CN111474489A - 一种燃料电池电堆交流阻抗测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池电堆交流阻抗测试方法和装置，方法包括：获取m序列激励电流；将所述m序列激励电流作为激励信号加载到燃料电池系统中；获取燃料电池系统基于所述m序列激励电流生成的响应电压序列；对所述m序列激励电流进行自相关计算，得到所述m序列激励电流的自相关函数；对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数；对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换；基于公式计算

得到燃料电池的阻抗谱Z_x(w)，实现了燃料电池阻抗的可靠测量。

Description

一种燃料电池电堆交流阻抗测试方法和装置

技术领域

本发明涉及新能源电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆交流阻抗测试方法和装置。

背景技术

现有技术中，电化学阻抗测量技术可以分为两类：频率域的测量技术和时间域的测量技术。

频率域测量技术有很多种，包括交流电桥法、选相调辉、选相检波、李萨如图法等。这些方法的基本原理是在每个选定频率的正弦激励信号作用下分别测量该频率的电化学阻抗，即逐个频率的测量交流阻抗。

交流电桥法的测量原理如图1所示，图1为交流电桥法的测试原理示意图，调节Z2至检测器D的值为零时利用公式Z₁Z₄＝Z₂Z₃可计算得到阻抗的值。这种方法是从电解质导电率测量方法演变而来，由于实验条件容易满足，曾经在很多实验室中得到应用。这种方法测得的结果虽然很准确，但是需要在每个频率点进行测量，这种扫频的方式耗时很长。

目前最常用的频率域阻抗测量方法是锁相放大器(lock-in amplifier)和频响分析仪(frequency response analyzer)。它们均是根据相关分析原理，应用相关器对正弦交流电流信号和电压信号进行比较，检测出两信号的同相和90°相移成分，从而直接输出电化学阻抗的实部和虚部。电路上的核心部分是相关器，主要包括乘法电路和积分电路，如图2所示，图2为频率域阻抗测量法的原理示意图，乘法电路用来实现两个信号的相乘，积分电路用来对相乘后得到的信号进行积分。采用这种测量方法，用不同频率的正弦波扰动信号逐个频率测量时，总的测量时间过长，被测系统很难在整个测量过程中保持稳定的状态，因此需要建立能在短时间内测出宽频域范围内阻抗的方法。

现阶段，多频率成分的测量模式也有一定程度的发展，如混频模式。混频模式下，首先要对测量对象中多个频率合成激励信号源，然后设计测量模块提取每个频率的分量对测量系统总的响应信号，再通过设计数字电路和模拟电路把各个频率成分从总的响应信号中分离，从而得到被测对象在各个频率点的响应值。混频模式的缺点在于在硬件上很难实现多频率激励信号相位的精确控制，且很难同时将更多路信号的正弦波进行混频。

另一大类是时间域的阻抗测量技术。任意周期波形，都可以表示为多个正弦矢量的叠加，这些正弦矢量包括一个频率为基频f₀＝1/T₀(T₀为基频周期)的正弦波以及多个f₀的谐波，即

或者写为

上述公式中，A_n是频率为nf₀的正弦矢量的幅值；

为其相角；A₀是直流偏置。这种级数称为傅里叶(Fourier)级数，信号y(t)就是各正弦矢量的Fourier合成。利用Fourier级数，可以把一个信号在时间域用信号幅值和时间的关系来表示，也可以在频率域用一组正弦矢量的幅值和相角来表示。也就是说，信号可以在时间域和频率域之间进行转换。利用这个原理，可以把所有需要的频率下的正弦信号合成一个信号，同直流极化电势信号叠加后，同时施加到电化学体系上，产生一个暂态电流响应信号。对这两个暂态激励、响应信号分别测量后，应用Fourier变换给出两个信号的谐波分布，即激励电压信号的幅值E(w)以及Fourier分布中每一个频率下电流所对应的幅值I(w)和相角

