CN109683103A - 一种硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系，弥补了传统的电堆电子测试系统仅能给出电堆的整体信息，无法获得组成电堆的所有单电池的个体信息的缺点。本发明涉及的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统通过将燃料电池电堆与多通道电流传感器与多通道电位传感器相连，在获得电堆整体电流分布信息的同时还可实现单电池的检测和同步多单池阻抗的分析，从而获得有关电化学反应、传质、内阻变化的信息，满足对电堆的多方位精密分析诊断需求。此发明将填补我国在电池耐久性多方位分析诊断平台上的空白，并将大幅促进电池寿命及性能衰减机理和规律的研究，提高电源系统耐久性，解决其实用化和产业化的瓶颈。

Description

一种硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统

技术领域

本发明涉及电池阻抗测试技术领域，具体涉及一种硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Menmbrane Fuel Cell,PEMFC)是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转化为电能的发电装置，理论上讲只要燃料源源不断的供给，电池便可连续不断的发电。同时其产能过程不受卡诺循环的限制，能量转化效率高(理论效率达85％～90％)，环境友好(无氮氧化物和硫氧化物的排放，噪音低)，操作简便，安全可靠，其必将在未来的能源体系中占据重要位置。近年来，PEMFC技术在国际上已趋于成熟，在比功率、成本及寿命方面取得了长足进步并已进行商业化推广(丰田Mirai、本田Clarity FCV)。在我国，PEMFC性能比肩到国际先进水平，但电池寿命仍存在较大提升空间，其成为了制约我国PEMFC实用化的瓶颈问题。

PEMFC电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆。电堆的寿命与各单电池及相关组成部件密切相关，运用精密分析手段对电堆及单电池的性能衰减机理进行诊断对提高PEMFC的寿命有着至关重要的意义。电池性能衰减是在线过程，蕴含复杂的电化学、物理化学信息，对衰减机理的研究需要多种诊断分析手段相互配合，尤其需要在线分析测试以实现原位分析诊断，克服离线分析检测手段的滞后性、破坏性、信息量小、准确性低的各种缺点。

目前，由于燃料电池的可观前景，其分析评价测试系统的开发已得到国外诸多公司的重视，包括TesSol(美国)、Morphic Technologies(瑞典)、Fuel Cell Technologies(美国)、Scribner(美国)、Green Light(加拿大)、Arbin(美国)、Electro-Chem(美国)等公司已开发出成熟的系列测试系统。但遗憾的是，上述各系统分析测试能力有限，其工作原理仅为通过电子负载精确调控电池电流/电压，通过控制流量、温度、湿度、压力的装置实现对电池工作条件的准确控制，配合数据采集分析系统给出电流-电压曲线和电堆整体信息，无法实现对电池/电堆运行过程的多方位在线监控，难于实现对电池性能衰减机理的深入解析。理想的PEMFC诊断系统应实现在线获取电池过程的准确电化学反应、物质传递、电子传输和电池各部件衰减的动态信息，实现对电池衰减机理的准确认知和深入剖析。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，其将能在线获得单电池电流分布、高频电阻电堆多通道同步阻抗谱和电流-电压曲线等多重数据，系统地实现PEMFC电堆的精密多方位在线分析诊断。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，是由物料供给系统、温度控制系统、电子测试系统以及软件系统构成；

所述物料供给系统和温度控制系统主要由燃料供给系统，空气供给系统，水供给，冷却液管理系统和升温、控温装置构成；通过流量控制器、重整器、增湿器、增压器、冷却装置为电池的运行提供必要的条件，包括燃料、氧气、水的定量供应，对电解制备的氢气，氧气流量测定以及纯化处理，和特定温度、湿度、压力环境的实现；

所述电子测试系统主要包括多通道电流传感器、多通道电位传感器、多通道频响仪、频率发生仪、电力负载系统、控制系统以及辅助电源；

所述辅助电源用于启动燃料电池电堆系统，所述频率发生仪负责对燃料电池电堆回路发出电流扰动，所述电力负载系统通过对本身阻值的调控来控制燃料电池电堆回路的电流大小，所述多通道电流传感器、多通道电位传感器与多通道频响仪共同对多个单片电池同时测试并分析电压响应，所述控制系统控制整个测试系统的运行；

所述软件系统主要包括以下组成部分，数据采集及控制系统、安全保护系统以及人机交互系统；

所述数据采集及控制系统主要由计算机硬件和控制、数据处理软件组成；可将电池运行中的各种物理量，及电化学信息转换为计算机可以识别的数据量实时显示；

所述人机交互系统可将电池运行过程中的各项参数进行事时的转化，并通过友好界面向操作人员进行展示，辅助操作人员完成复杂的数据分析、处理，并通过友好界面向操作人员进行展示，使操作人员可以实时观测整个系统的工作状态，相应的做出调整，实现对测试系统的控制；

