CN114594383A - 一种燃料电池组在线阻抗测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池组在线阻抗测量装置。所述测量装置中激励信号添加模块与隔直模块连接，隔直模块、测流模块和响应信号采集模块均与待测燃料电池组连接，阻抗计算模块与测流模块和响应信号采集模块连接；激励信号添加模块用于产生激励信号并对待测燃料电池组添加激励信号；测流模块用于测量对待测燃料电池组添加的经过隔直模块处理的激励信号；响应信号采集模块用于采集经过隔直模块处理的激励信号对待测燃料电池组进行激励产生的响应信号；阻抗计算模块用于根据测流模块测量的激励信号和响应信号采集模块采集的响应信号计算待测燃料电池组的阻抗。本发明可以实现燃料电池组阻抗的测量。
Description
技术领域
本发明涉及阻抗测量技术领域，特别是涉及一种燃料电池组在线阻抗测量装置。
背景技术
在科技和工业的发展中，化石能源在各种领域中都扮演着不可或缺的角色，但是随着化石能源的消耗，带来了不可忽视的环境问题和化石能源短缺的问题。为了减少环境污染、解决能源短缺的问题，可再生能源可以作为传统能源的替代者。
在各种可替代的能源和技术中，氢能被认为是最有效的能源，同时他也被誉为“未来能源”。氢燃料电池目前作为氢能在电力领域中的重要应用，已经普遍运用于电力、交通运输等领域中。燃料电池被认为是实现零排放目标的最佳解决方案，是由于氢能应用具有三大优势。首先，氢消耗只会从排气中释放无害的水。其次，液态氢所含的化学能比相同质量的化石燃料要多，不会因长期存储而降解失效。最后，地球上有大量的氢，并且能够通过其他可再生能源得到，这对于实现零排放的目标具有重要意义。
氢燃料电池的工作原理实际上就是氢气与氧气反应生成水。目前常见的燃料电池有六种：固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体高分子型燃料电池、磷酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池，他们是根据电解质的类型不同加以区分。
每一片燃料电池只能产生1V左右的电压，为了满足大功率输出的需求，经常将几十甚至上百片燃料电池串联起来组成燃料电池电堆。燃料电池电堆产电，需要给其供给氢气和空气，让空气中的氧气与氢气去反应生成水，这样在燃料电池堆中就会就会同时存在着空气、氢气和水。每片燃料电池相对独立的发电，由于在电堆中是串联的结构，单片燃料电池的工作状态都会影响整个电堆的性能与安全。因此需要对单片电池的工作状态进行监测，确保电堆安全运行十分必要。目前，对燃料电池工作的监测方式常常采用对电压的监测，但是电压状态更多反应的是燃料电池的输出状态，很难对其内部的一些重要参数给出直接的反映，例如水含量。
阻抗是线性两端口网络的重要特征，它适用于表示电池的功率特性，因此阻抗值的大小可以反映出燃料电池工作时的内部参数，故对燃料电池的在线阻抗测量是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池组在线阻抗测量装置，可对燃料电池工作时的阻抗进行实时测量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种燃料电池组在线阻抗测量装置，包括：
激励信号添加模块、隔直模块、测流模块、响应信号采集模块和阻抗计算模块；所述激励信号添加模块与所述隔直模块连接，所述隔直模块、所述测流模块和所述响应信号采集模块均与待测燃料电池组连接，所述阻抗计算模块与所述测流模块和所述响应信号采集模块连接；
所述激励信号添加模块用于产生激励信号并对所述待测燃料电池组添加所述激励信号；所述测流模块用于测量对所述待测燃料电池组添加的经过所述隔直模块处理的激励信号；所述响应信号采集模块用于采集经过所述隔直模块处理的激励信号对所述待测燃料电池组进行激励产生的响应信号；所述阻抗计算模块用于根据所述测流模块测量的所述激励信号和所述响应信号采集模块采集的响应信号计算所述待测燃料电池组的阻抗。
可选的，所述燃料电池组在线阻抗测量装置，还包括：激励信号保护模块；所述激励信号添加模块与所述激励信号保护模块并联。
可选的，所述激励信号添加模块包括：供电子模块和激励信号生成子模块，所述激励信号生成子模块分别与所述供电子模块和所述待测燃料电池组连接；所述供电子模块用于提供初始电信号，所述激励信号生成子模块用于根据所述初始电信号生成所述激励信号并对所述待测燃料电池组添加所述激励信号。
可选的，所述激励信号添加模块还包括：整流子模块；所述供电子模块和所述激励信号生成子模块通过所述整流子模块连接。
