CN111830419A - 一种燃料电池在线阻抗测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池在线阻抗测量方法，包括以下步骤：S1：获取燃料电池的阻抗测量频率集；S2：实时采集燃料电池的电压信号u(t)和电流信号i(t)；S3：分别对电压信号u(t)和电流信号i(t)进行小波变换，得到电压小波系数U_(a，b)和电流小波系数I_(a，b)，并计算得到燃料电池的阻抗；S4：判断是否完成阻抗测量频率集中所有频率的计算，若是，则结束本次测量，否则改变小波函数的参数，并返回执行步骤S3，与现有技术相比，本发明具有高效、可靠等优点。

Description

一种燃料电池在线阻抗测量方法及装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池在线阻抗测量方法及装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有无污染、高效、可再生、高能量密度、低噪声、功率范围宽等优点，被认为是最有前途的动力技术之一，研究燃料电池的电化学阻抗特性对燃料电池的表征和诊断都具有十分重要的指导意义。通过在线快速测量燃料电池阻抗，基于燃料电池阻抗与内部状态参数的耦合关系，可在线估计燃料电池的内部状态，便于控制器及时调整工作状态，有效避免燃料电池膜过干或电极水淹等故障，提高燃料电池的使用寿命。

车用燃料电池阻抗测量需在线实现，然而目前燃料电池电化学阻抗的测量装置普遍存在体积大、效率低、成本高等缺点，只能在实验室环境下进行阻抗测量，无法进行在线实时测试。且燃料电池阻抗的测量方法也主要为傅里叶分析，但无论是傅里叶变换还是更进一步的短时傅里叶变换，都很难满足车用燃料电池多频率、非线性的响应信号下在线准确测量电池阻抗的要求。

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高效、可靠的适用于燃料电池在线阻抗测量方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池在线阻抗测量方法，包括以下步骤：

S1：获取燃料电池的阻抗测量频率集；

S2：实时采集燃料电池的电压信号u(t)和电流信号i(t)；

S3：分别对电压信号u(t)和电流信号i(t)进行小波变换，得到电压小波系数U_(a,b)和电流小波系数I_(a,b)，并计算得到燃料电池的阻抗；

S4：判断是否完成阻抗测量频率集中所有频率的计算，若是，则结束本次测量，否则改变小波函数的参数，并返回执行步骤S3。

小波变换可以实现在较高频率有较高的时间分辨率，在较低频率有较高的频率分辨率的效果，弥补了傅里叶变换等传统时频分析方法在非线性信号分析下的缺陷，可以在线快速且准确地完成燃料电池阻抗的测量。

优选地，所述的阻抗测量频率集内包括燃料电池目标电化学阻抗对应的频率，通常0.1HZ～1KHZ的频率范围内，可包含燃料电池信号的绝大多数信息。

进一步地，所述的步骤S2具体包括：

S21：在设定采样频率下采集电压和电流信号，并将采样点按时间顺序排列；

S22：判断各采样点中是否出现有效信号变化趋势，若否，则返回执行步骤S21，否则执行步骤S23；

S23：获取有效信号变化趋势对应的时刻，在该时刻后取设定采样长度的电压和电流信号，作为测量用的电压信号u(t)和电流信号i(t)。

当采样信号出现有效变化趋势，即脉冲激励信号发生跳变时，以该时刻为起始点进行实时采样，提高采样的可靠性和准确性。

优选地，所述的小波变换采用小波母函数为复值母波函数的复值Morlet小波函数，采用复值小波可以同时对燃料电池的响应信号进行幅值和相位分析，提高测量精确性。

进一步地，所述的电压小波系数U_(a，b)的计算式为：

所述的电流小波系数I_(a,b)的计算式为：

其中，a为Morlet小波函数的尺度因子，b为Morlet小波函数的平移因子，f_b为Morlet小波函数的频带参数，f_c为Morlet小波函数的中心频率，t为信号采集时刻。

进一步地，所述的计算得到燃料电池的阻抗的计算式为：

其中，Z(a,b)为燃料电池的复数阻抗。电压小波系数U_(a,b)和电流小波系数I_(a,b)都是复数，而小波函数又是线性的，因此采用两者相比得出阻抗。

更进一步地，所述的步骤S4中改变小波函数的参数具体包括：改变Morlet小波函数的尺度因子a，改变小波函数的尺度因子值a可以改变Morlet小波函数的中心频率f_c，进而可以测量出不同频率下的燃料电池阻抗。

