CN115951250A - 一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法 - Google Patents

一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法 Download PDF

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CN115951250A CN202211494564.6A CN202211494564A CN115951250A CN 115951250 A CN115951250 A CN 115951250A CN 202211494564 A CN202211494564 A CN 202211494564A CN 115951250 A CN115951250 A CN 115951250A
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邵志刚
孙嘉琦
杨小康
孙树成
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Abstract

本发明提供一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，包括以下步骤：在燃料电池运行的过程中连续地向燃料电池施加高低频叠加的激励电流，后根据实时获得的响应电压计算测量电化学阻抗所需的激励电流。当需要测量电化学阻抗谱时，将上述的根据响应电压确定的电化学阻抗激励电流注入燃料电池，最终获得燃料电池的电化学阻抗谱。该发明通过实时监测高低频激励的电压响应幅值来确定测量电化学阻抗谱所需要的激励幅值大小，从而避免过大的电流激励对燃料电池造成的状态改变，以及激励电流过小造成的电化学阻抗谱精度不足。

Description

一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，公开了一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法。
背景技术
燃料电池作为一种高转换效率、低噪声、零污染的新型电源在近些年来受到广泛关注。作为电源，频繁的载荷变化不可避免，而现阶段的燃料电池在频繁变载时较容易出现诸如水淹、干膜等系统故障，长期处于这种故障中将会对燃料电池的服役时间产生严重影响。因此对燃料电池的在线监测变得尤为重要，在众多在线测试方法中，电化学阻抗谱法以其非侵入、反映信息全面的优点脱颖而出。不同于非电源体系的利用电压激励的阻抗谱测量方式，燃料电池这类电源的电化学阻抗谱测量需要利用激励电流来获取测量结果，而激励电流通常是在测试时通过经验得到的。一般的，对于电化学阻抗，电压变化的幅值一般需要控制在10mVpp左右，当电压幅值太高时，被测体系会易于脱离现有的状态，违背非侵入测量的要求；当电压幅值太小时，常常会逼近检测系统的测量精度，从而降低电化学阻抗谱的测试精度，因此对于燃料电池而言选择一个较为合适的激励电流幅值尤为重要。但是，燃料电池在不同的工况下同样的激励电流得到电压响应幅值是不同的，因此激励电流幅值的选择较为困难。
现有的专利中CN 115144762 A和CN 114264881 A，仅利用一对高频和低频值来反映燃料电池的工作状态，失去了电化学阻抗谱信息丰富的优点；CN 109459465A和CN105449241B使用其他波形的激励源来得到电化学阻抗谱，数据处理较为困难，需要占用一定的计算资源。
发明内容
根据上述背景技术提到的技术问题，而提供一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法。本发明中利用高低频叠加的激励电流作为探针，利用其检测速度快、数据处理简单的优点快速判断测量电化学阻抗谱适宜的激励电流幅值，将响应电压控制在合理的范围内，增加燃料电池电化学阻抗谱的精准性。
本发明采用的技术手段如下：
一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，包括以下步骤：
在燃料电池运行时，实时通过负载向所述燃料电池施加高低频叠加的激励电流，获得其响应电压，并根据所述响应电压计算测量电化学阻抗所需的激励电流；当需要测量电化学阻抗时，将高低频叠加激励转换为电化学阻抗激励，与此同时通过电压巡检装置和电流检测装置分别采集电流信号和电压信号，将所述电流信号和电压信号分别通过相应的信号调理电路以及相应的模数转换单元；数据采集结束后，通过数据处理单元获取燃料电池的电化学阻抗谱。
进一步地，所述激励电流IHL通过公式确定：
Figure BDA0003965071830000021
其中，Ai表示；fh表示高频部分频率；t表示；
Figure BDA0003965071830000022
表示高频部分相位偏移；
Figure BDA0003965071830000023
表示低频部分相位偏移。