可选的，所述激励信号添加模块还包括：波形监测子模块和反馈调波子模块；所述波形监测子模块分别与所述反馈调波子模块和所述激励信号生成子模块连接；所述反馈调波子模块与所述激励信号生成子模块连接；所述波形监测子模块用于监测所述激励信号生成子模块生成的波形，所述反馈调波子模块用于根据所述波形监测子模块监测到的所述激励信号生成子模块生成的波形对所述激励信号生成子模块生成的波形进行调整。
可选的，所述燃料电池组在线阻抗测量装置，还包括：响应信号预处理模块；所述响应信号采集模块与所述阻抗计算模块通过所述响应信号预处理模块连接。
可选的，所述响应信号预处理模块包括：依次串联的滤波子模块、隔直子模块和响应信号处理子模块；所述滤波子模块与所述响应信号采集模块连接；所述响应信号处理子模块与所述阻抗计算模块连接，所述响应信号处理子模块用于对经过所述滤波子模块和所述隔直子模块处理的响应信号进行处理得到经过所述滤波子模块和所述隔直子模块处理的所述响应信号的幅值和相位。
可选的，所述激励信号添加模块、所述隔直模块、所述待测燃料电池组和所述测流模块依次串联，所述响应信号采集模块与所述待测燃料电池组并联。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明中激励信号添加模块与隔直模块连接，隔直模块、测流模块和响应信号采集模块均与待测燃料电池组连接，阻抗计算模块与测流模块和响应信号采集模块连接；激励信号添加模块用于产生激励信号并对待测燃料电池组添加激励信号；测流模块用于测量对待测燃料电池组添加的经过隔直模块处理的激励信号；响应信号采集模块用于采集经过隔直模块处理的激励信号对待测燃料电池组进行激励产生的响应信号；阻抗计算模块用于根据测流模块测量的激励信号和响应信号采集模块采集的响应信号计算待测燃料电池组的阻抗，可对待测燃料电池组的阻抗进行实时测量。
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的燃料电池组在线阻抗测量装置的电路示意图；
图2为本发明中激励信号添加模块的电路示意图；
图3为本发明中响应信号预处理模块的电路示意图；
图4为本发明中计算燃料电池阻抗的原理示意图。
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，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例提供了一种燃料电池组在线阻抗测量装置，如图1所示，包括：激励信号添加模块、隔直模块、测流模块、响应信号采集模块和阻抗计算模块；所述激励信号添加模块与所述隔直模块连接，所述隔直模块、所述测流模块和所述响应信号采集模块均与待测燃料电池组(图中示为燃料电池系统)连接，所述阻抗计算模块与所述测流模块和所述响应信号采集模块连接，激励信号添加模块的输出端与隔直模块的输入端连接，隔直模块的输出端与待测燃料电池组连接，隔直模块要实现电路的隔直通交的作用，燃料电池堆产生的电压是直流电压，因燃料电池组是由几十甚至上百片燃料电池串联起来组成的，在燃料电池组正常工作时将产生百伏以上的直流高压电，这样高压电会影响到激励信号添加模块，故需要隔直模块，将直流电压阻挡住。隔直通交，隔离燃料电池组的高压直流信号，通过激励信号添加模块所产生的交流信号。测流模块要实现对激励信号的波形与幅值的测量，因为当激励信号添加到燃料电池组的时候，由于激励信号保护模块和隔直模块可能造成波形和幅值的改变，故需要测流模块来对真正添加到燃料电池组内的信号进行一个测量，防止经过隔直模块与激励信号保护模块后，造成激励信号的改变，从而使阻抗的测量不准确。
所述激励信号添加模块用于产生激励信号并对所述待测燃料电池组添加所述激励信号，所述测流模块用于测量对所述待测燃料电池组添加的经过所述隔直模块处理的激励信号；所述响应信号采集模块用于采集经过所述隔直模块处理的激励信号对所述待测燃料电池组进行激励产生的响应信号；当将激励信号注入到燃料电池时，燃料电池会产生一个对该信号的响应，响应信号采集模块就是要实现对燃料电池响应信号的采集与处理，输出燃料电池的响应信号用于之后的阻抗计算模块。所述阻抗计算模块用于根据所述测流模块测量的所述激励信号和所述响应信号采集模块采集的响应信号计算所述待测燃料电池组的阻抗，如图4所示，阻抗计算模块通过激励信号与响应信号的改变，计算出阻抗值，激励信号与响应信号的改变可以是激励信号和响应信号的幅值与相位的改变。
作为一种可选的实施方式，所述燃料电池组在线阻抗测量装置，还包括：激励信号保护模块；所述激励信号添加模块与所述激励信号保护模块并联。燃料电池造成不同的扰动，这种扰动可能造成激励信号添加模块的损坏，故设计激励信号保护模块实现对激励信号添加模块的保护。