一种用于实现如所述的燃料电池在线阻抗测量方法装置，包括依次连接的数据采集单元、MCU和激励单元，所述的数据采集单元和激励单元分别与负载连接；MCU为燃料电池在线阻抗测量装置的控制单元，包含参数设置模块和测量模块，参数设置模块用于配置激励装置及数据采集装置参数，测量模块用于进行燃料电池阻抗测量。

所述的MCU控制激励单元发送脉冲激励信号至负载，使负载产生响应电压和电流，所述的数据采集单元采集负载在各频段的电压信号u(t)和电流信号i(t)，并发送至MCU，所述的MCU根据收到的电压信号u(t)和电流信号i(t)，进行燃料电池阻抗的计算。

进一步地，所述的激励单元包括依次连接的数模转换器、运算放大器和功率放大器，所述的数模转换器与MCU连接，用于将MCU发送的数字信号转换为精确的模拟信号，所述的运算放大器用于接收模拟信号，并输出激励电流信号，实现恒流源的功能，所述的功率放大器与负载连接，用于对激励电流信号进行放大并输入负载，保证输出电流满足阻抗的测量要求。

进一步优选地，所述的MCU通过CAN总线与数模转换器连接，所述的数据采集单元通过SPI接口与MCU完成数据传输。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明采用小波变换对电压信号和电流信号进行分析，可以实现在较高频率有较高的时间分辨率，在较低频率有较高的频率分辨率的效果，弥补了傅里叶变换等传统时频分析方法在非线性信号分析下的缺陷，可以在线快速且准确地完成燃料电池阻抗的测量，且保证可靠性；

2)本发明中小波分析采用小波母函数为复值母波函数的Morlet小波，可以同时对燃料电池的响应信号进行幅值和相位分析，提高信号提取能力；

3)本发明中通过改变Morlet小波的尺度因子a改变Morlet小波的中心频率，从而测量出不同频率下的燃料电池阻抗，实现完成阻抗测量频率集中所有频率阻抗的计算，简单快捷；

4)本发明在采样信号出现有效变化趋势，即脉冲激励信号发生跳变时，以该时刻为起始点进行实时采样，提高采样的可靠性和准确性。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明的燃料电池在线阻抗测量装置图；

图3为本发明的燃料电池在线阻抗测量方法实施流程图。

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。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明提供的用于燃料电池在线阻抗测量装置包括MCU、激励单元以及数据采集单元。

MCU微控制器内置了激励单元和数据采集单元的参数设置模块，可在允许范围内对激励电流大小、激励时间、采样频率等参数进行配置；同时MCU还包含了燃料电池在线阻抗测量模块，可进行在线阻抗的测量工作。MCU通过CAN总线控制激励单元产生不同频率的脉冲激励信号，即在一定时间间隔内稳定、持续地输出电流信号。

激励单元主要包括数模转换器模块、运算放大器模块及功率放大器模块三个部分。激励单元首先通过CAN收发器接收MCU的控制信号，经过数模转换器后将控制数字信号转换为精确的模拟信号；模拟信号通过运算放大器模块，实现恒流功能，输出稳定、持续的电流信号；功率放大器对从运算放大器模块输出的稳定电流进行放大，保证输出电流满足阻抗测量的要求。激励信号从激励单元输出，经过采样电阻等负载，负载产生相应的响应电压和电流信号，数据采集单元采集并过滤出负载在各频段的响应信号，为MCU中测量模块进行阻抗测量提供数据基础。

图2是本发明用于燃料电池在线阻抗测量的方法。在本实施例中采用的技术解决方案包括以下步骤：

1)确定燃料电池的阻抗测量频率集。

阻抗测量频率集是针对燃料电池阻抗的阻抗值所确定的对应的测量频率集合。要对燃料电池进行在线阻抗测量，首先需要确定燃料电池信号对应的目标测量频率集，通常0.1HZ～1KHZ的频率范围内，已经包含了燃料电池信号的绝大多数信息，根据待测量燃料电池阻抗的阻抗值确定对应的测量频率，构成测量频率集{f₁,f₂,…,f_n}。

