CN114976114B - 一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统和方法 - Google Patents

一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统和方法，系统包括燃料电池电堆、燃料电池测试台、选通电路、电流传感器、数据采集模块、纹波分析仪、上位机、信号发生器、激励负载和工作负载，燃料电池测试台向燃料电池电堆提供反应气体和冷却水，工作负载连接燃料电池电堆，电流传感器设置在燃料电池电堆的输出干路上，选通电路连接燃料电池电堆的每个单电池，数据采集模块连接选通电路、电流传感器、上位机和纹波分析仪，激励负载并联在工作负载上，上位机通过信号发生器连接激励负载。与现有技术相比，本发明具有确保能够稳定采集激励电流的电流信号和电压信号，实现精确、稳定的阻抗计算和测试等优点。

Description

一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统和方法
技术领域
本发明涉及燃料电池测试领域，尤其是涉及一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统和方法。
背景技术
氢氧质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转换为电能的电化学装置，其内部水状态对于燃料电池的性能具有较大的影响，但基于现有传感器难以直接测量其内部水状态等状态量。
但随着科学技术的进步，人们发现燃料电池的性能特性可以用等效电路的方向进行研究，燃料电池的工作状态与等效电路中的阻抗元之间具有一定的对应关系，因此，燃料电池的交流阻抗能够反映电堆及单片内部状态，因而通过测量电堆和单片的交流阻抗可以获知其内部状态，从而用于系统控制，改善燃料电池的性能。
申请号为CN201621072321.3的中国实用新型公开了一种燃料电池的交流阻抗测试系统，通过增加额外的交流扰动电流，提高了阻抗测试的便利性。但是，目前采用的交流扰动电流往往是采用经验值，难以确保阻抗测试的稳定性。其原因在于：燃料电池的电流一般是由电子负载或者DC-DC来控制的，不可避免会在直流电流上产生一定程度的纹波，在纹波过大的情况下，幅值较小的激励电流无法测得准确的阻抗结果；相反的，若长时间使用幅值较大的激励电流，则容易对电堆产生损害，影响其耐久性。
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大功率燃料电池交流阻抗测试系统和方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统，包括燃料电池电堆、燃料电池测试台、选通电路、电流传感器、数据采集模块、纹波分析仪、上位机、信号发生器、激励负载和工作负载，所述燃料电池测试台向燃料电池电堆提供反应气体和冷却水，所述工作负载连接燃料电池电堆，所述电流传感器设置在燃料电池电堆的输出干路上，所述选通电路连接燃料电池电堆的每个单电池，所述数据采集模块连接选通电路、电流传感器、上位机和纹波分析仪，所述激励负载并联在工作负载上，所述上位机通过信号发生器连接激励负载。
进一步地，所述纹波分析仪用于分析燃料电池电堆输出的电流纹波和激励电流的电流纹波，所述上位机通过信号发生器和激励负载实时调节对燃料电池电堆的激励电流，使得激励电流的电流纹波幅值能始终大于燃料电池电堆输出的电流纹波幅值。
一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统的测试方法，用于如上所述的一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统，包括以下步骤：
S1、待测试的燃料电池电堆接入系统，通过工作负载的直流负载电流将燃料电池电堆的输出电流设定在一个固定电流值；
S2、电流传感器测量燃料电池电堆的输出电流，该输出电流经数据采集模块采集后输入纹波分析仪；
S3、纹波分析仪分析燃料电池电堆输出的电流纹波后发送至上位机，上位机根据电流纹波，通过信号发生器和激励负载向燃料电池电堆的输出附加激励电流，并且确保激励电流的电流纹波幅值能始终大于燃料电池电堆输出的电流纹波幅值；
S4、切换选通电路，选择需要测量的单电池或整个电堆；
S5、数据采集模块同步采集燃料电池电堆的电压信号和电流信号；
S6、上位机获取电压信号和电流信号后计算阻抗模以及相位角。
进一步地，步骤S6中，分别将电压信号与电流信号在时域内的数据通过变换为频域内的数据，从而根据数据转换结果得到激励下的信号幅值与相位角；根据激励下的电压信号与电流信号的幅值之比得到阻抗模，并且根据电压信号的相位角与电流信号的相位角之差，得到阻抗的相位角。