换言之，也就是同时得到了在某一直流极化电势下多个频率的电化学阻抗。

典型的时间域多频率同步信号是矩形脉冲，但是其信号能量主要集中在主基频上，随着频率的增大，脉冲信号的正弦分量幅值会快速衰减，因此无法保证高频率阻抗谱的测量精度。相比较而言，线性调频脉冲在燃料电池阻抗测量中有更好的性能，但是其激励波形的生成需要复杂且昂贵的硬件设备，数据采集和处理系统必须有高速性能，导致使用成本很高。

因此，提供一种计算速度快、精准度高的燃料电池阻抗测量方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种燃料电池电堆交流阻抗测试方法，以实现燃料电池阻抗的有效测量。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种燃料电池电堆交流阻抗测试方法，包括：

获取m序列激励电流；

将所述m序列激励电流作为激励信号注入到燃料电池电堆中；

获取燃料电池系统基于所述m序列激励电流生成的响应电压序列；

对所述m序列激励电流进行自相关计算，得到所述m序列激励电流的自相关函数；

对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数；

对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换；

基于公式计算

得到燃料电池的阻抗谱Z_x(w)，其中所述Φ_xy(w)表示所述互相关函数的傅里叶变换，所述Φ_xx(w)表示所述自相关函数的傅里叶变换。

可选的，上述燃料电池电堆交流阻抗测试方法中，所述对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数，包括：

依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]处理x(n)和y(n)，得到X(k)和Y(k)，其中x(n)为m序列激励电流，所述y(n)为响应电压序列；

计算X(k)的共轭得到X^*(k)；

基于公式R_xy(τ)＝DFT^-1[X(k)^*·Y(k)]，计算得到m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数R_xy(τ)。

可选的，上述燃料电池电堆交流阻抗测试方法中，依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]处理x(n)和y(n)具体为：

对x(n)和y(n)各补2ⁿ+1个零，让两序列的长度都为2ⁿ⁺¹，x(n)为m序列激励电流，所述y(n)为响应电压序列；

依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]对补零后的x(n)和y(n)进行计算，得到X(k)和Y(k)。

可选的，上述燃料电池电堆交流阻抗测试方法中，对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换，包括：

采用全相FFT法对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换。

一种燃料电池电堆交流阻抗测试装置，包括：

M序列采集单元，用于获取m序列激励电流；

响应电压序列采集单元，用于将所述m序列激励电流作为激励信号注入到燃料电池电堆中；获取燃料电池系统基于所述m序列激励电流生成的响应电压序列；

阻抗谱计算单元，用于对所述m序列激励电流进行自相关计算，得到所述m序列激励电流的自相关函数；对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数；对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换；基于公式计算

得到燃料电池的阻抗谱Zx(w)，其中所述Φxy(w)表示所述互相关函数的傅里叶变换，所述Φxx(w)表示所述自相关函数的傅里叶变换。

可选的，上述燃料电池电堆交流阻抗测试装置中，所述阻抗谱计算单元在对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数时，具体用于：

依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]处理x(n)和y(n)，得到X(k)和Y(k)，其中x(n)为m序列激励电流，所述y(n)为响应电压序列；

计算X(k)的共轭得到X^*(k)；

基于公式R_xy(τ)＝DFT^-1[X(k)^*·Y(k)]，计算得到m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数R_xy(τ)。

可选的，上述燃料电池电堆交流阻抗测试装置中，所述阻抗谱计算单元在依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]处理x(n)和y(n)时，具体用于：

对x(n)和y(n)各补2ⁿ+1个零，让两序列的长度都为2ⁿ⁺¹，x(n)为m序列激励电流，所述y(n)为响应电压序列；

依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]对补零后的x(n)和y(n)进行计算，得到X(k)和Y(k)。

可选的，上述燃料电池电堆交流阻抗测试装置中，所述阻抗谱计算单元在对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换时，具体用于：