2)进行实时采样，采集燃料电池的响应电压信号u(t)和电流信号i(t)。

具体包括：

21)在预定采样频率下采集电压信号和电流信号，将采样点按时间顺序排列；

22)判断采样点中是否出现有效信号变化趋势，若否，则继续循环步骤21)和22)，若是，则进入23)；

23)获取有效信号变化趋势对应的时刻，在该时刻后取预定采样长度的电压信号u(t)和电流信号i(t)，作为计算数据。

对燃料电池系统的负载进行信号采集时，首先需要预设信号采集频率，进行预采样，将预采样得到的采样点按照时间顺序排列，同时对采样信号的变化趋势进行监测。当采样信号出现有效变化趋势，即脉冲激励信号发生跳变时，以该时刻为起始点进行实时采样，取预定采样长度的有效电压和电流信号作为阻抗测量数据。若采样信号未出现有效变化趋势，则继续进行预采样直到变化趋势发生有效跳变。提高采集数据的有效性和可靠性。

3)分析小波变换的小波函数，并确定相应小波函数的关键参数。

目前用于燃料电池阻抗测量的方法主要还是傅里叶分析。然而，傅立叶变换虽然可以对信号进行时频分析，但它无法对某一时间段的频域信息或某一频率段所对应的时间信息进行分析，即它具有很高的频域分辨率，但没有时域分辨率，在分析非平稳性信号时，这一特征表现得非常明显。但在燃料电池的实际使用过程中，受工况等外部条件的影响，响应信号一般都是非线性、突变的，所以，对燃料电池阻抗进行在线测量必须使用既具有时间分辨率同时还具有频域分辨力的分析方法。

短时傅里叶变换通过对信号加窗，假定每一小段的信号都是平稳的，可以用于非平稳信号的分析，但窗函数的大小和形状是固定不变的，使得它只具备固定的时频分辨率，对于多频率时频分析的场合效率比较低。而小波变换继承了短时傅里叶变换的思想，将无限长的三角基函数换成了有限长且可衰减的小波基，实现了对高频信号良好的时间分辨率，对低频信号良好的频率分辨率，具有更大的时频分辨率灵活性，通过适当调整小波变换的参数，可以在整个频段提供可靠的阻抗测量结果，很适合用来进行燃料电池阻抗测量。因此本发明采用小波变换实现燃料电池在线阻抗的快速测量。

对于一个连续的信号f(t)，其连续小波函数定义如下：

其中，ψ_a,b(t)为小波变换函数，是通过对响应信号f(t)与母波函数ψ(t)进行卷积处理得到的。a和b分别为尺度因子和平移因子，都是连续变化的值。通过调整尺度因子a和平移因子b，实现母小波的伸缩和平移，可以得到不同的小波函数。

因为实值小波不能得到连续信号的相位信息，只能对信号进行幅值分析，所以本发明中采用复值Morlet小波，可以同时对燃料电池的响应信号进行幅值和相位分析。Morlet小波是一种单频复三角函数调制高斯波，其的一般数学形式为：

其中，

为高斯函数项，

为三角函数项，f_b是与高斯窗的时间范围相关的频带参数，f_c是中心频率，频带参数f_b与高斯窗的时间范围相关表达式为：

其中，σ为高斯标准差，决定了小波函数的形状和宽度。

中心频率f_c决定了小波函数ψ_a,b(t)构成中的三角函数的频率，从而决定了ψ_a,b(t)的频窗中心频率。因此，通过修改中心频率的大小，就可以完成对不同频率信号的分析。Morlet小波的关键参数包括尺度因子a、平移因子b、中心频率f_c和频带参数f_b，不同的参数选择会导致不同的小波波形，影响信号的提取能力。

4)对电压和电流信号分别进行小波分析，得到小波系数后相比得出阻抗。

燃料电池的阻抗可以通过电压和电流变化比值得到。对于输入的时域电压信号u(t)和电流信号i(t)，其变化量可以用ΔU和ΔI表示，如下所示：

ΔU＝u(t)-U

ΔI＝i(t)-I

其中，U和I分别为前一时刻的电压和电流，对电压变化量ΔU和电流变化量ΔI分别进行小波变换，得到电压小波系数U_(a,b)和电流小波系数I_(a,b)：

当小波函数满足计算条件时，电压小波系数U_(a,b)和电流小波系数I_(a,b)可化为：

其中，电压小波系数U_(a,b)和电流小波系数I_(a,b)都是复数，而小波函数又是线性的，则燃料电池的复数阻抗可以表示为：

5)若频率集未计算完毕，改变小波函数的尺度因子a，再次进行小波分析得到下一频率对应的阻抗，若频率集计算完毕则结束计算。

由电压信号和电流信号的小波函数可知，改变小波函数的尺度因子值a可以改变Morlet小波的中心频率，进而可以测量出不同频率下的燃料电池阻抗。在实际测量过程中，根据需求调整小波函数的尺度因子，即可完成目标频率集合下的燃料电池阻抗测量。