作为一种可选的实施方式，激励信号添加模块的作用是生成正弦波信号、三角波信号和阶跃信号等波形的激励信号连接到燃料电池组上，实现信号的添加，所述激励信号添加模块包括：供电子模块和激励信号生成子模块，所述激励信号生成子模块分别与所述供电子模块和所述待测燃料电池组连接；所述供电子模块用于提供初始电信号，所述激励信号生成子模块用于根据所述初始电信号生成所述激励信号并对所述待测燃料电池组添加所述激励信号。
作为一种可选的实施方式，所述激励信号添加模块还包括：整流子模块；所述供电子模块和所述激励信号生成子模块通过所述整流子模块连接。
作为一种可选的实施方式，信号生成后，还要对信号进行监测与反馈调波以确定添加的信号稳定，所述激励信号添加模块还包括：波形监测子模块和反馈调波子模块；所述波形监测子模块分别与所述反馈调波子模块和所述激励信号生成子模块连接；所述反馈调波子模块与所述激励信号生成子模块连接；所述波形监测子模块用于监测所述激励信号生成子模块生成的波形，所述反馈调波子模块用于根据所述波形监测子模块监测到的所述激励信号生成子模块生成的波形对所述激励信号生成子模块生成的波形进行调整。
作为一种可选的实施方式，所述燃料电池组在线阻抗测量装置，还包括：响应信号预处理模块；所述响应信号采集模块与所述阻抗计算模块通过所述响应信号预处理模块连接。
作为一种可选的实施方式，所述响应信号预处理模块包括：依次串联的滤波子模块、隔直子模块和响应信号处理子模块；所述滤波子模块与所述响应信号采集模块连接；所述响应信号处理子模块与所述阻抗计算模块连接，所述响应信号处理子模块用于对经过所述滤波子模块和所述隔直子模块处理的响应信号进行处理得到经过所述滤波子模块和所述隔直子模块处理的所述响应信号的幅值和相位。滤波子模块用于将混入采集信号的噪声等干扰信号滤除掉，确保对采集信号处理的准确性。隔直子模块，用于隔直通交，隔离燃料电池组的高压直流信号，通过燃料电池组对激励信号产生的响应信号。响应信号处理子模块，用于对响应信号进行处理，可以是处理出响应信号的幅值与相位。
作为一种可选的实施方式，所述激励信号添加模块、所述隔直模块、所述待测燃料电池组和所述测流模块依次串联，所述响应信号采集模块与所述待测燃料电池组并联。
本发明实施例提供的阻抗测量方式是：在外部给需要测量阻抗的物质添加一个小的激励信号，信号通过物质会产生一个对应的响应信号，通过响应信号与激励信号发生变化的情况，比如说幅值和相位的变化，就可以去计算出阻抗值，以此获得该物质的阻抗值。对物质添加的激励信号是交流的信号，这个交流波形可以是正弦波，三角波和阶跃信号等。
本发明的设计思路具体为：
燃料电池组在线阻抗测量装置包括激励信号添加模块、激励信号保护模块、隔直模块、测流模块、响应信号采集模块、响应信号预处理模块和阻抗计算模块，通过各个模块的配合最终实现燃料电池组的阻抗在线测量。
激励信号通过激励信号添加模块产生，激励信号通过隔直模块后添加到燃料电池组。在激励信号添加到燃料电池组后，需要对燃料电池组的响应信号进行采集，最后进行阻抗的测量。
为了实现上述的激励信号的添加，需要对整个系统添加附属模块进行保护，防止燃料电池组在线阻抗测量装置的损坏。第一，燃料电池组是由几十上百片燃料电池串联而成的，在工作的时候，会产生几十上百伏特的高电压直流信号，在这种条件下鲜有设备能实现激励信号的添加，所以需要隔直模块来滤除燃料电池组产生的高压直流信号，只让激励信号添加模块产生的交流信号通过，通过这种方式来实现激励信号的添加。第二，激励信号经过隔直模块后，其波形可能会发生些许改变，故要添加一个测流模块，得到添加到燃料电池组内的真正激励信号。第三，出于对激励信号添加模块的保护，需要添加激励信号保护模块，防止激励信号添加模块损坏。
如图2所示，激励信号添加模块由供电子模块、整流子模块、激励信号生成子模块、波形监测子模块和反馈调波子模块组成。对于激励信号的产生，第一要有一个供电子模块，供电子模块起到的作用是作为一个初始的电流或者电压信号，通过后续对供电子模块供给的信号进行处理，得到对燃料电池组添加的激励信号。第二是整流子模块，要对供电子模块进行升压或降压的变化。第三是激励信号生成子模块，在这里将激励信号转换成需要的正弦波，三角波和阶跃信号等，之后激励信号就产生了，只要将其添加即可。由于激励信号的产生，要经过上述的过程，所以对激励信号的波形产生后可能存在些许的误差，所以在激励信号产生后，要进行波形监测。所以说波形监测子模块就是要实现对激励信号波形的实时监测作用，如果产生的波形和我们的预期有差异，就要通过反馈调波子模块对激励信号的误差进行调整，确保输出的激励信号是预期的波形。