进一步地，步骤S3中，激励电流为在燃料电池电堆输出的直流电流上叠加0.1～3000Hz的交流分量。
进一步地，所述交流分量的波形为正弦波、方波或三角波。
进一步地，所述交流分量为多种不同波形的组合波。
进一步地，激励电流的变化速率为5～30A/us。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过设置纹波分析仪从而可以对燃料电池电堆输出的电流纹波和激励电流的电流纹波进行实时监控分析，配合上位机、信号发生器和激励负载实时调控，使激励电流的电流纹波幅值能始终大于燃料电池电堆输出的电流纹波幅值，由此确保能够稳定采集激励电流的电流信号和电压信号，实现精确、稳定的阻抗计算和测试。
附图说明
图1为本发明测试系统的结构示意图。
图2为本发明测试方法的流程示意图。
附图标记：1-燃料电池电堆，2-燃料电池测试台，3-选通电路，4-电流传感器，5-数据采集模块，6-纹波分析仪，7-上位机，8-信号发生器，9-激励负载，10-工作负载。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供了一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统，包括待测试的燃料电池电堆1、燃料电池测试台2、选通电路3、电流传感器4、数据采集模块5、纹波分析仪6、上位机7、信号发生器8、激励负载9和工作负载10。
待测试的燃料电池电堆1首先和燃料电池测试台2对接，燃料电池测试台2向燃料电池电堆1提供所需要的反应气体和冷却水。工作负载10也设置在燃料电池测试台2上，工作负载10连接燃料电池电堆1的电流输出端，作为直流电子负载用于消耗和控制燃料电池的电流和电压。激励负载9和工作负载10并联设置，同样连接燃料电池电堆1的输出端。电流传感器4设置在燃料电池电堆1的输出干路上，用于测量燃料电池电堆1的输出电流。选通电路3连接至燃料电池电堆1各个单电池的两端，通过选通不同的位置，可以实现对单节电池，电池组或整堆进行测量。数据采集模块5连接选通电路3和电流传感器4，用于采集测量到的数据。数据采集模块5还连接上位机7和纹波分析仪6，上位机7和纹波分析仪6也互相连接。信号发生器8与激励负载9相连接，用于控制激励负载9的波形，幅值和频率。上位机7连接于数据采集设备和信号发生器8，上位机7用于信号发生器8的控制，以及数据的计算和处理。
本实施例中，电流传感器4具有低温度，高精度的特征，并且不会给测试系统带来相位的误差。，电流传感器4位于电堆的输出干路上，其测量的电流是真实通过电堆的电流，不包含通过工作负载10的交流分量。
本实施例的测试过程中，纹波分析仪6用于分析燃料电池电堆1输出的电流纹波和激励电流的电流纹波，上位机7通过信号发生器8和激励负载9实时调节对燃料电池电堆1的激励电流，使得激励电流的电流纹波幅值能始终大于燃料电池电堆1输出的电流纹波幅值。激励负载9与被测燃料电池电堆1相连，通过消耗部分电流的方式，向燃料电池的直流电流上叠加一个微小的交流分量。交流分量的波形不限，可以为正弦波、方波或三角波。本实施例通过实时调节激励负载9产生的激励电流，使得交流分量的有效值RMS一般为直流电量的2％～10％，从而克服过小的叠加信号可能会被直流电流上的纹波所淹没，而过大的叠加信号会对电堆产生损害，影响其耐久性的问题。
如图2所示，本实施例还提供了上述大功率燃料电池交流阻抗测试系统的测试方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、待测试的燃料电池电堆1接入系统，通过测试台上工作负载10的直流负载电流将燃料电池电堆1的输出电流设定在一个固定电流值。
步骤S2、电流传感器4测量燃料电池电堆1的输出电流，该输出电流经数据采集模块5采集后输入纹波分析仪6。
步骤S3、纹波分析仪6分析燃料电池电堆1输出的电流纹波的有效值/直流值后发送至上位机7，上位机7根据载状态下电流纹波，通过信号发生器8和激励负载9向燃料电池电堆1的输出附加激励电流，并且确保激励电流的电流纹波幅值能始终大于燃料电池电堆1输出的电流纹波幅值。具体为：
上位机7根据带载状态下燃料电池电堆1输出电流所含的纹波决定所需施加激励点就的幅值交流激励分量的有效值必须大于纹波的有效值。根据预设的频率，和所需的幅值，上位机7控制信号发生器8和激励负载9，向燃料电池电堆1叠加正弦或其他波形的交流扰动。
步骤S4、切换选通电路3，选择需要测量的单电池或整个电堆。本实施例可以由此选择测量单电池、电池组或整堆的电压。
步骤S5、上位机7向数据采集模块5发出触发信号，数据采集模块5同步采集燃料电池电堆1的电压信号和电流信号。
