CN105699902A - 用于燃料电池诊断的阻抗测定装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于燃料电池诊断的阻抗测定装置及其方法。本发明的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置，包括：电流测定部，测定从燃料电池组流经负载的电流；电压测定部，测定燃料电池组的电压；及演算部，监测由电流测定部测定的电流的变动状态并对燃料电池组的电流及电压进行采样，每次采样时实施频率分析演算，根据已分析的燃料电池组的电压及电流而演算阻抗。

Description

用于燃料电池诊断的阻抗测定装置及其方法

技术领域

本发明涉及用于燃料电池诊断的阻抗测定装置及其方法，更详细地说，监测流经负载的电流而在变动设定值以上时，对燃料电池组的电流及电压进行采样，并在采样周期之间同时实施频率分析，不仅能够缩短采样结束后用于频率分析的额外时间，还能减少额外的电流注入回路。

背景技术

一般地说，燃料电池作为一种发电装置，不将燃料所具有的化学能通过燃烧而变换成热量，而是在组(stack)内通过电化学性反应而将其变换成电能。

这种燃料电池不仅供应工业用、家庭用及车辆驱动用电力，还能适用于小型电器/电子产品的电力供应。

例如，作为用于驱动当前车辆的电力供应源，最普遍研究的是燃料电池中具有最高电力密度的高分子电解质膜燃料电池(PEMFC：PolymerElectrolyteMembraneFuelCell，聚合物电解质膜燃料电池，ProtonExchangeMembraneFuelCell，质子交换膜燃料电池)形态，因其具有较低的启动温度，具有快速的发动时间和快速的电力变换反应时间。

这种高分子电解质膜燃料电池，包括：以氢离子移动的固体高分子电解质膜为中心，在膜的两边粘贴了产生电化学反应的催化剂电极层的膜电极结合体(MEA：MembraneElectrodeAssembly，膜电极组件)；起到均匀地分布反应气体并传递已产生的电能的作用的气体扩散层(GDL：GasDiffusionLayer)；用于维持多种反应气体及冷却水的气密性及适当结合压的垫圈及结合机构；及用于移动多种反应气体及冷却水的分离板(BipolarPlate，双极板)。

利用这种单位电池构成而组装燃料电池组时，主要构成部件即膜电极结合体与气体扩散层的组合位于电池内最里边，膜电极组具有涂布催化剂的催化剂电极层，从而氧气和氢气能在高分子电解质膜的两面进行反应，即具有阳极(Anode)及阴极(Cathode)，在阳极及阴极所在位置的外部，层叠气体扩散层、垫圈等。

气体扩散层的外侧具有形成用于供应反应气体(燃料即氢气和作为氧化剂的氧气或空气)并使冷却水通过的流场(FlowField)的分离板。

以这种构成为单位电池，层叠多个单位电池之后，在最外侧结合用于支撑集电极(CurrentCollector)、绝缘板及层叠电池的端板(EndPlate)，在端板之间反复层叠单位电池而结合，从而构成燃料电池组。

为了获得实际车辆所需的电位，需按照所需的电位层叠单位电池，层叠单位电池而形成燃料电池组(stack)。

1个单位电池中产生的电位为约1.3V，例如，为了生成车辆驱动所需的电力，串联层叠多个电池。

另外，对于汽车所使用的燃料电池，稳定性非常重要，因此需要正确及迅速的故障诊断。

作为燃料电池的诊断法，具有电池电压测定法、EIS(ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，电化学性阻抗谱)测定法、非线性回应技法、电流切断法等。

这时，电池电压测定法是测定构成燃料电池组的所有电池的电压而在一个以上的电池与其他电池之间的电位差较大时，诊断为故障的方式。

并且，EIS测定法是求系统型号的内部参数的方式，改变频率并输入较小的交流电流而测定输出电压并使用求得的阻抗。

而且，非线性回应技法是通过燃料电池系统型号的线性度判断而诊断故障的方式，与EIS测定法类似，通过输入交流电流而测定输出电压，计算测定电压的超高频歪率而判断系统型号的线性度，由此诊断故障。

并且，电流切断法是使燃料电池内流通固定的电流后瞬间切断该电流而在当时电压变化下求得内部电阻的方法。

在此，虽然电池电压测定法因监测燃料电池的组内所有电池的电池电压，能够正确区分存在异常的电池，但汽车用燃料电池组由约400个以上的电池构成，为了在电池上连接线束而测定电压，其构成比较复杂，导致价格竞争力低且可靠性低的问题。

并且，非线性度回应技法相比电池电压测定法，其系统构成简单，通过谐波分析诊断输出电压的故障时，其演算仍然复杂，存在制作用于输入的正弦波交流电流需要复杂的控制及费用的问题。