如图3所示，响应信号的处理要包含滤波子模块、隔直子模块和响应信号处理子模块。由于采集到的响应信号里面会混有噪声，那么首先就要通过滤波子模块将混入的噪声信号进行处理，得到真正的响应信号。再通过隔直子模块，将燃料电池的直流高电压信号进行滤除，之后才真正的得到了燃料电池组对激励信号产生的响应信号。最后便是通过响应信号处理子模块对响应信号进行处理得到响应信号的幅值和相位。
通过上述获得的响应信号，我们可以获得响应信号的幅值与相位。通过响应信号的幅值与相位和激励信号的幅值与相位，就可以计算出阻抗值。对于阻抗的计算，可以使用互相关等诸多方式。
本发明可以实现对燃料电池组阻抗的在线测量。
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。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种燃料电池组在线阻抗测量装置，其特征在于，包括：
激励信号添加模块、隔直模块、测流模块、响应信号采集模块和阻抗计算模块；所述激励信号添加模块与所述隔直模块连接，所述隔直模块、所述测流模块和所述响应信号采集模块均与待测燃料电池组连接，所述阻抗计算模块与所述测流模块和所述响应信号采集模块连接；
所述激励信号添加模块用于产生激励信号并对所述待测燃料电池组添加所述激励信号；所述测流模块用于测量对所述待测燃料电池组添加的经过所述隔直模块处理的激励信号；所述响应信号采集模块用于采集经过所述隔直模块处理的激励信号对所述待测燃料电池组进行激励产生的响应信号；所述阻抗计算模块用于根据所述测流模块测量的所述激励信号和所述响应信号采集模块采集的响应信号计算所述待测燃料电池组的阻抗。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池组在线阻抗测量装置，其特征在于，还包括：激励信号保护模块；所述激励信号添加模块与所述激励信号保护模块并联。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池组在线阻抗测量装置，其特征在于，所述激励信号添加模块包括：供电子模块和激励信号生成子模块，所述激励信号生成子模块分别与所述供电子模块和所述待测燃料电池组连接；所述供电子模块用于提供初始电信号，所述激励信号生成子模块用于根据所述初始电信号生成所述激励信号并对所述待测燃料电池组添加所述激励信号。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池组在线阻抗测量装置，其特征在于，所述激励信号添加模块还包括：整流子模块；所述供电子模块和所述激励信号生成子模块通过所述整流子模块连接。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池组在线阻抗测量装置，其特征在于，所述激励信号添加模块还包括：波形监测子模块和反馈调波子模块；所述波形监测子模块分别与所述反馈调波子模块和所述激励信号生成子模块连接；所述反馈调波子模块与所述激励信号生成子模块连接；所述波形监测子模块用于监测所述激励信号生成子模块生成的波形，所述反馈调波子模块用于根据所述波形监测子模块监测到的所述激励信号生成子模块生成的波形对所述激励信号生成子模块生成的波形进行调整。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池组在线阻抗测量装置，其特征在于，还包括：响应信号预处理模块；所述响应信号采集模块与所述阻抗计算模块通过所述响应信号预处理模块连接。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池组在线阻抗测量装置，其特征在于，所述响应信号预处理模块包括：依次串联的滤波子模块、隔直子模块和响应信号处理子模块；所述滤波子模块与所述响应信号采集模块连接；所述响应信号处理子模块与所述阻抗计算模块连接，所述响应信号处理子模块用于对经过所述滤波子模块和所述隔直子模块处理的响应信号进行处理得到经过所述滤波子模块和所述隔直子模块处理的所述响应信号的幅值和相位。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池组在线阻抗测量装置，其特征在于，所述激励信号添加模块、所述隔直模块、所述待测燃料电池组和所述测流模块依次串联，所述响应信号采集模块与所述待测燃料电池组并联。
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