步骤S6、上位机7获取电压信号和电流信号后计算阻抗模以及相位角。具体包括：分别将电压信号与电流信号在时域内的数据通过傅里叶展开变换为频域内的数据，从而根据数据转换结果得到激励下的信号幅值与相位角；根据激励下的电压信号与电流信号的幅值之比得到阻抗模，并且根据电压信号的相位角与电流信号的相位角之差，得到阻抗的相位角。
步骤S7、选通电路3切换到下一次所需测量的位置，重复进行步骤S3～S6。
在上述步骤中，激励负载9可以在燃料电池电堆1的直流电流上叠加0.1～3000Hz的交流激励分量。交流激励分量的波形为可以为正弦波、方波或三角波，也可以是多种不同波形的组合波。多种不同波形的同时叠加可以实现快速的阻抗谱测量。
激励负载9提供的激励电流的变化速率需要达到5～30A/us，以保证在燃料电池电堆1在大电流运行的情况下，激励负载9可以叠加足够幅值的高频波形。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统，其特征在于，包括燃料电池电堆(1)、燃料电池测试台(2)、选通电路(3)、电流传感器(4)、数据采集模块(5)、纹波分析仪(6)、上位机(7)、信号发生器(8)、激励负载(9)和工作负载(10)，所述燃料电池测试台(2)向燃料电池电堆(1)提供反应气体和冷却水，所述工作负载(10)连接燃料电池电堆(1)，所述电流传感器(4)设置在燃料电池电堆(1)的输出干路上，所述选通电路(3)连接燃料电池电堆(1)的每个单电池，所述数据采集模块(5)连接选通电路(3)、电流传感器(4)、上位机(7)和纹波分析仪(6)，所述激励负载(9)并联在工作负载(10)上，所述上位机(7)通过信号发生器(8)连接激励负载(9)；
所述纹波分析仪(6)用于分析燃料电池电堆(1)输出的电流纹波和激励电流的电流纹波，所述上位机(7)通过信号发生器(8)和激励负载(9)实时调节对燃料电池电堆(1)的激励电流，所述激励电流为在直流电流上叠加的一个交流分量，交流分量的有效值RMS为直流电流的2％～10％，使得激励电流的电流纹波幅值能始终大于燃料电池电堆(1)输出的电流纹波幅值。
2.一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统的测试方法，用于如权利要求1所述的一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1、待测试的燃料电池电堆(1)接入系统，通过工作负载(10)的直流负载电流将燃料电池电堆(1)的输出电流设定在一个固定电流值；
S2、电流传感器(4)测量燃料电池电堆(1)的输出电流，该输出电流经数据采集模块(5)采集后输入纹波分析仪(6)；
S3、纹波分析仪(6)分析燃料电池电堆(1)输出的电流纹波后发送至上位机(7)，上位机(7)根据电流纹波，通过信号发生器(8)和激励负载(9)向燃料电池电堆(1)的输出附加激励电流，并且确保激励电流的电流纹波幅值能始终大于燃料电池电堆(1)输出的电流纹波幅值；
S4、切换选通电路(3)，选择需要测量的单电池或整个电堆；
S5、数据采集模块(5)同步采集燃料电池电堆(1)的电压信号和电流信号；
S6、上位机(7)获取电压信号和电流信号后计算阻抗模以及相位角。
3.根据权利要求2所述的一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统的测试方法，其特征在于，步骤S6中，分别将电压信号与电流信号在时域内的数据通过变换为频域内的数据，从而根据数据转换结果得到激励下的信号幅值与相位角；根据激励下的电压信号与电流信号的幅值之比得到阻抗模，并且根据电压信号的相位角与电流信号的相位角之差，得到阻抗的相位角。
4.根据权利要求2所述的一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统的测试方法，其特征在于，步骤S3中，激励电流为在燃料电池电堆(1)输出的直流电流上叠加0.1～3000Hz的交流分量。
5.根据权利要求4所述的一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统的测试方法，其特征在于，所述交流分量的波形为正弦波、方波或三角波。
6.根据权利要求4所述的一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统的测试方法，其特征在于，所述交流分量为多种不同波形的组合波。
7.根据权利要求2所述的一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统的测试方法，其特征在于，激励电流的变化速率为5～30A/us。
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