采用全相FFT法对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换。

本发明实施例提供的上述方案，上述方案将所述m序列激励电流作为激励信号注入到燃料电池电堆中；获取燃料电池系统基于所述m序列激励电流生成的响应电压序列；对所述m序列激励电流进行自相关计算，得到所述m序列激励电流的自相关函数；对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数；对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换；基于预设公式处理傅里叶变换后的自相关函数和互相关函数，即可得到燃料电池的阻抗谱，实现了燃料电池阻抗的可靠测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中交流电桥法的测试原理示意图；

图2为现有技术中频率域阻抗测量法的原理示意图；

图3本申请实施例提供的一种燃料电池电堆交流阻抗测试方法的流程示意图；

图4为二进制线性反馈移位寄存器结构；

图5为本申请实施例提供的燃料电池电堆交流阻抗测试装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

针对以上各种燃料电池阻抗测量方法的不足，本发明公开了一种基于伪随机激励信号的燃料电池快速交流阻抗测试方法，使用伪随机信号m序列作为激励信号，同时利用基于快速傅里叶变换(FFT)的快速相关检测算法和具有频谱泄露抑制特性和“相位不变”特性的全相位FFT算法进行阻抗谱计算。该方法属于时间域的阻抗测量方法，具有激励信号容易生成，计算速度快且计算结果准确的优点。上述方案中，所述伪随机信号m序列为只具有0和1的二电平的二值信号，该信号具有良好的随机性和接近于白噪声的相关函数，很容易从信号中分离出来，具有很强的抗干扰性。且该信号一个周期内即包含宽频信息，显著提高了测量速度，同时只有0和1两个电平的特性使其硬件实现较为容易。

参见图3，图3为本申请实施例公开的一种燃料电池电堆交流阻抗测试方法的流程示意图。

在本申请实施例公开的技术方案中，参见图3所述燃料电池电堆交流阻抗测试方法，包括：

步骤S101：获取m序列激励电流；

伪随机信号(也可称为伪随机序列、伪随机二值序列、伪随机m序列和m序列，以下简称m序列)是经过计算得到的，m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。它是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。m序列可由二进制线性反馈移位寄存器产生。所述二进制线性反馈移位寄存器结构如图4所示，它主要由n个串联的寄存器、移位脉冲产生器和模2加法器组成。图中第i级移存器的状态ai表示，ai＝0或ai＝1，i为整数。反馈线的连接状态用ci表示，ci＝1表示此线接通(参加反馈)，ci＝0表示此线断开。由于反馈的存在，寄存器的输入端受控于输入信号。若初始状态为全“0”,则移位后得到的仍为全“0”，因此应避免出现全“0”状态，又因为n级移存器共有2n-1种可能的不同状态，除全“0”状态外，剩下2n-1种状态可用。每移位一次，就出现一种状态，在移位若干次后，一定能重复出现前某一状态，其后的过程便周而复始了，反馈线位置不同将出现不同周期的不同序列。

m序列是一种周期比较长的信号，如果观察的时间是大于一个周期的，那么伪随机信号就是一个确定的周期信号，如果观察的时间是小于一个周期的，那么伪随机信号就类似一个不确定的信号。在一个周期内，m序列的很多特点和随机信号相同，包括：

在随机二进制信号中，两种状态出现的次数统计基本相等，而伪随机信号(m序列)中两种状态的次数相差一次。

随机信号和伪随机信号都有类似白噪声信号的自相关函数。

m序列的特点体现在以下几个方面：

周期性

m序列是一种周期性的二进制序列，它的周期由m序列的阶数决定，如果阶数为n，那么m序列的周期N为N＝2n-1，例如若m序列的阶数n＝4，则它的周期N＝15。

序列分布均衡性

在m序列的一个周期中，二进制码“1”和“0”的数目接近于相等，具体来说，“1”的数目要比“0”的数目多一个。它的两种状态的出现是均衡的，这是m序列一个明显的特点。