更进一步地，所述根据所述响应电压计算测量电化学阻抗所需的激励电流：
首先从数据库中的极化曲线获得激励幅值A0，将激励电流注入燃料电池中并获得燃料电池的响应电压U0，随后判断该响应电压是否在所需的响应电压Un范围内；若不在，则由所需响应电压范围Un的中值Un,mid按公式A1＝A0(Un,mid/U0)调节后重新获得激励幅值A1，随后继续判断由新的激励电流得到的响应电压U1是否在响应电压Un的范围内；反复迭代后，最终获得符合条件的激励幅值Af，得到高低频叠加的激励电流IHL；
其中，U0表示初始响应电压，Un表示所需的响应电压范围，A1表示经过调整以后的高低频叠加激励电流的幅值，Un,mid表示所需响应电压范围的中间值，Af表示经过调整的最终的高低频叠加激励电流幅值。
进一步地，所述电化学阻抗激励电流的波形是按照公式：
Figure BDA0003965071830000031
组成的多正弦叠加的波形，其中A根据Af以及公式A＝Af/n获得；其中IAC表示电化学阻抗激励电流，fi表示被叠加的第i个正弦波的频率值，
Figure BDA0003965071830000032
表示第i个正弦波的相位偏移值，n表示需要叠加的正弦波个数。
更进一步地，所述模数转换单元设置有两个模数转换器；所述模数转换器为同步采集，采样频率为10kHz-10MHz。
进一步地，所述数据处理单元，为对测量到的激励电流与电压进行傅里叶变换，得到各个频率下的复数域的电流值与电压值，随后将得到的复数域上的电压与复数电流相除从而得到各个频率对应的阻抗值，各频率得阻抗值连接即可得到电化学阻抗谱。
更进一步地，所述极化曲线在燃料电池调试时在不同的运行条件下测量的负载电流与燃料电池电压的曲线。
进一步地，在所述的极化曲线中找到当前的操作电流，以对应的电压点为中心找到以Un为宽度的电压上下限Un,h和Un,l，然后找到Un,h和Un,l对应的电流In,h和In,l，最后通过公式A0＝(In,l-In,h)/2获得A0。
更进一步地，所述响应电压对于单节燃料电池而言Un的取值范围为3-20mV；对于多节燃料电池组成的燃料电池电堆的所需响应电压根据公式Un,s＝NUn获得；其中，Un,s表示燃料电池电堆所需的相应电压，N表示燃料电池电堆的总节数。
进一步地，所述电化学阻抗中有待变的频率为二者选值，其中高频频率fh取值范围为500-30kHz，低频频率fl的取值范围为5-100Hz。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
有别于常规的使用经验值计算电化学阻抗激励电流的方式，本发明利用高低频叠加的激励电流作为探针，在燃料电池运行时实时计算电化学阻抗激励电流幅值。
本发明使电化学阻抗谱的整个测试过程有据可循，确保电化学阻抗谱所需的激励电流幅值在适当的范围内，避免激励电流幅值过大而造成的燃料电池状态偏离原检测点的，也避免了激励幅值过小而造成的因燃料电池响应微弱引发的电化学阻抗谱精度不足的问题。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明的测量燃料电池动力系统电化学阻抗谱的测试系统示意图。
图2为本发明中高低频叠加电流激励的获得流程图。
图3为本发明中高低频叠加电流激励幅值的获得原理图。
图1中，101为被测燃料电池或者燃料电池电堆，102为电压巡检装置，103为电压信号的信号调理电路，104为电压信号的模数转换单元，105为电流信号的信号调理电路，106为电流信号的模数转换单元，107为电流检测转置，108为燃料电池的负载，109为数据处理单元，110为高低频叠加激励电流，111为高低频叠加激励电流的响应电压，112为电化学阻抗激励电流，113为计算获得的电化学阻抗谱。
图2中，201为高低频叠加激励电流幅值的获取步骤，202为高低频叠加激励电流的获取步骤，203为高低频叠加激励电流幅值的验证步骤，204为高低频叠加激励电流的调节步骤，205为高低频叠加激励电流调节步骤，206为高低频叠加激励电流幅值的确定步骤，207为电化学阻抗激励电流的计算步骤。
图3中，301为数据库中的当前操作条件下的极化曲线数据，302为当前的操作电流点。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1-3所示，本发明提供了在提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，包括以下步骤：
在燃料电池运行时，实时通过负载向所述燃料电池施加高低频叠加的激励电流，获得其响应电压，并根据所述响应电压计算测量电化学阻抗所需的激励电流；当需要测量电化学阻抗时，将高低频叠加激励转换为电化学阻抗激励，与此同时通过电压巡检装置和电流检测装置分别采集电流信号和电压信号，将所述电流信号和电压信号分别通过相应的信号调理电路以及相应的模数转换单元；数据采集结束后，通过数据处理单元获取燃料电池的电化学阻抗谱。
作为一种优选的实施方式，所述激励电流IHL通过公式确定：
