CN111007404B - 一种基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析系统及方法，信号发生单元用于按照检测顺序，正弦信号发生器生成三种关键不同频率的正弦信号；信号采集单元用于采集电堆电压、电堆电流和单体电压；信号检测分析单元输入端用于接收采集的电堆电压、电堆电流和单体电压计算得到燃料电池电堆的阻抗和单片燃料电池阻抗；控制单元用于根据信号检测分析单元的输出判定燃料电池内部状态。本发明根据信号检测分析单元的输出关键频率点的阻抗判定燃料电池内部状态，通过对关键频率的信号进行分析，即可以诊断燃料电池的实时状态。与传统方法相比，具有分析速率更快，状态信息更全的优点。

Description

一种基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析系统及方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析系统及方法。
背景技术
目前，最接近的现有技术：燃料电池具有转化效率高、环境友好和组装简单灵活的特点虽然燃料电池有诸多优点，燃料电池系统是一个复杂的系统，影响因素众多，如温度、气体供给、水的排除等。电化学阻抗谱可以将不同电化学过程对燃料电池的影响分离出来，可以通过燃料电池阻抗信息可以推断燃料电池内部状态，包括：质子交换膜含水量、阴极液态水含量、气体供应状态等等。近年来，电化学阻抗谱已经成为燃料电池系统故障诊断的主要工具。
当前燃料电池阻抗的在线检测技术主要是通过交流阻抗来实现，其分为两种方法。一是全谱交流阻抗测试法(10000Hz-0.1Hz)，其缺点主要是耗费时间较长，不能及时测量燃料电池的阻抗。二是固定频率交流阻抗测试法，时间较短，可以反映实时数据。但是固定频率的测量一般只选取某个高频率的信号值，仅仅计算出燃料电池内阻的值，并不能全面的解读燃料电池的状态。
综上所述，现有技术存在的问题是：(1)当前燃料电池阻抗测试方法耗费时间较长，不能及时测量燃料电池的阻抗。
(2)当前燃料电池阻抗测试方法采用固定频率的测量一般只选取某个高频率的信号值，仅仅计算出燃料电池内阻的值，并不能全面的解读燃料电池的状态。
解决上述技术问题的难度：1)检测结果的实时性与信号发生器的频率变化和分析单元的数据处理速度相关，当前主要受限制信号发生器的频率变化较慢，因此难以实现全频率谱分析方法的实时性。2)影响燃料电池的发电状态的因素较多，电池的电压电流频繁波动，这对于信号处理也是难点。
解决上述技术问题的意义：本发明通过选取三个关键频率点的测量值进行分析与判断，既保证了燃料电池测量结果的实时性，又保证了测试结果的全面性。与传统方法相比，具有分析速率更快，状态信息更全的优点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析系统及方法。
本发明是这样实现的，一种基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析系统包括：
信号发生单元，按照检测顺序，正弦信号发生器生成3种不同频率的正弦信号
信号采集单元，输入端连接至燃料电池电堆，用于采集电堆电压、电堆电流和单体电压；
信号检测分析单元，输入端与信号采集单元的输出端连接，接收采集的电堆电压、电堆电流和单体电压通过快速傅里叶变换(FFT)计算得到燃料电池电堆的阻抗和单片燃料电池阻抗；
控制单元：MCU控制器，用于控制信号发生、阻抗计算值的输出。
系统负载：分别与燃料电池电堆的输出端连接，承接燃料电池的发电量。
DC/DC电压变换器：将燃料电池电压升压至负载所需电压。
本发明的另一目的在于提供基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析方法，具体包括以下步骤：
步骤1：信号发生单元发出范围为500-2000Hz的信号，优选1000Hz；经过采集信号，通过快速傅里叶变换(FFT)进行信号处理，分析燃料电池内阻R1的值。
步骤2：信号发生单元发出范围为50-200Hz的信号，优选100Hz；经过采集信号，通过快速傅里叶变换(FFT)进行信号处理，分析燃料电池R2的值。
步骤3：信号发生单元发出范围为0.1-10Hz的信号，优选1Hz；经过采集信号，通过快速傅里叶变换(FFT)进行信号处理，分析燃料电池R3的值。