序列的游程分布及移位相加特性

在m序列中，取值相等且连续出现的元素合称为一个游程，其中游程中元素的数量即为这个游程的长度。在m序列中，游程长度为1的数目占总游程数目的1/2，游程长度为2的数目占总游程数的1/4，游程长度为3的数目占总游程数的1/8，依次类推，游程长度为k的数目占总游程的2-k，并且在每个游程中，“1”和“0”的数目各占一半。

自相关特性

m序列和白噪声一样有自相关特性，当m序列的周期为N＝2ⁿ-1时，其自相关函数是三角脉冲，当N趋近于无穷大时，其自相关函数接近白噪声的自相关函数δ(τ)。

本发明中，产生m序列的电路为反馈移位寄存器，并且是线性移位寄存器，m序列是最大线性移位寄存器的序列，它是周期最长并由线性反馈寄存器产生的一种序列，原理如图三所示。图中给出了n级移位寄存器，把其中若干级通过求取模2加法器的方法反馈到第1级。任意时刻观察寄存器的状态，都是2ⁿ个状态之一，每个状态都代表一个n位的二级制数字，其中要把全0的形式排除在外。所以移位寄存器的状态可以是不全为0的2ⁿ-1的状态中的一个，输出序列即来自移位寄存器的移出，移位寄存器移位一次，状态改变一次，移位寄存器的状态必然经历2ⁿ-1个状态后才会循环。由此，n级移位寄存器所产生的序列周期最长是2ⁿ-1。同时虽然这种序列是周期的，但当n足够大时序列周期很长，在一个周期内0和1的分布有很多方式，对任何一位寄存器来说是0或1又具有随机性。

本发明中，产生m序列的电路为反馈移位寄存器，并且所述反馈移位寄存器为线性移位寄存器，m序列是最大线性移位寄存器的序列，它是周期最长并由线性反馈寄存器产生的一种序列，原理如图3所示。图中给出了n级移位寄存器，把其中若干级通过求取模2加法器的方法反馈到第1级。任意时刻观察寄存器的状态，都是2ⁿ个状态之一，每个状态都代表一个n位的二级制数字，其中要把全0的形式排除在外。所以移位寄存器的状态可以是不全为0的2ⁿ-1的状态中的一个，输出序列即来自移位寄存器的移出，移位寄存器移位一次，状态改变一次，移位寄存器的状态必然经历2ⁿ-1个状态后才会循环。由此，n级移位寄存器所产生的序列周期最长是2ⁿ-1。同时虽然这种序列是周期的，但当n足够大时序列周期很长，在一个周期内0和1的分布有很多方式，对任何一位寄存器来说是0或1又具有随机性。

m序列的自相关函数接近δ(τ)，对于一个燃料电池系统而言，输入信号是m序列，则在一个周期内计算输入信号与系统输出信号的互相关函数，就可以获得燃料电池系统的冲激响应，进而通过傅里叶变换得到系统的频率响应。并且，由于干扰信号和m序列的相关函数近似为0，从而使互相关函数仅包含有用的信息，极大的减小了干扰信号的影响，所有m序列对干扰信号具有极强的免疫性。此外，m序列在时域里只包含两个电平信号，方便实现。因此，m序列是一种理想的多频率同步激励信号。

步骤S102：将所述m序列激励电流作为激励信号注入到燃料电池电堆中；

在本步骤中，将得到的m序列作为燃料电池的激励信号加载到所述燃料电池电堆中，所述燃料电池电堆在获取到激励信号以后，会生成与所述激励信号相匹配的响应电压信号，即，所述燃料电池系统在获取到所述m序列激励电流以后会生成与所述激励电流相匹配的响应电压序列，在本申请中，将m序列激励电流记为x(t)，将对应的响应电压序列记为y(t)。

