并且达到减轻对于测量系统后级精度要求的目的，后级采用常规的精密放大器、模拟开关；

(3)在待测燃料电池测试电路中设置参考电池，然后将待测电池和参考电池的输出电压送至差分电路或电桥电路，差分放大器的输出经过模数转换后送入微处理器进行进一步处理，即得到待测燃料电池电压衰减和功率衰减，从而评价燃料电池寿命和耐久性；

(4)待测电池在考核运行时，参考电池则工作或保存在衰减较小的状态或者衰减规律准确预知的状态，以待测电池和参考电池的输出电压之差作为待测燃料电池的电压衰减的表征。

2.根据权利要求1所述燃料电池电压衰减快速测量方法，其特征在于，所述待测电池的当前输出电压为其初始电压减去随着工作时间而衰减的电压，参考电池电压的当前输出电压则相当于或近似于参考电池的初始电压，待测电池的电压减去参考电池或参考电压源的电压，那么测量的对象也就从燃料电池的电压变换为测量燃料电池的电压衰减，此电压差通过量程很小的电压仪表测得。

3.根据权利要求1所述燃料电池电压衰减快速测量方法，其特征在于，所述参考电池为特性已知的或同类型的燃料电池或同一燃料电池上的分区电池，或是基准电压源或者受控电压源。

4.根据权利要求1所述燃料电池电压衰减快速测量方法，其特征在于，所述燃料电池电压衰减快速测量的流程如下：

1)准备特性相同或接近的两电池，分别用作待测电池和参考电池；

2)待测电池在实际或更恶劣工作条件下考核运行，累计工作时间T₀，参考电池直接在恒定稳态工作条件下运行或者静置相同的时间T₀；

3)开始测试运行，待测电池、参考电池同步运行至稳态，保持足够的时间，以减小历史状态不同带来的可逆的性能波动；

4)在时刻t，测量待测电池、参考电池输出电压之差Δu(X，T，x)，即得到近似的待测电池电压衰减测量值u_d(X，T，x)，反复多次测量近似的待测电池电压衰减测量值u_d(X，T，x)，取平均来提高精度，得到较准确的

其中x表示工作条件；

5)是否扣除参考电池的衰减，如果扣除，则执行步骤6)，如果不扣除，则执行步骤7)后结束；

6)扣除参考电池电压衰减，参考电池电压衰减规律u_rd(X_r，T_r，x)根据试验或者文献近似确定，对上述近似的待测电池衰减测量值进行补偿，进一步提高精度；其中u_rd为仅与衰减有关的部分；T_r为累计运行的工作时间；X_r为运行时的工况；x表示工作条件；

7)如果不扣除参考电池电压衰减，两电池差即为累计工作时间T内在X工况考核下的待测电池的电压衰减；

8)两电池差中扣除参考电池电压衰减，两电池差即为累计工作时间T内在X工况考核下的待测电池电压衰减；执行步骤9)；

9)重复上述步骤，分别在累计考核工作时间T＝T₀，T₁，……T_n进行上述测量，获得上述时间点的待测电池电压衰减

如需较为准确地确定待测燃料电池电压衰减函数曲线或预测电池寿命，则执行步骤10)；如果不需要获得多个时间点的待测电池电压衰减，则返回步骤2)，继续进行；

10)对于待测电池电压衰减数据(T₀，)，(T₁，

)，…，进行曲线拟合，结束。

5.一种燃料电池电压衰减快速测量装置，待测燃料电池测试电路和参考电池分路的连接方式相同，包括电池反接差分放大方式和电桥方式；然后待测燃料电池测试电路和参考电池分路的输出分别接到差分放大器的同相和反相输入端，差分放大器的输出连接微处理器，其特征在于，所述电桥方式的电桥的结构是在待测燃料电池(301)正负极上并联第一负载电阻(303)，然后桥臂电阻R1、R2串联后并接在待测燃料电池(301)正负极上，在参考电池(302)正负极上并联第二负载电阻(304)，然后桥臂电阻R3、R4串联后并接在参考电池(302)正负极上，然后待测燃料电池(301)正极、参考电池(302)正极、桥臂电阻R2和桥臂电阻R4连接在一起后接地；桥臂电阻R1和桥臂电阻R2的结点接差分放大器(305)的同相输入端，桥臂电阻R3和桥臂电阻R4的结点接差分放大器(305)的反相输入端，差分放大器(305)的输出连接微处理器(306)。

6.根据权利要求5所述燃料电池电压衰减快速测量装置，其特征在于，所述电桥方式的电桥结构是待测燃料电池(301)负极、桥臂电阻R1、R2串联，然后第一负载电阻(303)再并联在该串联电路两端；参考电池(302)负极、桥臂电阻R3、R4串联，然后第二负载电阻(304)再并联在该串联电路两端；然后第一负载电阻(303)、桥臂电阻R2、第二负载电阻(304)和桥臂电阻R4连接在一起后接地；桥臂电阻R1和桥臂电阻R2的结点接差分放大器(305)的同相输入端，桥臂电阻R3和桥臂电阻R4的结点接差分放大器(305)的反相输入端，差分放大器(305)的输出连接微处理器(306)。

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