CN105008948B - 用于燃料电池的电力转换设备以及用于控制该电力转换设备的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够对燃料电池进行诊断和负载均衡的电力转换设备，以及一种用于控制该电力转换设备的方法。用于燃料的电力转换设备包括：升压转换器，该升压转换器连接到燃料电池，以在正常操作模式下将负载电压控制为恒定幅值，并且通过在诊断模式下将恒定扰动电流施加至燃料电池，来诱导输出响应；以及数字信号处理器，该数字信号处理器通过在诊断模式下检测燃料电池的输出响应，来提取阻抗参数，并且根据该阻抗参数，估计燃料电池的寿命，并由此能够执行燃料电池的寿命诊断和负载均衡操作。

Description

用于燃料电池的电力转换设备以及用于控制该电力转换设备 的方法
技术领域
以下描述涉及用于燃料电池的电力转换器和控制该电力转换器的方法，该电力转换器可以执行燃料电池的诊断和负载均衡。
背景技术
燃料电池技术是从地球上大量存在的物质(诸如氧和氢)生成电能的新型环保未来能源技术，并且燃料电池技术是近来受关注的技术之一。燃料电池通过电化学反应将氧和氢的化学能直接转换为电能，由于氧被提供给阴极并且氢被提供给阳极，并且以水电解的逆反应的形式进行电化学反应，所以在不产生污染的情况下获得高效的电能。由于燃料电池不受在传统热力发动机中起限制作用的卡诺循环的限制，所以燃料电池可以具有等于或大于40％的效率，并且由于以上放出的物质仅是水，所以不存在污染问题，并且由于不像传统热力发动机那样，不需要机械地移动部件，所以具有无噪声等多种优点。因此，正在积极地进行关于燃料电池的多种技术和研究。然而，为了将燃料电池实现为实际供电系统，必须补偿燃料电池的多种问题。首先，由于燃料电池的过载承受力很小，所以燃料电池主要用作连接另一个能量存储装置的混合系统。需要该混合系统以通过划分急剧负载改变或者负载超过燃料电池的额定容量来管理，并且该混合系统是使用除了燃料电池之外的用于短时间内高输出的辅助能量存储装置的系统，电池(battery)或者超级电容器等被用作所述辅助能量存储装置，并且由于辅助能量存储装置具有比燃料电池少约1/100的成本，所以具有成本降低效果。此外，在通过连接燃料电池和辅助能量存储装置来配置混合系统之后，从燃料电池连续地输出恒定电力，当电力剩余时，使用剩余电力给能量存储装置充电，当电力不足时，应用能量存储装置辅助输出该不足电力的负载均衡方法。此外，由于燃料电池具有一起配置的系统的可靠性取决于燃料电池的状态的问题，所以需要经由燃料电池的周期测试的估算。为了估算燃料电池的寿命，可以应用使燃料电池与系统分离或者将独立测量设备附着到外部的脱机方法，但是该方法效率差并且不方便。
发明内容
技术问题
本发明在于提供一种用于燃料电池的电力转换器以及控制该电力转换器的方法，该电力转换器可以执行燃料电池的负载均衡，并且诊断燃料电池的寿命。
技术方案
本发明的一方面提供一种用于燃料电池的电力转换器，该电力转换器根据提供依据负载的改变所需要的电压的正常操作模式和预测燃料电池的寿命的诊断模式中的至少一种进行操作，用于燃料电池的电力转换器包括：升压转换器，该升压转换器连接至燃料电池，并且被配置为控制负载电压以在正常操作模式下具有预定幅值，并且通过在诊断模式下将预定扰动电流施加至燃料电池来诱导输出响应；以及数字信号处理器，该数字信号处理器被配置为通过在诊断模式下检测燃料电池的输出响应来提取阻抗参数，并且根据阻抗参数预测燃料电池的寿命。
用于燃料电池的电力转换器还可以包括：辅助能量存储装置，该辅助能量存储装置连接于升压转换器和负载之间，并且被配置为充入从燃料电池输出的电力或者释放电力，以通过增加从燃料电池输出的电力给负载供电。
用于燃料电池的电力转换器还可以包括：双向转换器，该双向转换器连接至辅助能量存储装置，并且被配置为被切换，以处理负载的急剧改变或瞬时过载。
双向转换器可以控制负载的输出电压，以生成用于在诊断模式下通过升压转换器进行诊断的扰动电流信号。