本发明实施例提出了一种燃料电池在线阻抗测量方法及装置，通过MCU与激励单元通信实现激励控制，为燃料电池负载加载脉冲电流激励，通过数据采集单元完成负载响应信号采集，以实现燃料电池阻抗测量。阻抗测量方法采用小波变换，对采集的燃料电池响应电压和电流信号分别进行小波分析，相比得出对应信号复数阻抗。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池在线阻抗测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取燃料电池的阻抗测量频率集；

S2：实时采集燃料电池的电压信号u(t)和电流信号i(t)；

S3：分别对电压信号u(t)和电流信号i(t)进行小波变换，得到电压小波系数U_(a，b)和电流小波系数I_(a，b)，并计算得到燃料电池的阻抗；

S4：判断是否完成阻抗测量频率集中所有频率的计算，若是，则结束本次测量，否则改变小波函数的参数，并返回执行步骤S3。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池在线阻抗测量方法，其特征在于，所述的阻抗测量频率集内包括燃料电池目标电化学阻抗对应的频率。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池在线阻抗测量方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包括：

S21：在设定采样频率下采集电压和电流信号，并将采样点按时间顺序排列；

S22：判断各采样点中是否出现有效信号变化趋势，若否，则返回执行步骤S21，否则执行步骤S23；

S23：获取有效信号变化趋势对应的时刻，在该时刻后取设定采样长度的电压和电流信号，作为测量用的电压信号u(t)和电流信号i(t)。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池在线阻抗测量方法，其特征在于，所述的小波变换采用小波母函数为复值母波函数的复值Morlet小波函数。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池在线阻抗测量方法，其特征在于，所述的电压小波系数U_(a，b)的计算式为：

所述的电流小波系数I_(a，b)的计算式为：

其中，a为Morlet小波函数的尺度因子，b为Morlet小波函数的平移因子，f_b为Morlet小波函数的频带参数，f_c为Morlet小波函数的中心频率，t为信号采集时刻。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池在线阻抗测量方法，其特征在于，所述的计算得到燃料电池的阻抗的计算式为：

其中，Z(a，b)为燃料电池的复数阻抗。

7.根据权利要求5所述的一种燃料电池在线阻抗测量方法，其特征在于，所述的步骤S4中改变小波函数的参数具体包括：改变Morlet小波函数的尺度因子a。

8.一种燃料电池在线阻抗测量方法装置，其特征在于，包括依次连接的数据采集单元、MCU和激励单元，所述的数据采集单元和激励单元分别与负载连接，所述的MCU包括参数配置模块和测量模块，所述的参数配置模块用于配置激励单元和数据采集单元的参数，所述的测量模块用于通过如权利要求1-7任一项所述的燃料电池在线阻抗测量方法，进行燃料电池阻抗测量；

所述的MCU控制激励单元发送脉冲激励信号至负载，使负载产生响应电压和电流，所述的数据采集单元采集负载在各频段的电压信号u(t)和电流信号i(t)，并发送至MCU，所述的MCU根据收到的电压信号u(t)和电流信号i(t)，进行燃料电池阻抗的计算。

9.根据权利要求8所述的一种燃料电池在线阻抗测量装置，其特征在于，所述的激励单元包括依次连接的数模转换器、运算放大器和功率放大器，所述的数模转换器与MCU连接，用于将MCU发送的数字信号转换为模拟信号，所述的运算放大器用于接收模拟信号，并输出激励电流信号，所述的功率放大器与负载连接，用于对激励电流信号进行放大并输入负载。

10.根据权利要求9所述的一种燃料电池在线阻抗测量装置，其特征在于，所述的MCU通过CAN总线与数模转换器连接，所述的数据采集单元通过SPI接口与MCU完成数据传输。

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