步骤S103：获取燃料电池系统基于所述m序列激励电流生成的响应电压序列；

步骤S104：对所述m序列激励电流进行自相关计算，得到所述m序列激励电流的自相关函数；

在本方案中，所述m序列激励电流的自相关函数Rxx(τ)≈δ(τ)，即，将所述m序列激励电流自相关函数记为δ(τ)；

步骤S105：对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数；

本申请公开的技术方案中，在m序列激励电流和响应电压序列已知的基础上，可以通过互先关技术，计算得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数。

由于m序列在一个周期内同步采样得到的序列x(n)、y(n)的长度均为2ⁿ-1，计算它们的互相关函数Rxy(τ)和自相关函数Rxx(τ)采用直接计算的算法计算量较大，因此本发明提出了一种基于FFT的快速相关算法，其思路如下。

按照相关的定义直接计算的公式为：

两信号的卷积为：

两信号的相关函数为：

由上述两个公式可知相关与卷积之间的关系为：

R_xy(τ)＝x(-τ)*y(τ)

令X(k)＝DFT[x(n)]，Y(k)＝DFT[y(n)]，X*(k)为X(k)的共轭。对相关函数求傅里叶变换：

R_xy(k)＝X^*(k)Y(k)

Rxy(τ)可以根据下式计算：

R_xy(τ)＝DFT^-1[X(k)^*·y(k)]

因此，在本申请实施例公开的技术方案中，可以通过以下方法计算x(n)和y(n)的互相关函数：

即，所述对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数，包括：

依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]处理x(n)和y(n)，得到X(k)和Y(k)，其中x(n)为m序列激励电流，所述y(n)为响应电压序列；

计算X(k)的共轭得到X^*(k)；

基于公式R_xy(τ)＝DFT^-1[X(k)^*·Y(k)]，计算得到m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数R_xy(τ)。

在上述方案中，仅需采用两次DFT和一次IDFT运算就可以计算得到所述x(n)和y(n)的互相关函数。进一步的，为了使循环相关能够等效线性相关，在本方案中，可以给两个输入序列(x(n)和y(n))做补零处理，补零扩展后再进行DFT运算。而且，进一步的，为了加快运算，可以采用快速傅里叶变换(FFT)实现DFT运算，此时，为了能够利用快速傅里叶变换(FFT)算法，所述x(n)和y(n)的序列长度必须为2的整数次幂。

即，上述方法中，依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]处理x(n)和y(n)具体为：

对x(n)和y(n)各补2ⁿ+1个零，让两序列的长度都为2ⁿ⁺¹，x(n)为m序列激励电流，所述y(n)为响应电压序列，在本方案中，将补零后的x(n)记为xL(n)，将补零后的y(n)记为yL(n)；

依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]对补零后的x(n)和y(n)进行计算，得到X(k)和Y(k)，在本步骤中，采用用2ⁿ⁺¹点的IFFT算法求取xL(n)与yL(n)的快速傅里叶变换XL(k)与YL(k)，所述XL(k)对应原X(k)，所述YL(k)对应原Y(k)。

在计算得到XL(k)后，将XL(k)的共轭复数X*L(k)对应原X^*(k)；

计算X*L(k)与YL(k)的乘积，并用2ⁿ⁺¹点的IFFT算法即可求取XL(k)和YL(k)的互相关序列RxyL(k)，然后再取RxyL(k)的前2^n-1个点与后2^n-1个点，并且把后一组数据倒序再分别相加即可得x(n)与y(n)的互先关函数Rxy(τ)。

步骤S106：对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换；

在自相关函数和互相关函数已知的基础上，将所述自相关函数与互相关函数带入Wiener-Hopf方程可获得燃料电池的单位冲激响应h(t)，具体见以下公式：

式中，Rxx(τ)表示自相关函数，Rxy(τ)表示互相关函数。对脉冲响应h(t)取傅里叶变换，可得燃料电池系统的频率响应H(w)，即系统的传递函数，此处传递函数即表示燃料电池的阻抗谱Zx(w)。

由上述公式推导可知，可以通过直接对自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换，基于傅里叶变换后的自相关函数和互相关函数即可计算得到燃料电池系统的频率响应H(w)，即，基于公式