升压转换器可以在诊断模式下诱导具有恒定直流(DC)电平的扰动电流，并且双向转换器可以被切换，并且通过对辅助能量存储装置充电或放电来控制负载电压。
数字信号处理器可以包括：电压检测器，该电压检测器被配置为测量燃料电池的输出响应；数字锁相放大器，该数字锁相放大器被配置为计算由电压检测器检测的电压的阻抗谱；以及参数提取器，该参数提取器被配置为根据由数字锁相放大器提取的阻抗谱计算参数；参数分析器，该参数分析器被配置为比较并分析由参数提取器计算的参数和参考参数；以及寿命预测器，该寿命预测器被配置为根据由参数分析器比较并分析的阻抗参数与先前存储的参考参数的比较结果，预测燃料电池的寿命。
本发明的另一方面提供一种控制用于燃料电池的电力转换器的方法，所述电力转换器包括：负载；燃料电池，该燃料电池被配置为给负载供电；升压转换器，该升压转换器连接至燃料电池，并且被配置为被切换；辅助能量存储装置，该辅助能量存储装置连接于升压转换器和负载之间，并且被配置为充电或放电；双向转换器，该双向转换器被配置为切换，使得辅助能量存储装置被充电或放电；以及数字信号处理器，该数字信号处理器被配置为通过检测燃料电池的输出来执行信号处理，所述方法包括以下步骤：根据提供依据负载的改变所需的电压的正常操作模式和预测燃料电池的寿命的诊断模式中的至少一种进行操作；以及当在诊断模式下操作时，切换升压转换器，以将具有恒定幅值的扰动电流施加至燃料电池，并且切换双向转换器，以通过对辅助能量存储装置充电或放电，使从燃料电池输出的电压保持在恒定DC电平，从而控制负载的电压。
当在正常操作模式下操作时，升压转换器可以控制从燃料电池输出的电压，以具有预定幅值，并且双向转换器可以对辅助能量存储装置充电或放电，以实现负载均衡操作。
在诊断模式下，数字信号处理器可以测量燃料电池的输出响应，从输出响应计算阻抗谱，根据阻抗谱计算参数，并且通过比较该参数与先前存储的参考参数来预测寿命。
当确认燃料电池的寿命等于或小于参考值时，数字信号处理器可以生成警报信号。
有益效果
如上所述，根据本发明的一方面，可以在能够实现负载均衡的电路中诊断燃料电池的寿命。
附图说明
图1是示出根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的电力转换器的电路图；
图2是示出根据本发明的示例性实施方式的包括在用于燃料电池的电力转换器中的数字信号处理器的控制框图；
图3是示出根据本发明的示例性实施方式的当在包括在用于燃料电池的电力转换器中的数字信号处理器中计算燃料电池的寿命时使用的等效电路的示例的图；以及
图4是根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的电力转换器的控制流程图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图在下面更详细地描述根据本发明的实施方式的用于燃料电池的电力转换器以及控制该电力转换器的方法。当在每个附图的元件中添加附图标记时，如果可以，即使同样的元件在另一附图中示出，同样的附图标记也将被用于该同样的元件。
图1是示出根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的电力转换器的电路图。
用于燃料电池的电力转换器可以包括燃料电池100、升压转换器L1、Q1、双向转换器Q2、Q3、L2、辅助能量存储装置200、输出电容器Cout、负载Rload、数字信号处理器300、以及控制器400。
用于燃料电池的电力转换器可以根据提供依据负载Rload的改变所需的电压的正常操作模式和预测燃料电池100的寿命的诊断模式中的一种执行操作。
用于燃料电池的电力转换器可以控制在正常操作模式下施加至负载Rload的电压，并且响应于急剧负载改变等执行负载均衡。
当燃料电池100的电力小于应该提供给负载Rload的电力时，负载均衡可以使用辅助能量存储装置200的电力补偿负载电力，并且当燃料电池100的电力大于应该提供给负载Rload的电力时，通过将剩余电力充至辅助能量存储装置200，来调节过度提供给负载Rload的电力。