本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端搭载实现所述基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析方法的处理器。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明通过选取三个关键频率点的测量值进行分析与判断，从而既保证了燃料电池测量结果的实时性，又保证了测试结果的全面性。用于根据信号检测分析单元的输出关键频率点的阻抗判定燃料电池内部状态。该方法通过对关键频率的信号进行分析，即可以诊断燃料电池的实时状态。与传统方法相比，具有分析速率更快，状态信息更全的优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析系统结构原理图。
图2是本发明实施例提供的基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析方法流程图。
图3是本发明实施例提供的某燃料电池阻抗图及R1/R2/R3值。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
当前燃料电池阻抗测试方法耗费时间较长，不能及时测量燃料电池的阻抗。当前燃料电池阻抗测试方法采用固定频率的测量一般只选取某个高频率的信号值，仅仅计算出燃料电池内阻的值，并不能全面的解读燃料电池的状态。
为解决上述问题，下面结合具体附图对本发明作详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析系统包括：
信号发生单元1，按照检测顺序，正弦信号发生器生成3种不同频率的正弦信号。
信号采集单元2，输入端连接至燃料电池电堆，用于采集电堆电压、电堆电流和单体电压。
信号检测分析单元3，输入端与信号采集单元的输出端连接，接收采集的电堆电压、电堆电流和单体电压通过快速傅里叶变换(FFT)计算得到燃料电池电堆的阻抗和单片燃料电池阻抗。
控制单元：MCU控制器4，用于控制信号发生、阻抗计算值的输出。
系统负载5：分别与燃料电池电堆的输出端连接，承接燃料电池的发电量。
DC/DC电压变换器6：将燃料电池电压升压至负载所需电压。
如图2所示，本发明实施例提供的一种基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析方法，具体包括以下步骤：
S201：信号发生单元发出范围为500-2000Hz的信号，优选1000Hz；经过采集信号，通过快速傅里叶变换(FFT)进行信号处理，分析燃料电池内阻R1的值。
S202：信号发生单元发出范围为50-200Hz的信号，优选100Hz；经过采集信号，通过快速傅里叶变换(FFT)进行信号处理，分析燃料电池R2的值。
S203：信号发生单元发出范围为0.1-10Hz的信号，优选1Hz；经过采集信号，通过快速傅里叶变换(FFT)进行信号处理，分析燃料电池R3的值。
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述。
通过R1，R2，R3的值判断燃料电池的状态如下：
Figure BDA0002334053950000041
Figure BDA0002334053950000051
注：常数C在1～1.5之间。
图3是本发明实施例提供的某燃料电池阻抗图及R1/R2/R3值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析系统，其特征在于，包括：
信号发生单元，按照检测顺序，正弦信号发生器生成三种关键不同频率的正弦信号；
信号采集单元，输入端连接至燃料电池电堆，用于采集电堆电压、电堆电流和单体电压；
信号检测分析单元，输入端与信号采集单元的输出端连接，接收采集的电堆电压、电堆电流和单体电压计算得到燃料电池电堆的阻抗和单片燃料电池阻抗；
系统负载，与燃料电池电堆的输出端连接；
控制单元，与信号检测分析单元、DC/DC电压变换器和系统负载连接，用于根据信号检测分析单元的输出判定燃料电池内部状态；
用于判定燃料电池内部状态的燃料电池阻抗测量分析方法，包括以下步骤：
步骤1：信号发生单元发出信号，经过采集信号，通过快速傅里叶变换进行信号处理，分析燃料电池内阻R1的值；
步骤2：信号发生单元发出信号，经过采集信号，通过快速傅里叶变换进行信号处理，分析燃料电池内阻R2的值；
步骤3：信号发生单元发出信号，经过采集信号，通过快速傅里叶变换进行信号处理，分析燃料电池内阻R3的值；
步骤1中，信号发生单元发出1000Hz的信号；
步骤2中，信号发生单元发出100Hz信号；
步骤3中，信号发生单元发出10Hz信号；
根据R1、R2、R3的值判断燃料电池的状态，其中，当R1正常、R2正常、R3小于C*R2时，所述状态为正常；
当R1偏大、R2偏大、R3小于C*R2时，所述状态为燃料电池膜缺水；
当R1正常、R2偏大、R3大于C*R2时，所述状态为燃料电池水淹或者供气不足；
常数C在1-1.5之间。
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