计算得到频率响应H(w)，式中，Φxy(w)表示互相关函数Rxy(τ)的傅里叶变换，Φxx(w)表示自相关函数Rxx(τ)的傅里叶变换。

步骤S107：基于公式计算

得到燃料电池的阻抗谱Z_x(w)，其中所述Φ_xy(w)表示所述互相关函数的傅里叶变换，所述Φ_xx(w)表示所述自相关函数的傅里叶变换。

进一步的，为了改善频谱分析，本发明引入了一种全相位数据预处理算法，即把输入长度为(2N-1)的数据向量x＝[x(-N+1)，…x(0)…，x(N-1)]处理为长度为N的数据向量x1＝[x(0)，x(1)，…，x(N-1)]的数据，这种数据预处理方法就是全相位预处理。其中，向量x1是用一个卷积窗wc对向量x进行数据加权后得到，将左边的各数据向右平移N个延时单元，再与相对应位置重叠的另一个数据相加而成。全相位数据预处理算法实际上对输入数据中所有长度为N的分段情况都进行了考虑。这种算法具有良好的抑制频率泄露和栅栏效应的性能，并且其具有“相位不变性”，即不需要进行相位校正即可精确提取信号的相位信息。因此，在本方案中，在对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换时，可以采用全相FFT法对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换。

本发明提出的以伪随机二值信号m序列作为激励信号的燃料电池交流阻抗快速算法，首先利用循环卷积与FFT之间的对应关系，通过序列补零加长的方法，设计FFT的快速相关检测算法，计算激励电流与响应电压之间的互相关，即燃料电池交流阻抗的时域冲激响应，再利用全相位频谱分析方法，计算燃料电池交流阻抗的频率响应，从而实现燃料电池交流阻抗的多频率同步快速测量。

对应于上述方法，本申请还公开了一种燃料电池电堆交流阻抗测试装置，该测试装置与上述方法可相互借鉴，参见图5，该装置可以包括：

M序列采集单元100，用于获取m序列激励电流；

响应电压序列采集单元200，用于将所述m序列激励电流作为激励信号注入到燃料电池电堆中；获取燃料电池系统基于所述m序列激励电流生成的响应电压序列；

阻抗谱计算单元300，用于对所述m序列激励电流进行自相关计算，得到所述m序列激励电流的自相关函数；对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数；对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换；基于公式计算

得到燃料电池的阻抗谱Zx(w)，其中所述Φxy(w)表示所述互相关函数的傅里叶变换，所述Φxx(w)表示所述自相关函数的傅里叶变换。

与上述方法相对应，所述阻抗谱计算单元在对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数时，具体用于：

依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]处理x(n)和y(n)，得到X(k)和Y(k)，其中x(n)为m序列激励电流，所述y(n)为响应电压序列；

计算X(k)的共轭得到X^*(k)；

基于公式R_xy(τ)＝DFT^-1[X(k)^*·Y(k)]，计算得到m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数R_xy(τ)。

与上述方法相对应，所述阻抗谱计算单元在依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]处理x(n)和y(n)时，具体用于：

对x(n)和y(n)各补2ⁿ+1个零，让两序列的长度都为2ⁿ⁺¹，x(n)为m序列激励电流，所述y(n)为响应电压序列；

依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]对补零后的x(n)和y(n)进行计算，得到X(k)和Y(k)。

与上述方法相对应，所述阻抗谱计算单元在对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换时，具体用于：

采用全相FFT法对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换。

在燃料电池系统中，根据实际工况需求，燃料电池系统控制器发出诊断使能指令，燃料电池系统的脉宽DCDC升压器通过脉宽调制方式在燃料电池系统的电堆直流输出端上叠加M序列激励电流，同时使用高精度高带宽电流传感器测量电堆母线电流，使用调制电路测量母线电压，使用燃料电池系统控制器的高速采样通道对母线电流和母线电压进行采样，采样的到的所述母线电压作为所述M序列激励电流对应的响应电压序列。然后使用本专利提供的上述计算方法即可计算得到所述燃料电池系统的阻抗谱，将阻抗计算结果和预先存储的标准阻抗谱进行比较可以诊断出目前电堆的工作状态，并实时反馈给系统控制器作为控制参数调整的依据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池电堆交流阻抗测试方法，其特征在于，包括：