所述安全保护系统包括对电池燃料和电解池排放管理系统和空气排放管理系统，对电池排放的气体做成份分析、无害化处理后排出，过载状态保护，危险物质泄露检测及紧急保护。

在上述技术方案中，将燃料电池电堆、辅助电源、电力负载系统以及多通道电流传感器串联组成回路；多通道电位传感器与燃料电池电堆并联后接入电力负载系统；频率发生仪一端介入电力负载系统，另一端与控制系统相连；多通道频响仪直接与多通道电位传感器与多通道电流传感器相连以采集相关电流及电位信息。

在上述技术方案中，所述频率发生仪通过IEEE488总线与控制系统相连。

在上述技术方案中，所述电力负载系统采用电阻可调式负载、其电阻的调节范围为1.0×10²Ω～1.0×10⁵Ω，或者采用固定式负载、其负载电阻的范围为1.0×10²Ω～1.0×10⁵Ω。

在上述技术方案中，所述多通道电流传感器采用电子式霍尔电流传感器、电子式罗柯夫斯基电流传感器或者电磁式电流传感器。

在上述技术方案中，所述多通道电位传感器采用霍尔电压传感器、光纤电压传感器或者直流电压传感器。

在上述技术方案中，所述频率发生仪使用低频信号发生器、高频信号发生器或者频率合成式信号发生器。

在上述技术方案中，所述软件系统使用National Instruments ^TMLabVIEW^TM作为开发工具，MATHWORKS^TM SIMULINK^TM作为模拟语言。

本发明的有益效果是：

目前，传统的电堆电子测试系统仅能给出电堆的整体信息，无法获得组成电堆的所有单电池的个体信息，这对分析电池运行的寿命衰减机理是不利的。本发明所涉及的一种硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统通过将燃料电池电堆与多通道电流传感器与多通道电位传感器相连，在获得燃料电池电堆整体电流分布信息的同时还可实现单电池的检测和同步多单池阻抗的分析，从而获得有关电化学反应、传质、内阻变化的信息，满足对燃料电池电堆的多方位精密分析诊断需求。通过上述测试平台的开发，填补我国在电池耐久性多方位分析诊断平台上的空白，将大幅促进电池寿命及性能衰减机理和规律的研究，提高电源系统耐久性，解决其实用化和产业化的瓶颈。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统结构简图。

图2为本发明的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统总体设计图。

图3为本发明的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统的电子测试系统核心部件组成示意图。

具体实施方式

结合图1说明本发明提供的一种硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，主要由以下系统构成：物料供给系统、温度控制系统、电子测试系统以及软件系统。

(1)物料供给系统和温控系统

主要由燃料供给系统、空气供给系统、水供给、冷却液管理系统和升温、控温装置构成。通过流量控制器、重整器、增湿器、增压器、冷却装置为电池的运行提供必要的条件，包括燃料、氧气、水的定量供应，对电解制备的氢气，氧气流量测定以及纯化处理，和特定温度、湿度、压力环境的实现。

(2)电子测试系统

为电池模拟真实环境中的负载，电子测试系统应具备恒电流、恒电压、恒功率、极化扫描等放电模式。同时，将多通道电位传感器、电流传感器(Current transducer)、多通道频响仪(FRA)、频率发生仪与电力负载系统和控制系统结合，实现电压、电流、电化学阻抗的多通道同步测试，电堆单片电压诊断、并同步测量分析电堆的电化学阻抗。通过上述各诊断方式的配合，实现对能量转化过程中电化学反应、传质过程、及内阻等情况的精密准确诊断。

参见图3：所述电子测试系统主要包括多通道电流传感器、多通道电位传感器、多通道频响仪、频率发生仪、电力负载系统、控制系统以及辅助电源构成；

所述辅助电源用于启动染料电池电堆系统，所述频率发生仪负责对燃料电池电堆回路发出电流扰动，所述电力负载系统通过对本身阻值的调控来控制燃料电池电堆回路的电流大小，所述多通道电流传感器、多通道电位传感器与多通道频响仪共同对多个单片电池同时测试并分析电压响应，所述控制系统控制整个测试系统的整体运行情况；

将燃料电池电堆、辅助电源、电力负载系统以及多通道电流传感器串联组成回路；多通道电位传感器与燃料电池电堆并联后接入电力负载系统；频率发生仪一端介入电力负载系统，另一端通过IEEE488总线与控制系统相连；多通道频响仪直接与多通道电位传感器与多通道电流传感器相连以采集相关电流及电位信息。

优选所述电力负载系统采用电阻可调式负载、其电阻的调节范围为1.0×10²Ω～1.0×10⁵Ω，或者采用固定式负载、其负载电阻的范围为1.0×10²Ω～1.0×10⁵Ω。

