CN103904348A - 测量用于诊断燃料电池堆的阻抗的方法和系统 - Google Patents

测量用于诊断燃料电池堆的阻抗的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种测量用于诊断燃料电池堆的阻抗的方法和系统。所述方法包括：合成各自具有不同频率的多个正弦波信号以获得合成信号；把合成信号作为测量用的输入信号施加于燃料电池堆；测量燃料电池堆的电流和电压；利用预定方法对测得的燃料电池堆的电流和电压进行变换；以及基于利用预定方法变换的燃料电池堆的电流和电压来计算对应于每个不同频率的燃料电池堆的阻抗。

Description

测量用于诊断燃料电池堆的阻抗的方法和系统
技术领域
本公开涉及一种测量用于诊断燃料电池堆的阻抗的方法和系统，其通过利用合成有多个不同频率的正弦波信号作为用于对燃料电池堆进行诊断的阻抗测量输入信号，而能够快速测量燃料电池堆的多个频率的阻抗。
背景技术
燃料电池是一种通过在电池堆内使燃料与氧化剂进行电化学反应而将燃料的化学能转化为电能的能量发生装置。燃料电池与通过燃烧使燃料氧化而产生能量的内燃发动机不同。
燃料电池可以用于提供工业、家庭和车辆驱动电力以及向小型电气/电子产品提供电力。
例如，作为用于驱动车辆的电源，在燃料电池当中具有最高功率密度的某些聚合物电解质膜燃料电池或质子交换膜燃料电池(PEMFC)已经得到了广泛研究。由于操作温度低，这些燃料电池具有快速的启动时间和快速的功率转换反应时间。
这种PEMFC包括具有在其中发生电化学反应的催化剂电极层的膜电极组件(MEA)。催化剂电极层附着在固体聚合物电解质薄膜的每一侧上，氢离子穿过所述固体聚合物电解质薄膜移动。PEMFC还包括：用于均匀分布反应气体和传递所生成的电能的气体扩散层(GDL)，垫片，用于维持反应气体和冷却剂的适当接合压力和气密性的接合装置，以及用于移动反应气体和冷却剂的双极板。
当利用这种单元电池配置来组装燃料电池堆时，气体扩散层和MEA的组合体被布置在电池的最内部。MEA具有一对催化剂电极层即阳极和阴极，向所述阳极和阴极施加催化剂使得氢气和氧气可以在聚合物电解质薄膜的两个侧面发生反应。在布置有阳极和阴极的外部，堆叠有气体扩散层和垫片。
在气体扩散层的外侧，提供反应气体(作为燃料的氢气和作为氧化剂的空气)，并且设置有具有流场的双极板，其中冷却剂穿过所述流场。
通过在单元电池中形成该配置，在堆叠了多个单元电池之后，在最外部耦合用于支撑集流器、绝缘板和堆叠的电池的端板，并且通过在各端板之间反复堆叠和接合单元电池，形成燃料电池堆。
为了获得实际车辆所必需的电位，应该以必需的电位堆叠单元电池，并且单元电池构成的堆是燃料电池堆。
单元电池中产生的典型电位为约1.3V。因此，为了产生车辆驱动所必需的功率，将多个电池串联堆叠。
例如，在燃料电池车中，电池电压被用于确定电池堆性能、驱动状态和故障。电池电压还可以用于系统的各种控制(诸如反应气体的流量控制)，并且通过利用连接器和引线将双极板连接至电池电压监测仪来代表性地测量。
传统的电池电压监测仪(CVM)直接测量电池堆内全部电池或两个电池的电压，采集全部电池的电压的主控制器或高级控制器对测量信息进行积分处理、并监测由于故障而出现的电压降而非故障的原因。
这种CVM被用于对电池进行测量。图1是示出传统CVM的电路图、并且示出32个单元电池被串联耦合的电池的CVM的实例。
由于传统的CVM直接测量电池电压，因此CVM具有能够对故障电池的位置进行测量的优点，但是具有非常复杂的电路结构，因此该装置难以组装和维护、价格昂贵、并且不能确定电池堆的故障原因。
此外，在另一传统装置中，电化学阻抗谱(EIS)可以用于在电化学领域中确定电极反应或复合物的特性，能够通过分析系统响应获得复合物的特性、结构和反应的综合信息。该传统装置还可以用作应用化学领域或医学工程和仿生学领域中的传统工具。
然而，EIS需要离线测试很长时间，不能进行实时检测，价格昂贵，并且仅用于测试单元电池。
