CN102439471B - 通过阻抗谱表征电系统的特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过阻抗谱更精确地表征电系统的特性的方法。所述方法包括：对所述电系统施加包括正弦扰动的序列的输入信号，以扫描频率的源系列(A)；响应于针对所施加的各个扰动的所述输入信号，测量所述电系统的输出信号；以及针对各个所施加的扰动、估计所述电系统的阻抗的特征量，其特征在于，施加所述扰动的序列，以轮流地扫描从所述源系列(A)得到的频率的多个子系列(A¹、...、Aⁿ)，所述多个子系列的各个子系列与相同的多个子系列的至少一个其它子系列交织。

Description

通过阻抗谱表征电系统的特性的方法

技术领域

本发明涉及电系统的一般领域，并且更具体地涉及通过阻抗谱表征所述电系统的特性的方法。

电系统可以是诸如燃料电池、电解器、一次或可再充电电池的电化学设备或任何其它类型的电系统。

背景技术

阻抗谱是在许多技术领域中使用的特征化技术。

作为说明，阻抗谱使用在例如腐蚀的领域中，以估计金属件的腐蚀速率、电极沉积，或确定诸如燃料电池的电化学设备的健康状态。

在后者的情况中，如在Fouquet等人的、在2006年在期刊Power Sources(159，905-913)中出版的标题为“Model based PEM fuel cell state-of-health monitoring via acimpedance measurements”的文章中所描述的，阻抗谱技术可以用于检测燃料电池的充液和排液。

如图1所示，电流ie施加到电池1，电流ie具有在极化点(polarization point)周围的正弦扰动的序列(sequence)(图2)。电流ie由有源负载2施加，有源负载2传输直流，直流上叠加有所述扰动。其频率由阻抗分析设备3控制。扰动具有低的幅度并且扫描大的频率范围。

在电池的端子处测量响应于这些扰动的电压。阻抗分析器3根据阻抗的实部给出在阻抗的虚部的奈奎斯特平面(Nyquist plane)中的演变。

通常施加扰动以扫描从高频到低频的大的频率范围，这些频率对数地间隔。频率范围可以从几个毫赫到数十千赫。

因而，高频部分被很快地扫描，而对于低频，测量时间变为不可忽略。例如，从10kHz扫描到500Hz，一秒就足够了(大约每十倍频一百个点)。而对于低于1Hz的频率的测量，则需要数分钟。

实验数据的开发需要电池保持稳定达施加所述扰动所需的时间，即，极化电流的平均值和响应电压的平均值在时间上保持恒定。

但是，该假设不能被验证，特别是在电系统的劣化或临时故障期间。作为示例，PEM型燃料电池的排液和充液使得电池不稳定，这使得不能开发阻抗测量数据。

当前的阻抗谱技术的缺点在于，在频率范围的扫描期间不能直接识别电系统稳定条件方面的变化。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种通过阻抗谱更精确地表征电系统的特性的方法。本发明的次要目的是在扫描频率范围期间简单并且快速地核实所述系统的稳定性。

为此，本发明涉及一种用于表征电系统的特性的方法，该方法包括以下步骤：

-在所述电系统的极化点周围对所述电系统施加包括正弦电流扰动或电压扰动的序列的输入信号，各个扰动具有属于频率的源系列(primary series)的不同频率；

-响应于所述输入信号，针对各个所施加的扰动，测量所述电系统的输出信号；

-针对各个所施加的扰动，估计所述电系统的阻抗的特征大小，阻抗的特征大小的所述估计的集合表征所述电系统的特性。

根据本发明，施加所述扰动的序列，以依次扫描从所述源系列得到的频率的多个子系列，所述多个子系列中的各个子系列与同一所述多个子系列中的至少一个其它子系列交织。

因而，频率的子系列被交织的事实相当于无论两个所考虑的子系列彼此是否相邻，都形成了两个所考虑的子系列之间的重叠区域。

子系列的交织相当于反复进行频率的扫描。因而，在源系列中的频率的扫描期间，会再次请求高频率的事实使得可以检测快速的物理现象。同样，再次请求低频率使得可以检测可识别的长时间的物理现象。因而，贯穿整个测量，可以识别慢速或快速的物理现象，这使得能够更精确地表征电系统的特性。

应该指出，在前面所描述的现有技术的解决方案中，当单调地扫描源系列的频率时，不能获得这样的精度。事实上，扫描了高频率之后，请求中间频率和低频率也不能检测快速的物理现象。相反地，当已经扫描了低频率之后请求高频率时，不再可能识别慢的物理现象。