在正常操作模式下，用于燃料电池的电力转换器的升压转换器L1、Q1可以控制负载电压以具有预定幅值，并且双向转换器Q2、Q3、L2可以被使用，以处理急剧负载改变或者瞬时过载。升压转换器L1、Q1可以提升从燃料电池100输出的电压并且对进行控制以保持恒定幅值，并且双向转换器Q2、Q3、L2可以进行控制，以通过使第二开关Q2和第三开关Q3导通或截止，来将燃料电池100的电力充至辅助能量存储装置200，或者通过使辅助能量存储装置200放电，来增加负载电压。
如上所述，用于燃料电池的电力转换器的升压转换器L1、Q1可以控制负载电压以具有预定幅值，双向转换器Q2、Q3、L2可以通过将燃料电池100的电力充至辅助能量存储装置200或者从辅助能量存储装置200释放预定电力，来将附加电力添加到燃料电池100的电力，以处理急剧负载改变或者瞬时过载。
在诊断模式下，用于燃料电池的电力转换器可以使用电化学阻抗谱(EIS)方法执行积分(integral)诊断。
在诊断模式下，用于燃料电池的电力转换器的升压转换器L1、Q1可以执行输入电流控制，以生成用于执行EIS方法的扰动(perturbation)电流信号，并且双向转换器Q2、Q3、L2可以控制负载电压。
在执行EIS方法期间，可以独立地执行升压转换器L1、Q1和双向转换器Q2、Q3、L2的操作。这可以是用于与负载改变无关地连续地测量阻抗的首要条件。在诊断模式下，升压转换器L1、Q1可以产生扰动电流，并且双向转换器Q2、Q3、L2可以通过对辅助能量存储装置200充电或放电来控制负载电压。由于双向转换器Q2、Q3、L2被适当地控制，所以从燃料电池100输出的电压的直流(DC)电平可以不根据负载Rload的改变而改变。
当燃料电池100被具有正弦波形式的电流扰动时，可以测量响应于电流扰动的电压响应。数字锁相放大器(DLIA)可以包括在数字信号处理器(DSP)中，并且被用于计算电流扰动和电压响应的相同相位分量和不同相位分量、以及针对每个频率的燃料电池100的交流(AC)阻抗。
可以使用复合(complex)非线性最小二乘法从测量的阻抗提取燃料电池100的等效电路参数。此时，所提取的参数可以被用于预测燃料电池的寿命。这可以通过将所提取的参数和初始参数进行比较来实现。在下文中将描述其详细说明。
控制器400可以执行用于燃料电池的电力转换器的总体控制。
控制器400可以切换升压转换器L1、Q1、以及包括在双向转换器Q2、Q3、L2中的第一开关Q1、第二开关Q2、和第三开关Q3，并且控制数字信号处理器300的操作。控制器400可以控制电路以在上述正常操作模式或诊断模式中的一种模式下操作。控制器400可以在合适定时控制切换操作，并且通过对包括在升压转换器L1、Q1中的电感器L1或者包括在双向转换器Q2、Q3、L2中的电感器L2充入电力或者释放电力等，来控制升压的多种操作。
图2是示出根据本发明的示例性实施方式的包括在用于燃料电池的电力转换器中的数字信号处理器的控制框图。
数字信号处理器300可以包括电压检测器310、数字锁相放大器320、存储器330、参数提取器340、参数分析器350、寿命预测器360、以及警报单元370。
电压检测器310可以检测燃料电池100的电压。电压检测器310可以检测升压转换器L1、Q1通过数字信号处理器300的信号从燃料电池100诱导的针对每个频率的电压。同时，电压检测器310可以由电流和电压检测器310代替而进行操作，并且被用作可以通过电流扰动测量电压响应或者通过电压扰动测量电流响应的块。
数字锁相放大器320可以计算由电压检测器310检测的针对每个频率的电压的阻抗谱。由数字锁相放大器320接收的AC信号由以下方程1表示。
[方程1]
以下方程2和3可以通过将所检测的信号X[n]乘以同相信号Cn和正交相位信号Sn获得。
[方程2]
[方程3]
数字锁相放大器320可以通过过滤方程2和3的AC分量，获得如以下方程4和5所示的幅值和相位。
[方程4]
x＝2×I[n]≈Acos(θ)；y＝2×Q[n]≈Asin(θ)
[方程5]
存储器330可以存储由数字锁相放大器320计算的阻抗谱。