美国专利7,531,253号(“U.S.‘253”)涉及一种对燃料电池堆的运行状态进行监测的方法，并且提出了一种向电池堆施加低频电流[Itest(t)]或电压信号、测量电池堆在此刻出现的电流或电压[V(t)]信号、并利用测得的电流或电压信号的谐波分量及其大小来诊断系统的方法。
U.S.‘253确定电池电压是否在系统特性曲线V/I的线性区段按照变化到非线性状态的方式下降，并且通过测量全部电池堆信号来确定系统是否具有缺陷。
U.S.‘253的基本构思是通过仅仅测量电池堆电压来诊断电池堆状态，对取决于电流变化的电池堆电压变化进行频率分析，通过电池堆的电池电压降来进行诊断。
这里，如图2所示，在正常驱动时，电池堆电压/电流特性具有线性关系。在异常驱动情况下，电池堆电压/电流特性变为非线性关系。也就是说，当测量到电池堆电压的非线性时，可以确定电池堆的状态异常。
当通过连接负载来驱动电池堆时通过向电池堆额外施加正弦波[Bsin(ωt)]形式的频率响应诊断电流来执行诊断，在这种情况下，电池堆的电流成为基本运行电流和正弦波电流的总和[电池堆电流＝A+Bsin(ωt)]。
然而，由于传统方法使用一个小AC电流变化作为输入，因此该方法具有分解性能低下的问题，从而需要一种改进分解性能的方法。
此外，根据传统方法，为了诊断多个不同频率的电压/电流特性和阻抗特性，应该基于频率来执行诊断。
本背景技术部分中公开的上述信息只是为了增强对本公开的背景的理解。
发明内容
本公开提供了一种测量用于诊断燃料电池堆的状态的阻抗的方法和系统，其具有利用合成有多个不同频率的正弦波信号作为测量用于诊断燃料电池堆的阻抗的输入信号，来快速测量燃料电池堆的多个频率的阻抗的优点。
本公开的示例性实施例提供了一种测量用于诊断燃料电池堆的状态的阻抗的方法，其包括：合成各自具有不同频率的多个正弦波信号以获得合成信号；把合成信号作为测量用的输入信号施加到燃料电池堆；测量燃料电池堆的电流和电压；利用预定方法对测得的燃料电池堆的电流和电压进行变换；以及基于利用预定方法变换的燃料电池堆的电流和电压来计算每个不同频率的燃料电池堆的阻抗。
在合成多个正弦波信号的步骤中得到的合成信号可以是电流信号。也就是说，多个正弦波信号可以是多个正弦波电流信号。
在对测得的电流和电压进行变换的步骤中，变换可以是傅立叶变换。
合成多个正弦波信号的步骤可以包括：通过对合成电流信号进行傅立叶变换来生成各个频率范围的电流信号。
计算燃料电池堆的阻抗的步骤可以包括：通过把进行了傅立叶变换的燃料电池的各电压除以对应的电流，来获得各个不同频率的燃料电池堆的阻抗。
本公开的另一实施例提供了一种用于诊断燃料电池堆的状态的阻抗测量系统，其包括：产生具有不同频率的多个正弦波信号的信号发生器；配置成合成各自具有不同频率的多个正弦波信号以获得合成信号、并将该合成信号施加给燃料电池堆的信号合成器；配置成通过把合成信号施加给燃料电池堆来测量燃料电池堆的电流和电压的燃料电池堆电流/电压测量装置；配置成对信号合成器中合成的信号以及在燃料电池堆电流/电压测量装置中测得的燃料电池堆的电流和电压进行傅立叶变换的傅立叶变换器；以及配置成基于由傅立叶变换器变换的燃料电池堆的电流和电压计算不同频率的燃料电池堆的阻抗的阻抗计算器。
如上所述，根据本公开的示例性实施例，通过把燃料电池堆状态诊断用阻抗测量输入信号形成为合成有多个不同频率的正弦波信号，可以快速地测量燃料电池堆的多个频率的阻抗。
也就是说，根据本公开的示例性实施例，可以一次性快速测量多个频率的燃料电池堆的阻抗，由于快速阻抗测量而可以容易地进行实际应用，并且燃料电池堆的驱动状况和状态诊断能够得以改善。
附图说明
图1是燃料电池堆的传统CVM的电路图。
图2是示出传统燃料电池堆的电池状态诊断的图。
图3是根据本公开示例性实施例的燃料电池堆的阻抗测量系统的示意图。
图4是示出根据本公开示例性实施例的测量燃料电池堆的阻抗的方法的流程图。
图5和6是示出根据本公开示例性实施例的燃料电池堆的操作的图。
<附图标记的说明>
100：信号发生器