优选地，第一子系列的至少一个频率位于与第一子系列交织的第二子系列的两个连续的频率之间。

优选地，所述多个子系列中的各个子系列与同一所述多个子系列中的全部其它子系列相交织。

施加所述扰动的序列，以单调地或随机地扫描各个子系列的频率。

施加所述扰动的序列，以单调地或随机地扫描所述多个子系列中的这些频率子系列，所述子系列根据预定的顺序进行排列。

可以根据各个子系列的最大频率的升序或降序排序这些子系列。另选地，这些子系列的顺序可以取决于各个子系列的最小频率。

优选地，根据本发明的方法包括由以下步骤组成的后续步骤：

-计算针对所述多个子系列中的第一子系列的第一频率的阻抗的所述特征大小的估计与针对同一所述多个子系列的第二子系列中的、其间具有所述第一频率的两个连续频率的所述特征大小的估计的、针对相同第一频率通过插值所获得的值之间的偏差；

-当所计算出的偏差超过预定的阈值偏差时，检测到电系统的不稳定性。

因而，根据本发明的方法使得可以简单并快速地验证电系统在源系列的频率范围的扫描期间的稳定性。

当所计算出的偏差超过阈值偏差时在位于该重叠区域中的阻抗的值中所检测出的中断直接表示所研究的电系统的不稳定性。因此，可以简单地并快速地验证电系统的稳定性。

所述电系统可以是任何电化学设备，诸如电解器或燃料电池。

本发明还涉及用于控制电系统的方法，该方法包括以下步骤：

-执行根据任何一个前述的特征的特征化方法，以通过阻抗的特征大小的所述估计的集合来表征所述电系统的特性；接着

-测量在所述电系统的阻抗的特征大小的所述估计中的至少一个估计和所述大小的至少一个参考值之间的偏差；接着

-当所测量出的偏差超过预定的阈值偏差时，对所述电系统施加命令。

本发明的其它优点和特征将在下面的非限制性的详细描述中出现。

附图说明

我们现在将参照附图描述作为非限制性示例的本发明的实施方式，在附图中：

图1(已经描述了)是连接到电流源和阻抗分析器的燃料电池的示意图；

图2(已经描述了)是示出了在极化点周围对图1的燃料电池施加电流扰动的曲线图；

图3A和图3B是示出了作为所施加的扰动的函数的阻抗在电系统的稳定(图3A)和不稳定(图3B)的情况下的演变的曲线图；

图4是扰动序列扫描的频率的交织的示例。

具体实施方式

在说明书的其余部分中，电系统是质子交换膜型的燃料电池。

但是，电系统不限于燃料电池，而可以是电解器、一次或可再充电电池、任何其它类型的电化学设备、以及可以接收或馈送电能的任何电系统。

燃料电池连接到使得燃料电池可以施加电流的电力设备，诸如有功负载(activeload)或作为与应用的接口的静止转换器。有功负载具有至少覆盖待研究的系列频率的带宽。

电池连接到阻抗分析设备。所述阻抗分析设备可以是商用的阻抗分析器，其上可以搭载或者不搭载包括用于产生和获取电流和/或电压的同步卡的计算机。

正弦电流扰动的序列在极化点周围施加到燃料电池。

极化点优选地在扰动序列的整个施加长度上保持恒定。

各个扰动优选地包括抑制任何瞬时状态的多个周期，然后包括用以计算阻抗的多个周期。

各个扰动具有不同的频率，使得扰动序列扫描频率的源系列(primary series)A，A＝{f₁，f₂，...，f_N}。更准确地说，扰动系列包括针对系列A的各个频率的至少一个扰动。

频率的源系列A的范围从几个毫赫到数十千赫，并且包括待扫描的N个频率，例如大约100个频率。

扰动的幅度对于电池的响应足够低，以保持线性。为此，幅度大致低于所考虑的工作点处的电流的值的10％，并优选地在所述值的百分率的附近。

阻抗分析设备给出针对源系列A的各频率的电池的复数阻抗。然后可以在奈奎斯特平面中根据实部追踪阻抗的虚数部分的演变。

应该指出，在输入信号是在电池端子处的电压的情况下，阻抗分析设备推导电池的复数导纳，不再是复数阻抗。然而，可以容易地从导纳推导出阻抗。

根据本发明，所述源系列A的频率分布为形成频率的多个子系列A¹、...、Aⁿ。

频率的子系列(Aⁱ)_i＝1...n指的是从源系列A提取或产生的频率的组：

$A^i=\{f_j^i/f_j^i\∈A\}$

子系列(Aⁱ)_i＝1...n的并集对应于频率的源系列A：

$A=\underset{i=1}{\overset{n}{\∪}}{A}^i$

优选地，各子系列不包含与另一子系列共享的频率：

优选地，频率的各子系列(Aⁱ)_i＝1...n包括Nⁱ个频率，使得这些Nⁱ个频率的总和等于源系列A的频率的数目N：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}^i=N$

