CN115436829A

CN115436829A - 高精度燃料电池阻抗测量方法及系统

Info

Publication number: CN115436829A
Application number: CN202211171351.XA
Authority: CN
Inventors: 吴宏; 杨细芳; 张超
Original assignee: Hunan Enzhi Precision Measurement Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Hunan Enzhi Precision Measurement Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2022-09-23
Filing date: 2022-09-23
Publication date: 2022-12-06

Abstract

本发明公开了一种高精度燃料电池阻抗测量方法及系统，方法包括以下步骤：阻抗分析仪获取测试参数，根据测试参数生成相应的交变波形数据；阻抗分析仪根据交变波形数据控制电子负载拉载燃料电池电流；阻抗分析仪获取燃料电池的交流电压电流数据，然后对交流电压电流数据进行傅里叶运算得到复数的交流电压电流值，把复数的交流电压电流值进行复数求模得到交流电压电流幅值，然后将交流电压电流幅值经过换算得到燃料电池的交流阻抗值。本发明既能快速测量出燃料电池的交流阻抗，又能够通过兼容测量多种功率类型的燃料电池，并且测量准确精度高，此外实现了激励源与检测功能设备于一体，大大节约了设备成本，简化了测量方法和结构。

Description

高精度燃料电池阻抗测量方法及系统

技术领域

本发明涉燃料电池测试领域，特别涉及一种高精度燃料电池阻抗测量方法及系统。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器；它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池的交流阻抗是燃料电池性能的关键数据，进行燃料电池的交流阻抗测试可以识别有问题的燃料电磁组件和其他在组装过程中产生的误差；有助于确定燃料电池系统中的运动阻力，欧姆电阻，以及反应物的运输限制。

通用的万用表、LRC表等测试工具，只能在同一时刻测量单一参数，然而燃料电池并非具有单一参数的电阻、电感或电容，而是电阻、电感和电容的混合模型，无法满足燃料电池的阻抗测量需求。传统的交流阻抗测试系统激励源与检测功能设备都需要单独配置，成本高、测量的速度和准确性都不佳，无法满足越来越高要求的测试场景。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高精度燃料电池阻抗测量方法及系统，能够测量燃料电池的阻抗，并且成本低、测量速度快、准确度高。

根据本发明第一方面实施例的高精度燃料电池阻抗测量方法，包括以下步骤：

阻抗分析仪获取测试参数，根据测试参数生成相应的交变波形数据；

阻抗分析仪根据交变波形数据控制电子负载拉载燃料电池电流；

阻抗分析仪获取燃料电池的交流电压电流数据，然后对交流电压电流数据进行傅里叶运算得到复数的交流电压电流值，把复数的交流电压电流值进行复数求模得到交流电压电流幅值，然后将交流电压电流幅值经过换算得到燃料电池的交流阻抗值。

根据本发明第一方面实施例的高精度燃料电池阻抗测量方法，至少具有如下有益效果：

阻抗分析仪通过测试参数生成相应的交变波形数据，然后根据交变波形数据控制电子负载拉载燃料电池电流，在此过程中阻抗分析仪获取燃料电池的交流电压电流数据，然后对交流电压电流数据先进行傅里叶运算，再进行复数求模得到交流电压电流幅值，然后将交流电压电流幅值经过换算得到燃料电池的交流阻抗值。本发明既能快速测量出燃料电池的交流阻抗，又能够通过兼容测量多种功率类型的燃料电池，并且测量准确精度高，此外实现了激励源与检测功能设备于一体，大大节约了设备成本，简化了测量方法和结构。