200：信号合成器
300：燃料电池堆
400；燃料电池堆电流/电压测量装置
500：傅立叶变换器
600：阻抗计算器
具体实施方式
在下文中将参考附图更充分地描述本公开，其示例性实施例在附图中示出。所描述的实施例可以以各种不同的方式进行修正，同时所有修正都不脱离本公开的精神或范围。
图3是根据本公开示例性实施例的燃料电池堆的阻抗测量系统的示意图。
根据本公开示例性实施例的燃料电池堆的阻抗测量系统是利用合成有多个不同频率的信号作为用于测量燃料电池堆诊断用阻抗的输入信号，来快速测量燃料电池堆的多个频率中的每一者的阻抗的系统。
根据本公开示例性实施例的燃料电池堆的阻抗测量系统可以包括：产生具有不同频率的多个正弦波信号的信号发生器100；合成具有不同频率的多个正弦波信号以获得合成信号、并将该合成信号施加给燃料电池堆300的信号合成器200；通过施加该合成信号给燃料电池堆300来测量燃料电池堆300的电流和电压的燃料电池堆电流/电压测量装置400；对信号合成器200中合成的信号和/或燃料电池堆电流/电压测量装置400中测得的燃料电池堆300的电流和电压进行傅立叶变换的傅立叶变换器500；以及基于由傅立叶变换器500变换后的燃料电池堆300的电流和电压计算各个不同频率的燃料电池堆300的阻抗的阻抗计算器600。
信号发生器100、信号合成器200、燃料电池堆电流/电压测量装置400、傅立叶变换器500和阻抗计算器600可以是通过预定程序运行的至少一个微处理器或者包括微处理器的硬件，并且预定程序可以由用于执行稍后描述的根据本公开示例性实施例的测量燃料电池堆的阻抗的方法的一系列命令构成。
信号发生器100、信号合成器200、燃料电池堆电流/电压测量装置400、傅立叶变换器500和阻抗计算器600可以形成在一个合成体中。
在本公开的示例性实施例中，信号发生器100可以产生例如具有不同频率f的多个正弦波电流信号I1sinω1t、I2sinω2t、...、Insinωnt，如图5所示。
在多个正弦波电流信号中，I表示电流幅度，ω表示作为角频率的2πf，f表示频率，并且n表示自然数。
在多个正弦波电流信号中，I1、I2、...、In可以相同。
在本公开的示例性实施例中，信号发生器100可以产生例如1hz、10hz和1khz的正弦波电流信号。
信号合成器200可以通过对信号发生器100中产生的多个正弦波电流信号进行合成来产生合成电流信号Iin(t)。
Iin(t)＝∑Ii(t)＝Isinω1t+Isinω2t+…+Isinωnt
在信号合成器200中合成得到的合成电流信号可以具有如图6中所示的形式。图6所示的合成电流信号可以由图5所示的三个电流信号合成得到。
当在信号合成器200中合成得到的信号(例如，电流信号)被施加给燃料电池堆300时，燃料电池堆电流/电压测量装置400通过通用方法测量燃料电池堆300的电流和电压。
与每个电流对应的电压可以被表示为V(ω)，例如(V(ω1)，V(ω2)，...，V(ωn)。
傅立叶变换器500通过通用方法对信号合成器200的信号以及燃料电池堆电流/电压测量装置400测得的电流和电压进行傅立叶变换。
通过傅立叶变换器500进行了傅立叶变换的信号(I(ω1)，I(ω2)，...，I(ωn))(V(ω1)，V(ω2)，...，V(ωn))的实例在图5和6所示的图的右侧示出。
当傅立叶变换器500对多个频率的燃料电池堆300的电流和电压进行傅立叶变换时，阻抗计算器600通过把进行了傅立叶变换的对应频率的电压(V(ω1)，V(ω2)，...，V(ωn))除以进行了傅立叶变换的对应频率的电流(I(ω1)，I(ω2)，...，I(ωn))，来计算每个对应频率的阻抗(Z(ω1)，Z(ω2)，...，Z(ωn))。
Z(ωi)＝V(ωi)/I(ωi)；i＝1，2，…，n
阻抗计算器600计算出的对应频率的阻抗可以用于诊断燃料电池堆的状态。
在下文中，将参考附图对根据本公开示例性实施例的测量燃料电池堆的阻抗的方法进行详细描述。