各子系列Aⁱ具有一频率范围。子系列Aⁱ的范围Gⁱ指的是被认为包括在所述子系列的最高频率和最低频率之间的子系列的频率组。因而：

$G^i=\{f_j^i/\∀j\∈[1,N^i],f_{\left(\min \right)}^i\≤f_j^i\≤f_{\left(\max \right)}^i\}$

其中

$f_{\left(\min \right)}^i=\min \left(A_i\right)$ $f_{\left(\max \right)}^i=\max \left(A_i\right)$

所述多个子系列中的各子系列Aⁱ与同一所述多个子系列中的至少一个其它子系列Aⁱ′交织。

两个子系列Aⁱ和Aⁱ′的交织指的是第一子系列的至少一个频率位于第二子系列的两个连续频率之间。

更具体地说，如果： $\∃j_0/f_k^{i^{\′}}\≤f_{j_0}^i\≤f_{k+1}^{i^{\′}}$

或者如果： $\∃k_0/f_j^i\≤f_{k_0}^{i^{\′}}\≤f_{j+1}^i$

则存在子系列Aⁱ和Aⁱ′之间的交织，使得

$A^i={\left\{f_j^i\right\}}_{j\∈[1,N^i]}$ 和 $A^{i^{\′}}={\left\{f_k^{i^{\′}}\right\}}_{k\∈[1,N^{i^{\′}}]}$

在本发明的第一实施方式中，各子系列与所述多个子系列中的全部其它子系列交织。

扰动的序列在相同的方向上单调地(优选地从高频朝向低频的方向)传播通过各子系列。

此外，单调地传播通过所述频率的多个子系列。单调的顺序表示频率的多个子系列遵循子系列的有序排列从子系列行进到相邻子系列。优选地，根据各子系列的最大频率的降序排列所述子系列。

作为示例，并且如图3A和图3B所示出的，待扫描的频率的源系列A是从2Hz到10kHz，并包括12个频率。因而，系列A是：A＝{10kHz，5kHz，2kHz，1kHz，500Hz，200Hz，100Hz，50Hz，20Hz，10Hz，5Hz，2Hz}。

通过每三个频率中抽取的一个而从源系列A形成三个子系列A¹、A²、A³：

A¹＝{10kHz，1kHz，100Hz，10Hz}

A²＝{5kHz，500Hz，50Hz，5Hz}

A³＝{2kHz，200Hz，20Hz，2Hz}

根据该实施方式，频率的各个子系列均具有包括在另一子系列的两个连续频率之间的至少一个频率。因此，存在三个子系列的每一个之间的交织，并不仅在两个相邻子系列之间存在交织。

因而，扰动的序列依次传播通过频率的三个子系列，而不是如在前面描述的现有技术的常规方案中的那样，施加扰动序列以连续地扫描源系列A的N个频率。

优选地，扰动的序列依次传播通过子系列A¹的频率，接着传播通过子系列A²的频率等。

因而，通过对所述子系列进行交织，该方法使得可以快速获知子系统在测量的持续期间是否保持稳定。

事实上，在燃料电池不稳定的情况下，当施加子系列Aⁱ时，针对所述子系列的频率的阻抗的实验点不位于与针对前一子系列A^i-1所测量的阻抗对应的点的连线上。

例如，如图3A和图3B所示，施加对子系列A¹进行扫描的扰动使得可以获得针对所考虑的频率的阻抗的值Z(A¹)：Z(10kHz)、Z(1kHz)、Z(100Hz)...。

如果电池在整个测量时间保持稳定，则针对子系列A²的频率的阻抗的值Z(A²)应该位于Z(A¹)的值的连线上。如图3A(稳定电池)所示，针对频率的各子系列的阻抗的值沿给出的曲线(实线)连续。

如果电池在子系列A¹和A²之间变为不稳定，则在这两个子系列的范围之间的重叠区域中、在Z(A¹)和Z(A²)之间出现中断。图3B示出这种中断。Z(A²)的值位于与Z(A¹)的曲线(实线)不同的曲线(虚线)上。在与子系列A²的第一施加频率相对应的Z(A²)的第一值起出现中断。

可以简单地评价在所考虑的重叠区域中的中断。因而，第一子系列A¹的第一频率f¹ _i位于第二子系列A¹和A²的两个连续频率f² _j和f² _j+1之间，它们因此是交织的。

接着从与第二子系列的两个频率Z(f² _j)和Z(f² _j+1)相对应的阻抗计算针对第一频率的阻抗的值Z_int(f¹ _i)。例如可以通过线性插值、三次(通过三次样条)插值或多项式插值来进行该计算。