而且，EIS测定法、电流切断法及非线性回应技法是向燃料电池注入或吸入特定电压/电流的方式，因改变燃料电池的状态，车辆运行时实现较难，会影响燃料电池运转及性能。

本发明的背景技术已公开于韩国公开专利公报第10-2014-0085802号(公开日：2014.07.08)的“用于诊断燃料电池组的状态的阻抗测定方法及系统”。

发明内容

(要解决的技术问题)

本发明为了解决所述问题点而提出，本发明的目的在于提供一种用于燃料电池诊断的阻抗测定装置及其方法，监测流经负载的电流而在变动设定值以上时，对燃料电池组的电流及电压进行采样，并在采样周期之间同时实施频率分析，不仅能够缩短采样结束后用于频率分析的额外时间，还能减少额外的电流注入回路。

(解决问题的手段)

根据本发明的一方面的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置，包括：电流测定部，测定从燃料电池组流经负载的电流；电压测定部，测定燃料电池组的电压；及演算部，监测由电流测定部测定的电流的变动状态并对燃料电池组的电流及电压进行采样，每次采样时实施频率分析演算，根据已分析频率的燃料电池组的电压及电流而演算阻抗。

本发明，演算部，接收由电流测定部测定的且从燃料电池组流经负载的电流，根据判断电流的变动状态的周期，当前输入的当前电流与之前周期输入的之前电流的差异为设定值以上时，对燃料电池组的电流及电压进行采样。

本发明，演算部，对一个或两个频率实施频率分析演算。

本发明，演算部，对燃料电池组的电流及电压进行采样，且每次采样时，合计已实施频率分析演算的结果与之前结果。

本发明，演算部对燃料电池组的电流及电压进行采样，且每次采样时，按步骤执行DFT(DiscreteFourierTransform)变换而实施频率分析演算。

根据本发明的另一方面的用于燃料电池诊断的阻抗测定方法，包括：演算部从电流测定部接收从燃料电池组流经负载的电流的步骤；演算部判断已输入的电流的变动状态的步骤；演算部根据电流的变动状态，按照设定的采样数，对燃料电池组的电流及电压进行采样，且每次采样时，实施频率分析演算的步骤；及演算部完成采样后，基于已分析频率的燃料电池组的电流及电压而演算燃料电池组的阻抗的步骤。

本发明，判断电流的变动状态的步骤中，演算部接收由电流测定部测定的、从燃料电池组流经负载的电流，根据判断电流的变动状态的周期，将当前输入的当前电流与之前周期输入的之前电流的差异与设定值进行比较，判断电流的变动状态。

本发明，实施频率分析演算的步骤，对一个或两个频率实施频率分析演算。

本发明，实施频率分析演算的步骤，演算部对燃料电池组的电流与电压进行采样，且每次采样时，合计已实施频率分析演算的结果与之前结果。

本发明，实施频率分析演算的步骤，演算部对燃料电池组的电流及电压进行采样，且每次采样时，按步骤执行DFT(DiscreteFourierTransform)变换而实施频率分析演算。

(发明的效果)

根据本发明的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置及其方法，监测流经负载的电流而在变动设定值以上时，对燃料电池组的电流及电压进行采样，并在采样周期之间同时实施频率分析，不仅能够缩短采样结束后用于频率分析的额外时间，还能减少额外的电流注入回路。

附图说明

图1是呈现根据本发明的一实施例的燃料电池组的负载状态的电流变动状态的图表。

图2是呈现根据本发明的一实施例的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置的模块构成图。

图3是呈现根据本发明的一实施例的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置中阻抗测定顺序的图表。

图4是用于说明根据本发明的一实施例的用于燃料电池诊断的阻抗测定方法的流程图。

符号说明

10：燃料电池组20：负载

30：电流测定部40：电压测定部

50：演算部

具体实施方式

下面，参照附图详细说明根据本发明的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置及其方法。在此过程中，可能会有些夸张地图示了附图中的线条的厚度或构成要素的大小等。并且，后述的用语是考虑到在本发明中的功能而定义的，根据使用者、运用者的意图或惯例而发生改变。因此，这些用语的定义应以整个说明书的内容为基础。

图1是呈现根据本发明的一实施例的燃料电池组的负载状态的电流变动状态的图表，图2是呈现根据本发明的一实施例的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置的模块构成图，图3是呈现根据本发明的一实施例的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置中阻抗测定顺序的图表。

如图2所图示，根据本发明的一实施例的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置，包括：电流测定部30、电压测定部40及演算部50。

