CN107978776A - 一种具有燃料电池特殊故障诊断功能的升压转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有燃料电池故障诊断功能的升压转换设备，包括：升压转换器，输入端与燃料电池连接，输出端与电机控制器连接；电流电压采样装置，与燃料电池输出端连接，用于采集燃料电池的纹波电流和响应电压；升压控制器，与升压转换器连接，采集升压转换器的输入输出端电流电压，用于控制升压转换器实现升压，以及调整燃料电池输出电流的纹波频率，并根据燃料电池的纹波电流和响应电压得到燃料电池阻抗并发送至燃料电池控制器，由燃料电池控制器计算得到膜干状况。与现有技术相比，本发明利用升压模块的电流的纹波特质，作为燃料电池的电流激励来获取燃料电池的阻抗信息，无需在车上增加任何一个部件即可获得燃料电池的阻抗信息。

Description

一种具有燃料电池特殊故障诊断功能的升压转换装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池技术，尤其是涉及一种具有燃料电池特殊故障诊断功能的升压转换装置。
背景技术
目前，燃料电池由于其清洁、无噪声等因素，成为了新能源汽车领域的重要发展方向，但燃料电池在长时间运行后会出现膜干、膜湿等特殊故障，严重影响燃料电池在汽车领域的应用。因此低成本高、小体积并能实时监控车载燃料电池车设备成为促进燃料电池在汽车领域的应用的重要研究对象。
燃料电池阻抗是反应膜干故障的重要参数，阻抗参数在车载条件下无法直接通过现有的传感器采样方式计算得到，但在实验室内，可以通过交流阻抗谱方法很快获得燃料电池的交流阻抗谱，从而获得燃料池阻抗值，并判别燃料电池当前的故障，但该交流阻抗谱仪器成本贵、设备体积大、实时性差，无法用于车载。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有燃料电池特殊故障诊断功能的升压转换装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有燃料电池故障诊断功能的升压转换设备，包括：
升压转换器，输入端与燃料电池连接，输出端与电机控制器连接；
电流电压采样装置，与燃料电池输出端连接，用于采集燃料电池的纹波电流和响应电压；
升压控制器，与升压转换器连接，采集升压转换器的输入输出端电流电压，用于控制升压转换器实现升压，以及调整燃料电池输出电流的纹波频率，并根据燃料电池的纹波电流和响应电压得到燃料电池阻抗并发送至燃料电池控制器，由燃料电池控制器计算得到膜干状况。
所述升压转换器和电机控制器之间设有动力分配单元和储能电池，所述升压转换器和储能电池通过动力分配单元并联后与电机控制器连接。
所述电流电压采样装置包括用于采集燃料电池的纹波电流的电流传感器和用于采集燃料电池的的响应电压的分压运放采样电路，所述电流传感器和分压运放采样电路均与燃料电池输出端连接。
所述电机控制器与电机连接。
所述储能电池为动力电池。
所述升压控制器得到燃料电池阻抗的过程包括步骤：
S1：升压控制器，控制升压转换器中的IGBT功率器件的开关频率调整燃料电池输出电流的纹波频率；
S2：电流电压采样装置采集燃料电池当前的纹波电流和相应的响应电压；
S3：升压控制器基于纹波电流和响应电压，依次时频转换、阻抗点计算和阻抗计算后得到燃料电池阻抗。
所述电流电压采样装置的采样频率在2kHz以内。
所述步骤S3具体包括步骤：
S31：将采样到的响应电压xu(t)和纹波电流xi(t)的时域信号进行快速傅里叶变换运算，得到纹波电流和响应电压的频域信号fu(w)和fi(w)，其中t表示时间，w表示频率，x表示采样值，f表示快速傅里叶变换计算得到的频域值；
S32：根据电压电流的频域信号按照如下公式得到阻抗谱：
A(w)＝|fu(w)|/|fi(w)|
θ(w)＝|∠fu(w)-∠fi(w)|
其中，A(w)为阻抗幅值，θ(w)为阻抗相位。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)利用升压模块的电流的纹波特质，作为燃料电池的电流激励来获取燃料电池的阻抗信息，无需再车上增加任何一个部件即可获得燃料电池的阻抗信息。
2)通过采用高采样速率与高计算速度的处理芯片计算燃料电池交流阻抗点，实时判定燃料电池当前状态。
3)电流电压采样装置的采样频率在2kHz，可以保证对纹波电流进行完整的测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1、升压转换器，2、电机控制器，3、升压控制器，4、动力分配单元，5、储能电池，6、电流传感器，7、分压运放采样电路，8、燃料电池，9、电机，10、燃料电池控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种具有燃料电池故障诊断功能的升压转换设备，除了具有将燃料电池电压升压并稳压供给后端功率器件的通用功能以外，还具有故障诊断功能，如图1所示，包括：
升压转换器1，输入端与燃料电池8连接，输出端与电机控制器2连接；
电流电压采样装置，与燃料电池8输出端连接，用于采集燃料电池8的纹波电流和响应电压；
升压控制器3，与升压转换器1连接，用于控制升压转换器1调整燃料电池8输出电流的纹波频率，以及根据燃料电池8的纹波电流和响应电压得到燃料电池8阻抗并发送至燃料电池控制器10，由燃料电池控制器10计算得到膜干状况。
升压转换器1和电机控制器2之间设有动力分配单元4(即PDU)和储能电池5，升压转换器1和储能电池5通过动力分配单元4并联后与电机控制器2连接。
电流电压采样装置包括用于采集燃料电池8的纹波电流的电流传感器6和用于采集燃料电池8的的响应电压的分压运放采样电路7，电流传感器6和分压运放采样电路7均与燃料电池8输出端连接。
电机控制器2与电机9连接。
储能电池5为动力电池。
升压控制器3得到燃料电池8阻抗的过程包括步骤：
S1：升压控制器3，控制升压转换器1中的IGBT功率器件的开关频率调整燃料电池8输出电流的纹波频率；
S2：电流电压采样装置采集燃料电池8当前的纹波电流和相应的响应电压；
S3：升压控制器3基于纹波电流和响应电压，依次时频转换、阻抗点计算和阻抗计算后得到燃料电池8阻抗。
电流电压采样装置的采样频率在2kHz以内。
步骤S3具体包括步骤：
S31：将采样到的响应电压xu(t)和纹波电流xi(t)的时域信号进行快速傅里叶变换运算，得到纹波电流和响应电压的频域信号fu(w)和fi(w)，其中t表示时间，w表示频率，x表示采样值，f表示快速傅里叶变换计算得到的频域值；
S32：根据电压电流的频域信号按照如下公式得到阻抗谱：
A(w)＝|fu(w)|/|fi(w)|
θ(w)＝|∠fu(w)-∠fi(w)|
其中，A(w)为阻抗幅值，θ(w)为阻抗相位。
本发明的核心在于，由于升压模块的升压原理造成燃料电池输出电流具有纹波特质，根据交流阻抗原理，该电流纹波可以作为燃料电池的电流激励，通过采集燃料电池输出的纹波电流与纹波激励后的响应电压，了以获得该纹波频率下的交流阻抗点，从而获得燃料电池阻抗，以判别燃料电池当前内部状态。
将燃料电池8电压稳定在动力电池电压范围后，将动力电池和升压转换模块的输出端通过PDU并联后，一同输入电机控制器2来驱动电机。本发明配置两个ECU，其中ECU1为燃料电池控制器10(控制燃料电池系统)，ECU2为升压控制器3，除了升压制外，还具有燃料电池阻抗计算的功能。ECU2通过控制升压转换模块内的IGBT功率器件的开关频率，调整燃料电池输出电流的纹波频率，并利用电流电压传感器高速采集燃料电池当前的纹波电流与相应的响应电压。ECU2内部采用DSP芯片(高速数字信号处理芯片)进行数据采样、时频转换、阻抗点计算以及燃料电池阻抗计算后，把阻抗值发送给ECU1，ECU1根据阻抗值与当前燃料电池系统各个传感器采样值计算得出膜干状况，从而获得当前燃料电池的状态。