根据本发明的一些实施例，所述阻抗分析仪获取测试参数步骤中的测试参数包括直流电流、交流电流、交流频率和扫频模式。

根据本发明的一些实施例，所述阻抗分析仪获取燃料电池的实时交流电压电流数据中交流电压电流数据的数量为1024。

根据本发明的一些实施例，所述根据测试参数生成相应的交变波形数据的具体步骤为：

将测试参数代入余弦函数公式产生一组设定频率的交变信号作为交变波形数据，所述余弦函数公式为

S＝Idc+Iac*cos(2*pi*n/K-pi/180)，0≤n≤K-1；

其中Idc为直流电流设定值、Iac为交流电流设定值、pi为圆周率、K为每个周期的采样点数、n为该周期的某一点、S则是n点输出的实际值。

根据本发明的一些实施例，所述对交流电压电流数据进行傅里叶运算的计算公式为

其中，X(k)为频域值、X(n)为时域采样点、n为时域采样点的序列索引、k为频域值的索引、N为进行转换的采样点数量。

根据本发明的一些实施例，所述阻抗分析仪获取燃料电池的交流电压电流数据的具体步骤为

采集燃料电池的实际输出电压电流值；

利用平均值法把燃料电池的实际输出电压电流值中的直流分量去除，得到燃料电池的交流电压电流数据。

根据本发明的一些实施例，所述再进行复数求模得到交流电压电流幅值，然后将交流电压电流幅值经过换算得到燃料电池的交流阻抗的具体步骤为：

将交流电压电流幅值根据复阻抗计算公式得到测试的复阻抗，复阻抗计算公式的计算公式为

其中U`为交流电压幅值，I`为交流电流幅值，U`＝a+bi,I`＝c+di；(a,b,c,d∈R)

再对复阻抗进行取模运算，得到燃料电池的交流阻抗值。

根据本发明的一些实施例，还包括绘图步骤：重复上述步骤，得到各个频率下燃料电池的交流阻抗值，然后根据各个频率下燃料电池的交流阻抗值绘制出科尔科尔曲线图。

根据本发明第二方面实施例的高精度燃料电池阻抗测量系统，连接待测的燃料电池，包括：阻抗分析仪，所述阻抗分析仪用于获取测试参数并生成交变波形数据，所述阻抗分析仪的采样端连接所述燃料电池以用于获取燃料电池的电压电流采样值；电子负载，所述电子负载的供电端连接所述燃料电池，所述阻抗分析仪与所述电子负载通信连接以用于控制电子负载拉载燃料电池电流。

根据本发明第二方面实施例的高精度燃料电池阻抗测量系统，至少具有如下有益效果：

根据本发明的一些实施例，所述阻抗分析仪包括MCU、FPGA、直流DAC、交流DAC和采集ADC，所述MCU用于获取测试参数并生成交变波形数据，所述MCU连接所述FPGA以用于生成并发送交变信号，所述FPGA连接所述直流DAC以用于输出DC激励信号控制电子负载拉载燃料电池DC放电电流，所述FPGA的连接所述交流DAC以用于输出AC激励信号控制电子负载拉载燃料电池AC谐波电流，所述FPGA连接所述采集ADC以用于采集燃料电池的实际输出电压电流值。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例中高精度燃料电池阻抗测量方法的流程图；

图2为本发明实施例中高精度燃料电池阻抗测量系统的架构图；

图3为本发明实施例中阻抗分析仪的架构图；

图4为本发明实施例中高精度燃料电池阻抗测量系统的运行流程图。

附图标号：

阻抗分析仪100、电子负载200、燃料电池300。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1所示，一种高精度燃料电池阻抗测量方法，包括以下步骤：

S100、阻抗分析仪100获取测试参数，测试参数由用户预先设定并通过人机交互界面输入至阻抗分析仪100，其中，测试参数包括预先设定的直流电流、交流电流、交流频率和扫频模式等；根据测试参数中的电流和频率生成相应的交变波形数据。

其中，根据测试参数中的电流和频率生成相应的交变波形数据的具体步骤为：

将测试参数代入余弦函数公式产生一组设定频率的交变信号作为交变波形数据，余弦函数公式为：

S＝Idc+Iac*cos(2*pi*n/K-pi/180)，0≤n≤K-1；

S200、阻抗分析仪100根据交变波形数据控制电子负载200拉载燃料电池300电流，具体步骤如下；

S201、阻抗分析仪100首先设定的电流值切换到相应的量程档位，然后把电子负载200配置到恒流源的工作模式；

S202、阻抗分析仪100根据交变波形数据产生电流编程信号到电子负载200拉载燃料电池300电流，电流编程信号包括DC激励信号和AC激励信号，阻抗分析仪100输出DC激励信号控制电子负载200拉载燃料电池300DC放电电流并输出AC激励信号控制电子负载200拉载燃料电池300AC谐波电流。

S300、阻抗分析仪100获取燃料电池300的交流电压电流数据，然后对交流电压电流数据先进行傅里叶运算，再进行复数求模得到交流电压电流幅值，然后将交流电压电流幅值经过换算得到燃料电池300的交流阻抗值。