接着计算在针对第一频率的阻抗的估计值Z(f¹ _i)和通过插值所获得的阻抗的值Z_int(f¹ _i)之间的偏差。

最后将所计算的偏差与预定的阈值偏差进行比较。当该偏差超过阈值偏差时，推导出燃料电池不稳定。

因而，扰动的序列使得可以快速地获知系统是否在测量的持续时间内保持稳定。

而且，这里再次请求在各子系列的开始处的高频率，这使得可以贯穿整个测量识别任何快速的物理现象。

当然，仅作为例示提供该示例。可以增加或减少子系列的数量，并因此分别减少或增加在各子系列中的频率的数目。

例如，针对包括400个频率的源系列A，扰动的序列可以传播通过频率的大约20个子系列，各个子系列包括大约20个频率。

根据本发明的第二实施方式，频率的各个子系列Aⁱ仅与相邻的子系列A^i-1和Aⁱ⁺¹交织。除了该差别以外，第二实施方式与第一实施方式保持类似。

作为示例，针对下面的源系列A＝{10kHz，5kHz，2kHz，1kHz，500Hz，200Hz，100Hz，50Hz，20Hz，10Hz，5Hz，2Hz}，子系列可以是：

A¹＝{10kHz，2kHz}

A²＝{5kHz，500Hz}

A³＝{1kHz，100Hz}

A⁴＝{200Hz，20Hz}

A⁵＝{50Hz，5Hz}

A⁶＝{10Hz，2Hz}

如图4中所示，扰动的序列遵循从最大频率的降序依次扫描这些子系列，图4例示了针对本发明第二实施方式的频率交织的示例。

因而，扰动的序列涉及一系列往复运动，同时逐渐从高频朝向低频过渡。

如上所述，在电池不稳定的情况下，在相邻子系列之间的重叠区域处出现阻抗的值的中断。

可以利用这种中断来诊断萌芽态的缺陷(诸如燃料电池的排液或充液)，并且反过来作用于对燃料电池的控制命令。

对于稍早描述的不同实施方式，可以不再单调地扫描各子系列Aⁱ的频率，而是由所述扰动的序列随机地扫描。

同样，可以由所述扰动的序列随机地传播通过频率的所述多个子系列A¹、...、Aⁿ。

应该指出，与前面描述的实施方式无关，当电池保持稳定时，交织的谱具有与常规谱的结果相同的结果。

Claims (9)

1.一种用于表征电系统的特性的方法，该方法包括以下步骤：

-在所述电系统的极化点周围对所述电系统施加输入信号，所述输入信号包括正弦电流扰动或电压扰动的序列，所述扰动中的各个扰动具有属于频率的源系列(A)的不同频率；

-响应于所述输入信号，针对各个所施加的扰动，测量所述电系统的输出信号；

-针对各个所施加的扰动，估计所述电系统的阻抗的特征变量，所述阻抗的特征变量的所述估计的集合表征所述电系统的特性，

其特征在于，施加所述序列的所述扰动，以依次扫描从所述源系列(A)得到的频率的多个子系列(A¹、…、Aⁿ)，所述频率的多个子系列的交集是空的，并且所述多个子系列中的各个第一子系列与同一所述多个子系列的至少一个其它子系列交织，使得所述多个子系列中的各个子系列包括与所述第一子系列交织的第二子系列的两个连续的频率之间的至少一个频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个子系列中的各个子系列与同一所述多个子系列中的全部其它子系列交织。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，施加所述扰动的序列，使得单调地或随机地扫描各个子系列(Aⁱ)的频率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，施加所述扰动的序列，使得随机地扫描各个子系列(Aⁱ)的频率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据预定的顺序排列所述子系列，施加所述扰动的序列，使得单调地扫描所述多个子系列的所述子系列(A¹、…、Aⁿ)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据预定的顺序排列所述子系列，施加所述扰动的序列，使得随机地扫描所述多个子系列的所述子系列(A¹、…、Aⁿ)。

7.根据权利要求1至6中任何一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括由以下步骤组成的后续步骤：

-针对所述多个子系列中的第一子系列的第一频率估计阻抗的所述特征变量的第一数值；

-针对所述第一频率通过对针对所述多个子系列中的第二子系列的两个连续的频率获得的阻抗的所述特征变量的数值进行插值计算出所述特征变量的第二数值，所述第一频率位于所述两个连续的频率之间；

-计算所述阻抗的所述特征变量的所述第一数值和所述第二数值之间的偏差；

-当所计算出的偏差超过预定的阈值偏差时，检测到所述电系统的不稳定性。

8.根据前述的权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电系统是燃料电池。

9.一种用于控制电系统的方法，该方法包括以下步骤：

-执行根据权利要求7的表征电系统的特征化方法；接着

-当所测量出的偏差超过预定的阈值偏差时，对所述电系统施加命令。