Figure BDA0003965071830000051
其中，Ai表示；fh表示高频部分频率；t表示；
Figure BDA0003965071830000052
表示高频部分相位偏移；
Figure BDA0003965071830000053
表示低频部分相位偏移。
优选地，所述根据所述响应电压计算测量电化学阻抗所需的激励电流：
首先从数据库中的极化曲线获得激励幅值A0，将激励电流注入燃料电池中并获得燃料电池的响应电压U0，随后判断该响应电压是否在所需的响应电压Un范围内；若不在，则由所需响应电压范围Un的中值Un,mid按公式A1＝A0(Un,mid/U0)调节后重新获得激励幅值A1，随后继续判断由新的激励电流得到的响应电压U1是否在响应电压Un的范围内；反复迭代后，最终获得符合条件的激励幅值Af，得到高低频叠加的激励电流IHL；
其中，U0表示初始响应电压，Un表示所需的响应电压范围，A1表示经过调整以后的高低频叠加激励电流的幅值，Un,mid表示所需响应电压范围的中间值，Af表示经过调整的最终的高低频叠加激励电流幅值。
作为优选的实施方式，所述电化学阻抗激励电流的波形是按照公式：
Figure BDA0003965071830000061
组成的多正弦叠加的波形，其中A根据Af以及公式A＝Af/n获得；其中IAC表示电化学阻抗激励电流，fi表示被叠加的第i个正弦波的频率值，
Figure BDA0003965071830000062
表示第i个正弦波的相位偏移值，n表示需要叠加的正弦波个数。
作为优选的实施方式，所述模数转换单元设置有两个模数转换器；所述模数转换器为同步采集，采样频率为10kHz-10MHz。
作为优选的实施方式，所述数据处理单元，为对测量到的激励电流与电压进行傅里叶变换，得到各个频率下的复数域的电流值与电压值，随后将得到的复数域上的电压与复数电流相除从而得到各个频率对应的阻抗值，各频率得阻抗值连接即可得到电化学阻抗谱。
作为优选的实施方式，所述极化曲线在燃料电池调试时在不同的运行条件下测量的负载电流与燃料电池电压的曲线。
作为优选的实施方式，在所述的极化曲线中找到当前的操作电流，以对应的电压点为中心找到以Un为宽度的电压上下限Un,h和Un,l，然后找到Un,h和Un,l对应的电流In,h和In,l，最后通过公式A0＝(In,l-In,h)/2获得A0。
优选地，所述响应电压对于单节燃料电池而言Un的取值范围为3-20mV；对于多节燃料电池组成的燃料电池电堆的所需响应电压根据公式Un,s＝NUn获得；其中，Un,s表示燃料电池电堆所需的相应电压，N表示燃料电池电堆的总节数。
优选地，在本申请中，所述电化学阻抗中有待变的频率为二者选值，其中高频频率fh取值范围为500-30kHz，低频频率fl的取值范围为5-100Hz。作为优选的实施方式，在本申请中，燃料电池可以是单节的燃料电池，也可以时多节串联组成的燃料电池电堆。
实施例1
本发明通过在测试电化学阻抗谱之前加入高低频叠加激励，其响应电压和激励幅值作为而后确定电化学阻抗激励幅值的重要依据，增加电化学阻抗谱的精准度。
针对额定电流300A的100节燃料电池电堆，测试负载电流为100A时的电堆电化学阻抗和第20节子电池的电化学阻抗，此时在数据库中当前负载电流的对应电压为75V。根据权利要求8，所需响应电压Un的为3-20mV，本实施例中选择响应电压范围为8-15mV，因此对应的Un,s为0.8-1.5V。
确定高低频叠加激励电流幅值的初始值A0。根据权利要求7，所需响应电压的中间点位为75V，电压上下限Un,h和Un,l分别为74.65V和75.35V，在数据库中二者对应对的In,h和In,l分别为96A和101.5A，因此初始的高低频叠加激励电流的幅值为2.75A。
确定高低频叠加的激励电流的高频部分与低频部分，本实施例中选取高频频率为1k Hz，低频频率为50Hz，并选取其相位频移为零。即可得到初始的高低频叠加激励电流的波形IHL＝2.75[sin(2000πt)+sin(100πt)]。
将初始的高低频叠加激励电流激励注入燃料电池电堆101中，通过电压巡检装置102、电压信号调理电路103、电压信号模电转换单元104获取当前激励的响应电压U0＝1V，在预定的电压响应范围内，因此A0＝Af＝2.75A。
根据权利要求8确定所需的电化学阻抗激励电流，本实施例中将向燃料电池电堆注入30个正弦信号叠加的激励信号，根据公式可得，激励电流信号的波形为
Figure BDA0003965071830000071
当需要测量电化学阻抗谱时，先将巡检装置102调节并保持在燃料电池电堆总电压的测量上，并撤去高低频叠加激励电流IHL更换为电化学阻抗激励电流IAC。电压巡检装置102与电流检测装置107将电压和电流信号相继传递给各自的信号调理电路103、105以及模数转换单元104106最终进入数据处理单元109。
本实施例中数模转换单元的采集频率为20k Hz。