需要说明的是，阻抗分析仪100获取燃料电池300的交流电压电流数据，具体步骤为：

S301、阻抗分析仪100通过ADC芯片采集燃料电池300的实际输出电压电流值。

S302、利用平均值法把燃料电池300的实际输出电压电流值中的直流分量去除，得到燃料电池300的交流电压电流波形信号，即交流电压电流数据。

S303、重复步骤S301和S302，直到采集到傅里叶运算所需的1024个交流电压电流数据。

需要说明的是，然后对交流电压电流数据先进行傅里叶运算，具体步骤为：

S311、先按照傅里叶运算的数据格式要求把交流电压电流波形信号进行变换，转换成实部为采集值，虚部为0的复数。

S312、然后对交流电压电流数据进行傅里叶运算，计算公式为

需要说明的是，对交流电压电流数据进行傅里叶运算后得到的电压电流值还是一个复数，所以还需要进行复数求模计算得出所测频率下的交变电压电流信号幅值，然后将交流电压电流幅值经过换算得到燃料电池300的交流阻抗值，具体步骤为：

对交流电压电流数据进行傅里叶运算后，通过复数求模计算得到各个频率点电压和电流的幅值，再通过计算获取这组数据的最大值，该值便是所测频率下的交变电压电流幅值，包括交流电压幅值U`和交流电流幅值I`。因为经过傅里叶运算后得到的电压电流值还是一个复数；所以根据欧姆定律R＝U/I以及复数除法的计算公式便可计算得到测试的复阻抗，设U`＝a+bi,I`＝c+di，(a,b,c,d∈R)，则复数除法的计算公式为

再对复阻抗进行取模运算，便可得到实际的阻抗值，取模运算的计算公式如下：

其中，Z为阻抗，R电阻，X为电抗，

通过上述计算方法能够快速，准确的测量出设定频率的交流阻抗值。

还包括绘图步骤，S400、重复上述步骤，得到各个频率下燃料电池300的交流阻抗值，然后根据各个频率下燃料电池300的交流阻抗值绘制出科尔科尔曲线图。科尔科尔曲线图是用来描述复介电常数(电阻率)的实部与虚部之间随频率变化的关系曲线图，通过科尔科尔曲线图可以判别介电弛豫行为偏离单一弛豫时间过程。

本发明还涉及一种高精度燃料电池阻抗测量系统，参考图2所示，，包括阻抗分析仪100、电子负载200和待测的燃料电池300，阻抗分析仪100用于通过人机交互界面获取用户设置的测试参数并生成交变波形数据，阻抗分析仪100的采样端连接燃料电池300以用于获取燃料电池300的交流电压电流数据，然后对交流电压电流数据先进行傅里叶运算，再进行复数求模得到交流电压电流幅值，然后将交流电压电流幅值经过换算得到燃料电池300的交流阻抗值；电子负载200的供电端连接燃料电池300，阻抗分析仪100与电子负载200通信连接以用于控制电子负载200拉载燃料电池300电流，包括输出DC激励信号控制电子负载200拉载燃料电池300DC放电电流，输出AC激励信号控制电子负载200拉载燃料电池300AC谐波电流。

其中，参考图3所示，阻抗分析仪100包括MCU、FPGA、直流DAC、交流DAC、采集ADC和液晶显示屏，MCU用于获取测试参数并生成交变波形数据，MCU连接FPGA以用于生成并发送交变信号，FPGA连接直流DAC以用于输出DC激励信号控制电子负载200拉载燃料电池300DC放电电流，FPGA的连接交流DAC以用于输出AC激励信号控制电子负载200拉载燃料电池300AC谐波电流，FPGA连接采集ADC以用于采集燃料电池300的实际输出电压电流值，MCU和液晶显示屏相连以用于显示测量结果。

参考图4所示，阻抗分析仪100的工作流程为：

S501、复位相关寄存器，配置好用户设定的电流，频率等测试参数；

S502、根据用户设定的电流和频率值，生成相应的交变波形数据，通过FSMC通信传送到FPGA的RAM上；

S503、根据设定的电流值，通过FPGA控制采集ADC的放大系数开关来切换到相应的量程档位；

S504、通过RS232通信把电子负载200配置到恒流源的工作模式；

S505、通过FPGA驱动直流DAC和交流DAC输出电流编程信号到电子负载200，开始拉载燃料电池300电流；

S506、MCU根据设定频率不断循环从FPGA读取采集ADC采样到的交流电压电流AD值，直到采集到傅里叶运算所需的1024个交流电压电流数据；

S507、MCU通过FSMC总线从FPGA读取采集到的数据，然后经过DSP相关函数对采样数据根据傅里叶运算格式要求进行处理；

S508、然后把处理过的数据通过傅里叶函数进行运算；

S509、把运算结果复数求模取得交流电压电流幅值，然后经过换算便可得到燃料电池300的交流阻抗。

计算完毕后，阻抗分析仪100把测试结果上传到人机交互界面，则该项测试完毕；如果是扫频模式，则替换下一个频率，重复上述步骤即可得到对应频率的阻抗值。MCU通过EMWIN把各个频率下的阻抗结果绘制成相应波形图，展现在人际交互界面上，便可立即展现出燃料电池300阻抗分析的科尔科尔曲线图。