参数提取器340可以根据由数字锁相放大器320提取的阻抗谱，选择燃料电池100的等效电路模型。该等效电路模型可以通过众所周知的兰德尔斯(Randles)等效电路建模。参照图3，该等效电路可以通过两个电阻器Rs、Rp和一个电容器Cdl配置。
参数提取器340可以通过以下方程6计算燃料电池100的等效电路的阻抗。
[方程6]
参数提取器340可以使用众所周知的复合非线性最小二乘拟合法计算燃料电池100的参数。
参数提取器340可以将复阻抗Z转换为如以下方程7中所示的各个频率函数。
[方程7]
Z＝f(ω；θi)；θi＝Rs，Rp，Cdl
参数Rs、Rp和Cd1可以通过最小化以下函数“Ф”来计算。
[方程8]
这里，yi表示实际测量数据，并且Z(w)可以是由等效模型计算的阻抗。函数“Ф”可以通过设定为以下方程9被最小化。
[方程9]
此时，当所计算的函数具有变化(Δθ)时，可以通过泰勒级数展开获得新值，如以下方程10中所示。
[方程10]
这里，ΔRs、ΔRp和ΔCd1可以通过方程8和方程10计算。结果，Rs、Rp和Cd1可以通过ΔRs、ΔRp和ΔCd1更新。可以连续执行计算，直到这些值收敛到预定有限值(例如，10-6)，以获得电池2的等效模型参数的最佳计算值。
参数分析器350可以通过比较由上述方法提取的阻抗参数和参考参数来分析。参数分析器350可以通过比较所提取的阻抗参数和对应参考值来分析。阻抗参数可以是Rs、Rp、Cdl等。
寿命预测器360可以根据由参数分析器350比较并分析的阻抗参数与参考参数的比较结果，预测燃料电池100的寿命。可以通过比较燃料电池100的阻抗参数和对应参考值(参考燃料电池100的阻抗参数)来检测寿命预测器360。当燃料电池100的阻抗参数与对应参考值具有差异或者不具有差异时，寿命状态之一可以被分配给相关燃料电池100。例如，当燃料电池100的阻抗在低频范围内大于参考值时，燃料电池100的老化状态可以比具有等于或小于参考值的阻抗值的燃料电池的老化状态更差。燃料电池10的老化状态可以与所计算的阻抗参数与参考值之间的差异的大小相关。当所计算的阻抗参数与参考值之间的差异的大小增加时，可以确定燃料电池100的寿命减少。当所计算的阻抗参数与参考值之间的差异的大小减小时，可以确定燃料电池的寿命良好。
当由寿命预测器360预测的燃料电池100的寿命等于或小于预定参考值时，警报单元370可以将警报信号输出到外部。可以通过生成音频信号的方法或者在外部显示单元上显示其状态的方法来输出警报信号。
图4是根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的电力转换器的控制流程图。
在诊断模式下，用于燃料电池的电力转换器可以通过升压转换器L1、Q1生成扰动电流，并且可以将由升压转换器L1、Q1诱导的扰动电流施加至燃料电池100(400)。
电压检测器310可以检测燃料电池100的电压。电压检测器310可以检测由数字信号处理器100的信号从燃料电池100诱导的针对每个频率的电压(410)。
数字锁相放大器320可以计算由电压检测器310检测的针对每个频率的电压的阻抗谱(420)。
参数提取器340可以根据由数字锁相放大器320提取的阻抗谱，选择燃料电池100的等效电路模型。等效电路模型可以通过众所周知的兰德尔斯等效电路建模。参数提取器340可以计算燃料电池100的等效电路的阻抗(430)。
参数分析器350可以通过比较通过上述方法提取的阻抗参数和参考参数来进行分析。参考分析器350可以通过比较所提取的阻抗参数与对应参考值来进行分析。寿命预测器360可以根据由参数分析器350比较并分析的阻抗参数与参考参数的比较结果，预测燃料电池100的寿命(440)。
当由寿命预测器360预测的燃料电池100的寿命等于或小于预定参考值时，警报单元370可以将警报信号输出到外部(450、460)。
虽然已经参考本发明的示例性实施方式示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，在此可以作出形式和细节上的多种改变。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池的电力转换器，所述电力转换器包括：