图4是示出根据本公开示例性实施例的测量燃料电池堆的阻抗的方法的流程图。
如图4中所示，信号合成器200对信号发生器100所产生的具有不同频率的多个正弦波信号(例如，正弦波电流信号)(Isinω1t，Isinω2t，...，Isinωnt)进行合成(S100)。
信号合成器200对多个正弦波电流信号进行合成，并将合成电流信号(I(t)＝∑Ii(t)＝Isinω1t+Isinω2t+...+Isinωnt)作为阻抗测量输入电流信号施加给燃料电池堆300(S200)。
当信号合成器200将合成电流信号施加给燃料电池堆300时，燃料电池堆电流/电压测量装置400对燃料电池堆300的电流Iout(t)和电压Vout(t)进行测量(S300)。
由燃料电池堆电流/电压测量装置400测得的燃料电池堆300的电流和电压具有合成有不同频率的信号形式。
当燃料电池堆电流/电压测量装置400测量出燃料电池堆300的电流和电压时，傅立叶变换器500对燃料电池堆300的测得的电流和电压进行傅立叶变换，如图6中右侧的图所示(S400)。
傅立叶变换器500对信号合成器200中合成的电流信号进行傅立叶变换，并产生各个频率范围的电流信号。
当傅立叶变换器500对燃料电池堆300的电流和电压进行傅立叶变换时，阻抗计算器600通过把进行了傅立叶变换的对应频率的电压(V(ω1)，V(ω2)，...，V(ωn))除以进行了傅立叶变换的对应频率的电流(I(ω1)，I(ω2)，...，I(ωn))，来计算对应频率的阻抗(Z(ω1)，Z(ω2)，...，Z(ωn))(S500)。
阻抗计算器600快速计算出的对应频率的每个阻抗可以用于燃料电池堆300的诊断。
由此，根据本公开的示例性实施例，通过把用于诊断燃料电池堆的阻抗测量输入信号形成为合成有多个不同频率的正弦波信号，可以快速地测量燃料电池堆的多个频率的阻抗。
尽管本公开已经结合当前被认为是实用的示例性实施例的实施例进行了描述，但应理解的是，本公开并不限于所公开的实施例。相反，本公开旨在覆盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种改型和等效配置。

Claims (6)

1.一种测量用于诊断燃料电池堆的状态的阻抗的方法，所述方法包括：
合成各自具有不同频率的多个正弦波信号以获得合成信号；
把所述合成信号作为测量用的输入信号施加于燃料电池堆；
测量燃料电池堆的电流和电压；
利用预定方法对测得的燃料电池堆的电流和电压进行变换；以及
基于利用所述预定方法变换的燃料电池堆的电流和电压来计算对应于每个不同频率的燃料电池堆的阻抗。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述多个正弦波信号的所述合成信号是电流信号。
3.如权利要求2所述的方法，其中在对测得的电流和电压进行变换的步骤中，所述变换是傅立叶变换。
4.如权利要求3所述的方法，其中合成多个正弦波信号的步骤包括：通过对合成电流信号进行傅立叶变换来生成各个频率范围的电流信号。
5.如权利要求3所述的方法，其中计算燃料电池堆的阻抗的步骤包括：通过把进行了傅立叶变换的燃料电池的各电压除以对应的电流，来获得各个不同频率的燃料电池堆的阻抗。
6.一种用于诊断燃料电池堆的状态的阻抗测量系统，所述阻抗测量系统包括：
信号发生器，其配置成产生各自具有不同频率的多个正弦波信号；
信号合成器，其配置成合成所述多个正弦波信号以获得合成信号、并将所述合成信号施加于燃料电池堆；
燃料电池堆电流/电压测量装置，其配置成通过把所述合成信号施加于燃料电池堆来测量燃料电池堆的电流和电压；
傅立叶变换器，其配置成对所述合成信号以及在所述燃料电池堆电流/电压测量装置中测得的燃料电池堆的电流和电压进行傅立叶变换；以及
阻抗计算器，其配置成基于由所述傅立叶变换器变换的燃料电池堆的电流和电压计算各个不同频率的燃料电池堆的阻抗。
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