对测量到的激励电流与电堆电压进行傅里叶变换，得到各个频率下的复数域的电流值与电压值，随后将得到的复数域上的电压与复数电流相除从而得到各个频率对应的阻抗值，各频率得阻抗值连接即可得到电化学阻抗谱113。调节电压巡检装置至需要测量的20节电压上，并保持检测，按上述步骤获取第20节的电化学阻抗谱。
测试完成后，将电压巡检装置调节至正常状态，将负载上的电化学阻抗激励电流变更为高低频叠加激励电流，保持Af的实时更新。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在燃料电池运行时，实时通过负载向所述燃料电池施加高低频叠加的激励电流，获得其响应电压，并根据所述响应电压计算测量电化学阻抗所需的激励电流；当需要测量电化学阻抗时，将高低频叠加激励转换为电化学阻抗激励，与此同时通过电压巡检装置和电流检测装置分别采集电流信号和电压信号，将所述电流模拟信号和电压模拟信号分别通过相应的信号调理电路以及相应的模数转换单元后采集电压和电流的数字信号数据；数据采集结束后，通过数据处理单元获取燃料电池的电化学阻抗谱。
2.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，其特征在于，
所述激励电流IHL通过公式确定：
Figure QLYQS_1
其中，Af表示高低频叠加激励的幅值；fh表示高频部分频率；t表示；
Figure QLYQS_2
表示高频部分相位偏移；
Figure QLYQS_3
表示低频部分相位偏移。
3.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，其特征在于，所述根据所述响应电压计算测量电化学阻抗所需的激励电流：
首先从数据库中的极化曲线获得激励幅值A0，将激励电流注入燃料电池中并获得燃料电池的响应电压U0，随后判断该响应电压是否在所需的响应电压Un范围内；若不在，则由所需响应电压范围Un的中值Un,mid按公式A1＝A0(Un,mid/U0)调节后重新获得激励幅值A1，随后继续判断由新的激励电流得到的响应电压U1是否在响应电压Un的范围内；反复迭代后，最终获得响应电压在所需响应电压范围的激励幅值Af，得到高低频叠加的激励电流IHL；
其中，U0表示初始响应电压，Un表示所需的响应电压范围，A1表示经过调整以后的高低频叠加激励电流的幅值，Un,mid表示所需响应电压范围的中间值，Af表示经过调整的最终的高低频叠加激励电流幅值。
4.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，其特征在于，
所述电化学阻抗激励电流的波形是按照公式：
Figure QLYQS_4
组成的多正弦叠加的波形，其中A根据Af以及公式A＝Af/n获得；其中IAC表示电化学阻抗激励电流，fi表示被叠加的第i个正弦波的频率值，
Figure QLYQS_5
表示第i个正弦波的相位偏移值，n表示需要叠加的正弦波个数。
5.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，其特征在于，所述模数转换单元设置有两个模数转换器；所述模数转换器为同步采集，采样频率为10kHz-10MHz。
6.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，其特征在于，所述数据处理单元，为对测量到的激励电流与电压进行傅里叶变换，得到各个频率下的复数域的电流值与电压值，随后将得到的复数域上的电压与复数电流相除从而得到各个频率对应的阻抗值，各频率得阻抗值连接即可得到电化学阻抗谱。
7.根据权利要求3所述的一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，其特征在于，所述极化曲线在燃料电池调试时在不同的运行条件下测量的负载电流与燃料电池电压的曲线。
8.根据权利要求3所述的一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，其特征在于，
在所述的极化曲线中找到当前的操作电流，以对应的电压点为中心找到以Un为宽度的电压上下限Un,h和Un,l，然后找到Un,h和Un,l对应的电流In,h和In,l，最后通过公式A0＝(In,l-In,h)/2获得A0。
9.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，其特征在于，
所述响应电压对于单节燃料电池而言Un的取值范围为3-20mV；对于多节燃料电池组成的燃料电池电堆的所需响应电压根据公式Un,s＝NUn获得；其中，Un,s表示燃料电池电堆所需的相应电压，N表示燃料电池电堆的总节数。
10.根据权利要求1或3所述的一种提高燃料电池电化学阻抗在线测试准确度的方法，其特征在于，所述电化学阻抗中有待变的频率为二者选值，其中高频频率fh取值范围为500-30kHz，低频频率fl的取值范围为5-100Hz。
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