升压转换器，所述升压转换器连接到所述燃料电池，并且被配置为在正常操作模式下，将负载电压控制在预定幅值，并且在诊断模式下，通过将预定扰动电流施加至所述燃料电池，来诱导输出响应，其中，所述正常操作模式被配置为响应于负载的改变提供电压，并且所述诊断模式被配置为预测所述燃料电池的寿命；
数字信号处理器，所述数字信号处理器被配置为通过在所述诊断模式下检测所述燃料电池的输出响应，来提取阻抗参数，并且根据所述阻抗参数预测所述燃料电池的寿命；
辅助能量存储装置，所述辅助能量存储装置连接于所述升压转换器和所述负载之间，被配置为通过来自所述燃料电池的电力充电，并且除了来自所述燃料电池的电力之外将来自所述辅助能量存储装置的电力释放到所述负载；以及
双向转换器，所述双向转换器连接至所述辅助能量存储装置，并且被配置为被切换，以处理所述负载的急剧改变或者瞬时过载，
其中，所述升压转换器被配置为在所述诊断模式下诱导具有恒定直流DC电平的扰动电流，并且所述双向转换器被配置为被切换并且通过对所述辅助能量存储装置充电或放电来控制所述负载电压。
2.根据权利要求1所述的电力转换器，其中，所述双向转换器被配置为控制所述负载的输出电压，以生成用于在所述诊断模式下由所述升压转换器进行诊断的扰动电流信号。
3.根据权利要求1所述的电力转换器，其中，所述数字信号处理器还包括：
电压检测器，所述电压检测器被配置为测量所述燃料电池的所述输出响应；
数字锁相放大器，所述数字锁相放大器被配置为计算由所述电压检测器检测的电压的阻抗谱；
参数提取器，所述参数提取器被配置为根据所述数字锁相放大器提取的阻抗谱计算参数；
参数分析器，所述参数分析器被配置为分析并且比较所述参数与参考参数，其中，所述参数由所述参数提取器获得；以及
寿命预测器，所述寿命预测器被配置为根据由所述参数分析器比较并分析的所述阻抗参数与先前存储的所述参考参数之间的比较结果，预测所述燃料电池的寿命。
4.一种用于控制用于燃料电池的电力转换器的方法，所述方法包括以下步骤：
根据正常操作模式和诊断模式中的至少一种进行操作，其中，所述正常操作模式被配置为响应于负载的改变提供电压，并且其中，诊断模式被配置为预测所述燃料电池的寿命；以及
在所述诊断模式下，切换升压转换器，以将具有恒定幅值的扰动电流施加至所述燃料电池，并且切换双向转换器，以通过对辅助能量存储装置充电或放电，使从所述燃料电池输出的电压保持在恒定DC电平，从而控制所述负载的电压，其中，所述电力转换器包括：所述负载；所述燃料电池，所述燃料电池被配置为给所述负载供电；所述升压转换器，所述升压转换器连接到所述燃料电池并且被配置为被切换；所述辅助能量存储装置，所述辅助能量存储装置连接于所述升压转换器和所述负载之间并且被配置为充电或放电；所述双向转换器，所述双向转换器被配置为切换，使得所述辅助能量存储装置被充电或放电；以及数字信号处理器，所述数字信号处理器被配置为通过检测所述燃料电池的输出来执行信号处理。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述正常操作模式下，所述升压转换器将从所述燃料电池输出的电压保持在预定幅值，并且所述双向转换器对所述辅助能量存储装置充电或者放电，以实现负载均衡操作。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述诊断模式下，所述数字信号处理器测量所述燃料电池的输出响应，从所述输出响应计算阻抗谱，根据所述阻抗谱计算参数，并且通过比较所述参数与预先存储的参考参数，预测所述寿命。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，如果所述燃料电池的寿命等于或小于参考值，则所述数字信号处理器生成警报信号。
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