获取m序列激励电流；

将所述m序列激励电流作为激励信号注入到燃料电池电堆中；

获取燃料电池系统基于所述m序列激励电流生成的响应电压序列；

对所述m序列激励电流进行自相关计算，得到所述m序列激励电流的自相关函数；

对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数；

对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换；

基于公式计算

得到燃料电池的阻抗谱Z_x(w)，其中所述Φ_xy(w)表示所述互相关函数的傅里叶变换，所述Φ_xx(w)表示所述自相关函数的傅里叶变换。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆交流阻抗测试方法，其特征在于，所述对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数，包括：

依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]处理x(n)和y(n)，得到X(k)和Y(k)，其中x(n)为m序列激励电流，所述y(n)为响应电压序列；

计算X(k)的共轭得到X^*(k)；

基于公式R_xy(τ)＝DFT^-1[X(k)^*·Y(k)]，计算得到m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数R_xy(τ)。

3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆交流阻抗测试方法，其特征在于，依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]处理x(n)和y(n)具体为：

对x(n)和y(n)各补2ⁿ+1个零，让两序列的长度都为2ⁿ⁺¹，x(n)为m序列激励电流，所述y(n)为响应电压序列；

依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]对补零后的x(n)和y(n)进行计算，得到X(k)和Y(k)。

4.根据权利要求2所述的燃料电池电堆交流阻抗测试方法，其特征在于，对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换，包括：

采用全相FFT法对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换。

5.一种燃料电池电堆交流阻抗测试装置，其特征在于，包括：

M序列采集单元，用于获取m序列激励电流；

响应电压序列采集单元，用于将所述m序列激励电流作为激励信号注入到燃料电池电堆中；获取燃料电池系统基于所述m序列激励电流生成的响应电压序列；

阻抗谱计算单元，用于对所述m序列激励电流进行自相关计算，得到所述m序列激励电流的自相关函数；对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数；对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换；基于公式计算

得到燃料电池的阻抗谱Zx(w)，其中所述Φxy(w)表示所述互相关函数的傅里叶变换，所述Φxx(w)表示所述自相关函数的傅里叶变换。

6.根据权利要求5所述的燃料电池电堆交流阻抗测试装置，其特征在于，所述阻抗谱计算单元在对所述m序列激励电流和响应电压序列进行互相关计算，得到所述m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数时，具体用于：

依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]处理x(n)和y(n)，得到X(k)和Y(k)，其中x(n)为m序列激励电流，所述y(n)为响应电压序列；

计算X(k)的共轭得到X^*(k)；

基于公式R_xy(τ)＝DFT^-1[X(k)^*·Y(k)]，计算得到m序列激励电流和响应电压序列的互相关函数R_xy(τ)。

7.根据权利要求5所述的燃料电池电堆交流阻抗测试装置，其特征在于，所述阻抗谱计算单元在依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]处理x(n)和y(n)时，具体用于：

对x(n)和y(n)各补2ⁿ+1个零，让两序列的长度都为2ⁿ⁺¹，x(n)为m序列激励电流，所述y(n)为响应电压序列；

依据公式X(k)＝DFT[x(n)]和Y(k)＝DFT[y(n)]对补零后的x(n)和y(n)进行计算，得到X(k)和Y(k)。

8.根据权利要求5所述的燃料电池电堆交流阻抗测试装置，其特征在于，所述阻抗谱计算单元在对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换时，具体用于：

采用全相FFT法对所述自相关函数和互相关函数进行傅里叶变换。

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