优选所述多通道电流传感器采用电子式霍尔电流传感器、电子式罗柯夫斯基电流传感器或者电磁式电流传感器。

优选所述多通道电位传感器采用霍尔电压传感器、光纤电压传感器或者直流电压传感器。

优选所述频率发生仪使用低频信号发生器、高频信号发生器或者频率合成式信号发生器。

(3)软件系统

软件系统主要包括以下组成部分，分别为数据采集及控制系统、安全保护系统以及人机交互系统。软件系统使用National Instruments ^TMLabVIEW^TM作为开发工具，MATHWORKS^TM SIMULINK^TM作为模拟语言。由于这两家公司提供了合作界面，因而可以实现无缝集成。仿真被划分为逻辑模块(便于维护)，并被编译为动态链接库(dll)。在LabVIEW^TM中设计的控制软件，负责整个试验台功能，与硬件和远程可视化目标进行数据交换，调用嵌入式实时仿真。源代码和仿真软件可被RT目标编译使用。核心软件与实时仿真的设置点与参数是在动态变化的，其通过TCP/IP与工作站相连，要修改模型而不改变I/O端口的结构，只需创建一个新的dll并将其复制到实时目标，且仅需要很短的停机时间即可完成dll的更新。

数据采集及控制系统主要由计算机硬件和控制、数据处理软件组成。它为操作人员提供一个友好的控制平台，将电池运行中的各种物理量，及电化学信息转换为计算机可以识别的数据量实时显示。

所述人机交互系统可将电池运行过程中的各项参数进行事时的转化，并通过友好界面向操作人员进行展示，辅助操作人员完成复杂的数据分析、处理，并通过友好界面向操作人员进行展示，使操作人员可以实时观测整个系统的工作状态，相应的做出调整，实现对测试系统的控制。

标准燃料电池平台的使用与实时控制界面的桥接可以通过将实时目标、实验平台控制PC与集成可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)替换为单独的PCI仪器扩展(PCI extension for instrumentation，PXI)系统来实现。PXI是一种现行国际行业标准，其被应用于坚固可靠的PC基测控系统。运行着一个框架实时操作系统的嵌入式PC可以通过宽带PXI总线与测控硬件直接通讯而实现对实验平台的控制。与此同时，关键电路的高速决策直接在FPGA芯片上运行。通过绕过CPU，其实现了高度的可靠性以及降低至微秒级的循环时间。嵌入式PC的CPU不仅运行实时仿真系统，而且负责控制软件中计算量较大的部分的计算工作。

安全保护系统包括对电池燃料和电解池排放管理系统和空气排放管理系统，对电池排放的气体做成份分析、无害化处理后排出，过载状态保护，危险物质泄露检测及紧急保护等。

各子系统之间相互配合，共同完成燃料电池多方位在线诊断平台对燃料电池电堆的多方位精密分析诊断功能的实现，下面结合图2对其进行简述。

反应气体/电池燃料首先于加湿器中进行预处理以达到所需湿度，而后气体流量控制器与燃料流量控制器分别对反应气体以及电池燃料的传输流量进行控制，随后反应气体/电池燃料经过加热器升温后流经背压阀，经冷却器冷却后进入电堆。在最终进入燃料电池电堆前，系统控制单元实时通过控制总线控制加湿器、流量控制器、加热器、被压阀以及冷却器以对进入燃料电池电堆的原料的各项物理指标进行实时控制。

电子测试系统的各组成原件功能如下：辅助电源用于启动燃料电池电堆系统，频率发生仪负责对燃料电池电堆回路发出电流扰动，电力负载系统通过对本身阻值的调控来控制回路的电流大小，多通道电流传感器、多通道电位传感器与多通道频响仪共同对多个单片电池同时测试并分析电压响应。系统的整体运行通过控制系统进行控制。

本发明的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，其将能在线获得单电池电流分布、高频电阻电堆多通道同步阻抗谱和电流-电压曲线等多重数据，系统地实现PEMFC电堆的精密多方位在线分析诊断。研制成功的测试系统将面向PEMFC能源体系中的核心基础科学问题—系统运行最优化(发电功率及效率等)的状态诊断与控制、寿命及其衰减机理等深入剖析影响燃料电池运行最优状态的关键因素、揭示寿命及性能衰减机理和规律，提高对实际运行中各过程及机理的认知水平，从而提高电源系统耐久性，解决其实用化和产业化的瓶颈。