电流测定部30测定从燃料电池组10流经负载20的电流而提供到演算部50。

电压测定部40测定燃料电池组10的电压而提供到演算部50。

演算部50监测通过电流测定部30测定的电流的变动状态，当电流变动设定值以上时，对燃料电池组10的电流及电压进行采样。

一般地说，为了测定燃料电池的阻抗，将交流电流注入燃料电池改变输出电压的状态下，测定阻抗。

但是，本发明的实施例中，用于车辆的马达等负载20中，如图1所图示，利用燃料电池的电压随着被消耗的电流的改变而变动。

因此，为了燃料电池阻抗的测定，不额外注入交流电流，也能监测流经负载的电流的变化，从而判断变动状态，当电流变动设定值以上时，执行用于阻抗测定的采样。

即，演算部50根据判断电流的变动状态的周期，当前输入的当前电流与之前周期输入的之前电流的差异为设定值以上时，判断为产生电流变动而执行用于测定阻抗的采样。

之后，演算部50在每次采样时，合计已实施频率分析演算的结果值与之前结果值，当满足设定的样品数时，演算阻抗。

即，如图3所图示的阻抗测定顺序，执行采样时，完成采样之后，到完成下一个采样为止的闲暇时间内，执行频率分析演算，在结束采样后，收集已采样的电流及电压，由此节省用于执行频率分析演算的时间。

这时，为了频率分析演算，演算部50在每次采样时，按步骤执行数学式1的DFT(DiscreteFourierTransform)变换并合计其结果而实施频率分析演算。

并且，本实施例中，为了阻抗演算，仅需要一个或两个频率成分，不使用FFT(FastFourierTransform，快速傅立叶变换)变换而适用DFT变换执行频率分析演算，从而能够提高演算速度。

【数学式1】

$IF=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(Ic\right(n)*sin(2\mathrm{\π}Fn)+Ic(n)*jcos(2\mathrm{\π}Fn\left)\right)$

$VF=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(Vc\right(n)*sin(2\mathrm{\π}Fn)+Vc(n)*jcos(2\mathrm{\π}Fn\left)\right)$

在此，IF为频率F的电流光谱大小，VF为频率F的电压光谱大小，Ic(n)为n次采样的燃料电池组的电流，Vc(n)为n次采样的燃料电池组的电压。

如上述，对燃料电池组10的电流及电压进行采样，且每次采样时，实施频率分析演算并与之前分析的结果进行合计后，若满足设定的样品数，能够获得对设定的样品数的电流光谱大小及电压光谱大小。因此，演算部50基于已分析频率的电流及电压，根据数学式2演算阻抗。

【数学式2】

$R=\frac{IF}{VF}$

这样演算的阻抗被通知到高阶控制部(未图示)，高阶控制部判断是否超过设定范围而诊断燃料电池。

如上所述，根据本发明的实施例的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置，监测流经负载的电流而在变动设定值以上时，对燃料电池组的电流及电压进行采样，并在采样周期之间同时实施频率分析，不仅能够缩短采样结束后用于频率分析的额外时间，还能减少额外的电流注入回路。

图4是用于说明根据本发明的一实施例的用于燃料电池诊断的阻抗测定方法的流程图。

如图4所图示，根据本发明的一实施例的用于燃料电池诊断的阻抗测定方法中，演算部50通过电流测定部30接收从燃料电池组10流经负载20的电流(S10)。

一般地说，为了测定燃料电池的阻抗，将交流电流注入燃料电池而改变输出电压的状态下，测定阻抗。

但是，本发明的实施例中，用于车辆的马达等负载20中，如图1所图示，利用燃料电池的电压随着被消耗的电流的改变而变动。

之后，演算部50判断从燃料电池组10流经负载20的电流的变动状态(S12)。即，判断电流变动是否发生设定值以上。

这时，若电流变动不发生设定值以上，则演算部50返回S10步骤后继续接收从燃料电池组10流经负载20的电流并进行监测。即，根据判断电流的变动状态的周期，当前输入的当前电流与之前周期输入的之前电流的差异为设定值以上时，判断为产生电流变动。

但是，S12步骤中电流变动发生设定值以上时，演算部50初始化频率分析变数(S14)。即，初始化之前频率分析中使用的值，设定用于重新采样的采样数。

之后，演算部50通过电流测定部30及电压测定部40而对燃料电池组10的电流及电压进行采样(S16)。

然后，演算部50为了频率分析演算，按步骤执行数学式3的DFT(DiscreteFourierTransform)变换并与之前结果合计，从而实施频率分析演算(S18)。

因此，对燃料电池组10的电流及电压进行采样，每次采样时，实施频率分析演算并与之前分析的结果进行合计之后，若满足已设定的样品数，还能获得对设定的样品数的电流光谱大小及电压光谱大小。

【数学式3】

$IF=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(Ic\right(n)*sin(2\mathrm{\π}Fn)+Ic(n)*jcos(2\mathrm{\π}Fn\left)\right)$

$VF=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(Vc\right(n)*sin(2\mathrm{\π}Fn)+Vc(n)*jcos(2\mathrm{\π}Fn\left)\right)$