Claims (8)

1.一种具有燃料电池故障诊断功能的升压转换设备，其特征在于，包括：
升压转换器，输入端与燃料电池连接，输出端与电机控制器连接；
电流电压采样装置，与燃料电池输出端连接，用于采集燃料电池的纹波电流和响应电压；
升压控制器，与升压转换器连接，采集升压转换器的输入输出端电流电压，用于控制升压转换器实现升压，以及调整燃料电池输出电流的纹波频率，并根据燃料电池的纹波电流和响应电压得到燃料电池阻抗并发送至燃料电池控制器，由燃料电池控制器计算得到膜干状况。
2.根据权利要求1所述的一种具有燃料电池故障诊断功能的升压转换设备，其特征在于，所述升压转换器和电机控制器之间设有动力分配单元和储能电池，所述升压转换器和储能电池通过动力分配单元并联后与电机控制器连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有燃料电池故障诊断功能的升压转换设备，其特征在于，所述电流电压采样装置包括用于采集燃料电池的纹波电流的电流传感器和用于采集燃料电池的的响应电压的分压运放采样电路，所述电流传感器和分压运放采样电路均与燃料电池输出端连接。
4.根据权利要求1所述的一种具有燃料电池故障诊断功能的升压转换设备，其特征在于，所述电机控制器与电机连接。
5.根据权利要求1所述的一种具有燃料电池故障诊断功能的升压转换设备，其特征在于，所述储能电池为动力电池。
6.根据权利要求1所述的一种具有燃料电池故障诊断功能的升压转换设备，其特征在于，所述升压控制器得到燃料电池阻抗的过程包括步骤：
S1：升压控制器，控制升压转换器中的IGBT功率器件的开关频率调整燃料电池输出电流的纹波频率；
S2：电流电压采样装置采集燃料电池当前的纹波电流和相应的响应电压；
S3：升压控制器基于纹波电流和响应电压，依次时频转换、阻抗点计算和阻抗计算后得到燃料电池阻抗。
7.根据权利要求6所述的一种具有燃料电池故障诊断功能的升压转换设备，其特征在于，所述电流电压采样装置的采样频率在2kHz以内。
8.根据权利要求6所述的一种具有燃料电池故障诊断功能的升压转换设备，其特征在于，所述步骤S3具体包括步骤：
S31：将采样到的响应电压xu(t)和纹波电流xi(t)的时域信号进行快速傅里叶变换运算，得到纹波电流和响应电压的频域信号fu(w)和fi(w)，其中t表示时间，w表示频率，x表示采样值，f表示快速傅里叶变换计算得到的频域值；
S32：根据电压电流的频域信号按照如下公式得到阻抗谱：
A(w)＝|fu(w)|/|fi(w)|
θ(w)＝|∠fu(w)-∠fi(w)|
其中，A(w)为阻抗幅值，θ(w)为阻抗相位。
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