具体实施方式一：本发明涉及对一种硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统搭建方法是按以下步骤实现：将燃料电池电堆、辅助电源、电力负载系统以及多通道电流传感器串联组成回路，多通道电位传感器与燃料电池电堆并联后接入电力负载系统。频率发生仪一端介入电力负载系统，另一端通过IEEE488总线与控制系统相连。多通道频响仪直接与多通道电位传感器与多通道电流传感器相连以采集相关电流及电位信息。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：电力负载系统采用电阻可调式负载，其电阻的调节范围为1.0×10²Ω～1.0×10⁵Ω。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：电力负载系统采用固定式负载，其负载电阻的范围为1.0×10²Ω～1.0×10⁵Ω。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：多通道电流传感器采用电子式霍尔电流传感器。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是：多通道电流传感器采用电子式罗柯夫斯基电流传感器。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是：多通道电流传感器采用电磁式电流传感器。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是：多通道电位传感器采用霍尔电压传感器。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是：多通道电位传感器采用光纤电压传感器。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是：多通道电位传感器采用直流电压传感器。其它与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九不同的是：频率发生仪使用正弦信号发生器。其它与具体实施方式一至九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十不同的是：频率发生仪使用低频信号发生器。其它与具体实施方式一至十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一不同的是：频率发生仪使用高频信号发生器。其它与具体实施方式一至十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二不同的是：频率发生仪使用频率合成式信号发生器。其它与具体实施方式一至十二相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三不同的是：多通道电流传感器与多通道点位传感器不与多通道频响仪相连，而与内置芯片直接相连，单电池信号的收集与处理由内置芯片直接完成。其它与具体实施方式一至十三相同。

上述具体实施方式的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，其均能在线获得单电池电流分布、高频电阻电堆多通道同步阻抗谱和电流-电压曲线等多重数据，系统地实现PEMFC电堆的精密多方位在线分析诊断。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，其特征在于，是由物料供给系统、温度控制系统、电子测试系统以及软件系统构成；

所述物料供给系统和温度控制系统主要由燃料供给系统，空气供给系统，水供给，冷却液管理系统和升温、控温装置构成；通过流量控制器、重整器、增湿器、增压器、冷却装置为电池的运行提供必要的条件，包括燃料、氧气、水的定量供应，对电解制备的氢气，氧气流量测定以及纯化处理，和特定温度、湿度、压力环境的实现；

所述电子测试系统主要包括多通道电流传感器、多通道电位传感器、多通道频响仪、频率发生仪、电力负载系统、控制系统以及辅助电源；

所述辅助电源用于启动燃料电池电堆系统，所述频率发生仪负责对燃料电池电堆回路发出电流扰动，所述电力负载系统通过对本身阻值的调控来控制燃料电池电堆回路的电流大小，所述多通道电流传感器、多通道电位传感器与多通道频响仪共同对多个单片电池同时测试并分析电压响应，所述控制系统控制整个测试系统的运行；

所述软件系统主要包括以下组成部分，数据采集及控制系统、安全保护系统以及人机交互系统；

所述数据采集及控制系统主要由计算机硬件和控制、数据处理软件组成；可将电池运行中的各种物理量，及电化学信息转换为计算机可以识别的数据量实时显示；

所述人机交互系统可将电池运行过程中的各项参数进行事时的转化，并通过友好界面向操作人员进行展示，辅助操作人员完成复杂的数据分析、处理，并通过友好界面向操作人员进行展示，使操作人员可以实时观测整个系统的工作状态，相应的做出调整，实现对测试系统的控制；

所述安全保护系统包括对电池燃料和电解池排放管理系统和空气排放管理系统，对电池排放的气体做成份分析、无害化处理后排出，过载状态保护，危险物质泄露检测及紧急保护。

2.根据权利要求1所述的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，其特征在于，将燃料电池电堆、辅助电源、电力负载系统以及多通道电流传感器串联组成回路；多通道电位传感器与燃料电池电堆并联后接入电力负载系统；频率发生仪一端介入电力负载系统，另一端与控制系统相连；多通道频响仪直接与多通道电位传感器与多通道电流传感器相连以采集相关电流及电位信息。

3.根据权利要求2所述的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，其特征在于，所述频率发生仪通过IEEE488总线与控制系统相连。

4.根据权利要求1所述的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，其特征在于，所述电力负载系统采用电阻可调式负载、其电阻的调节范围为1.0×10²Ω～1.0×10⁵Ω，或者采用固定式负载、其负载电阻的范围为1.0×10²Ω～1.0×10⁵Ω。

5.根据权利要求1所述的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，其特征在于，所述多通道电流传感器采用电子式霍尔电流传感器、电子式罗柯夫斯基电流传感器或者电磁式电流传感器。

6.根据权利要求1所述的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，其特征在于，所述多通道电位传感器采用霍尔电压传感器、光纤电压传感器或者直流电压传感器。

7.根据权利要求1所述的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，其特征在于，所述频率发生仪使用低频信号发生器、高频信号发生器或者频率合成式信号发生器。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的硬件在环式的多通道燃料电池阻抗测试系统，其特征在于，所述软件系统使用National Instruments^TMLabVIEW^TM作为开发工具，MATHWORKS^TM SIMULINK^TM作为模拟语言。