在此，IF为频率F的电流光谱大小，VF为频率F的电压光谱大小，Ic(n)为n次采样的燃料电池组的电流，Vc(n)为n次采样的燃料电池组的电压。

本实施例中，为了阻抗演算，仅需要一个或两个频率成分，不使用FFT(FastFourierTransform)变换而适用DFT变换执行频率分析演算，从而能够提高演算速度。

如所述，演算部50对燃料电池组10的电流及电压进行采样之后，反复执行实施频率分析演算的过程，直到达到设定的采样数(N)为止(S20)。这时，依次增加采样数n，直到采样数达到N为止，反复执行(S22)。

之后，按S20步骤中设定的采样数，反复进行采样，实施频率分析演算而与之前分析的结果进行合计之后，若满足已设定的样品数，还能获得对设定的样品数的电流光谱大小及电压光谱大小。因此，演算部50基于已分析频率的电流及电压而根据数学式4演算阻抗(S24)。

【数学式4】

$R=\frac{IF}{VF}$

这样演算的阻抗被通知到高阶控制部(未图示)，高阶控制部判断是否超过设定范围而诊断燃料电池。

如上述，根据本发明的实施例的用于燃料电池诊断的阻抗测定方法，监测流经负载的电流而在变动设定值以上时，对燃料电池组的电流及电压进行采样，并在采样周期之间同时实施频率分析，能够缩短采样结束后用于频率分析的额外时间，还能减少额外的电流注入回路。

以上参考了附图所图示的实施例而说明了本发明，但这只是例示性的，在本发明所属技术领域具有一般知识的人，能够理解到由此可进行多种变形及均等的其他实施例。

因此，本发明的技术保护范围应根据以下权利要求范围所规定。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池诊断的阻抗测定装置，其特征在于，包括：

电流测定部，测定从燃料电池组流经负载的电流；

电压测定部，测定所述燃料电池组的电压；及

演算部，监测由所述电流测定部测定的所述电流的变动状态并对所述燃料电池组的所述电流及所述电压进行采样，每次采样时实施频率分析演算，根据已分析频率的所述燃料电池组的电压及电流而演算阻抗。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置，其特征在于，

所述演算部，接收由所述电流测定部测定的且从所述燃料电池组流经所述负载的电流，根据判断所述电流的变动状态的周期，当前输入的当前电流与之前周期输入的之前电流的差异为设定值以上时，对所述燃料电池组的所述电流及所述电压进行采样。

3.根据权利要求1所述的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置，其特征在于，

所述演算部，对一个或两个频率实施频率分析演算。

4.根据权利要求1所述的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置，其特征在于，

所述演算部，对所述燃料电池组的所述电流及所述电压进行采样，且每次采样时，合计已实施频率分析演算的结果与之前结果。

5.根据权利要求1所述的用于燃料电池诊断的阻抗测定装置，其特征在于，

所述演算部，对所述燃料电池组的所述电流及所述电压进行采样，每次采样时，按步骤执行DFT(DiscreteFourierTransform，离散傅立叶变换)变换而实施频率分析演算。

6.一种用于燃料电池诊断的阻抗测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

演算部从电流测定部接收从燃料电池组流经负载的电流的步骤；

所述演算部判断已输入的所述电流的变动状态的步骤；

所述演算部根据所述电流的变动状态，按照设定的采样数，对所述燃料电池组的电流及电压进行采样，且每次采样时，实施频率分析演算的步骤；及

所述演算部完成采样后，基于已分析频率的所述燃料电池组的所述电流及所述电压而演算所述燃料电池组的阻抗的步骤。

7.根据权利要求6所述的用于燃料电池诊断的阻抗测定方法，其特征在于，

判断所述电流的变动状态的步骤中，所述演算部接收由所述电流测定部测定的且从所述燃料电池组流经所述负载的电流，根据判断所述电流的变动状态的周期，将当前输入的当前电流与之前周期输入的之前电流的差异与设定值进行比较，判断所述电流的变动状态。

8.根据权利要求6所述的用于燃料电池诊断的阻抗测定方法，其特征在于，

所述实施频率分析演算的步骤，对一个或两个频率实施频率分析演算。

9.根据权利要求6所述的用于燃料电池诊断的阻抗测定方法，其特征在于，

所述实施频率分析演算的步骤，所述演算部对所述燃料电池组的电流与电压进行采样，且每次采样时，合计实施频率分析演算的结果与之前结果。

10.根据权利要求6所述的用于燃料电池诊断的阻抗测定方法，其特征在于，

实施所述频率分析演算的步骤，所述演算部对所述燃料电池组的所述电流及所述电压进行采样，且每次采样时，按步骤执行DFT(DiscreteFourierTransform)变换而实施频率分析演算。