本发明能够快速准确的测量出指定频率的燃料电池300交流阻抗，并且能够绘制出科尔科尔曲线来分析交流阻抗特性；与传统的燃料电池300阻抗测试仪表相比，本申请结构简单、集成度高、操作便捷，测量频率范围宽，能获得更完整的阻抗信息；通过MCU可以自动生成阻抗谱，节省了大量的数据归纳分析工作。采用FPGA的驱动相应ADC的采集方式，采样频率更快，时序更准确，从而可以快速准确的测量出燃料电池300的交流阻抗。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种高精度燃料电池阻抗测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

阻抗分析仪获取燃料电池的交流电压电流数据，然后对交流电压电流数据先进行傅里叶运算，再进行复数求模得到交流电压电流幅值，然后将交流电压电流幅值经过换算得到燃料电池的交流阻抗。

2.根据权利要求1所述的高精度燃料电池阻抗测量方法，其特征在于：所述阻抗分析仪获取测试参数步骤中的测试参数包括直流电流、交流电流、交流频率和扫频模式。

3.根据权利要求1所述的高精度燃料电池阻抗测量方法，其特征在于：所述阻抗分析仪获取燃料电池的实时交流电压电流数据中交流电压电流数据的数量为1024。

4.根据权利要求1所述的高精度燃料电池阻抗测量方法，其特征在于：所述根据测试参数生成相应的交变波形数据的具体步骤为：

S＝Idc+Iac*cos(2*pi*n/K-pi/180)，0≤n≤K-1；

5.根据权利要求1所述的高精度燃料电池阻抗测量方法，其特征在于：所述对交流电压电流数据进行傅里叶运算的计算公式为

6.根据权利要求1所述的高精度燃料电池阻抗测量方法，其特征在于：所述阻抗分析仪获取燃料电池的交流电压电流数据的具体步骤为

采集燃料电池的实际输出电压电流值；

7.根据权利要求1所述的高精度燃料电池阻抗测量方法，其特征在于：所述再进行复数求模得到交流电压电流幅值，然后将交流电压电流幅值经过换算得到燃料电池的交流阻抗的具体步骤为：

其中U`为交流电压幅值，I`为交流电流幅值，U`＝a+bi,,I`＝c+di；(a,b,c,d∈R)

再对复阻抗进行取模运算，得到燃料电池的交流阻抗值。

8.根据权利要求1所述的高精度燃料电池阻抗测量方法，其特征在于：还包括绘图步骤，重复上述步骤，得到各个频率下燃料电池的交流阻抗值，然后根据各个频率下燃料电池的交流阻抗值绘制出科尔科尔曲线图。

9.一种高精度燃料电池阻抗测量系统，连接待测的燃料电池，其特征在于，包括：

阻抗分析仪，所述阻抗分析仪用于获取测试参数并生成交变波形数据，所述阻抗分析仪的采样端连接所述燃料电池以用于获取燃料电池的交流电压电流数据，然后对交流电压电流数据先进行傅里叶运算，再进行复数求模得到交流电压电流幅值，然后将交流电压电流幅值经过换算得到燃料电池的交流阻抗值；

电子负载，所述电子负载的供电端连接所述燃料电池，所述阻抗分析仪与所述电子负载通信连接以用于控制电子负载拉载燃料电池电流。

10.根据权利要求9所述的高精度燃料电池阻抗测量系统，其特征在于：所述阻抗分析仪包括MCU、FPGA、直流DAC、交流DAC和采集ADC，所述MCU用于获取测试参数并生成交变波形数据，所述MCU连接所述FPGA以用于生成并发送交变信号，所述FPGA连接所述直流DAC以用于输出DC激励信号控制电子负载拉载燃料电池DC放电电流，所述FPGA的连接所述交流DAC以用于输出AC激励信号控制电子负载拉载燃料电池AC谐波电流，所述FPGA连接所述采集ADC以用于采集燃料电池的实际输出电压电流值。