CN116256657A - 一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法 - Google Patents
一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116256657A CN116256657A CN202310486852.5A CN202310486852A CN116256657A CN 116256657 A CN116256657 A CN 116256657A CN 202310486852 A CN202310486852 A CN 202310486852A CN 116256657 A CN116256657 A CN 116256657A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fuel cell
- impedance
- vehicle
- equivalent circuit
- sine wave
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 196
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 47
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 19
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 17
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 claims description 16
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 15
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 8
- 230000036541 health Effects 0.000 claims description 6
- 238000010845 search algorithm Methods 0.000 claims description 6
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000013329 compounding Methods 0.000 claims description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 12
- 230000006870 function Effects 0.000 description 10
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 8
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 7
- 108010076504 Protein Sorting Signals Proteins 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000009191 jumping Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000007418 data mining Methods 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000001566 impedance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
- G01R31/389—Measuring internal impedance, internal conductance or related variables
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
- G01R31/378—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC] specially adapted for the type of battery or accumulator
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明公开了一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法，涉及燃料电池检测领域，该系统包括：阻抗测算组；所述阻抗测算组包括：交流激励单元、电流传感器以及阻抗巡检单元；交流激励单元用于向燃料电池电堆施加多频复合正弦波激励信号；电流传感器设置在所述燃料电池电堆的输出干路上，用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电流；阻抗巡检单元用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压，并根据所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗，基于计算得到的燃料电池阻抗对预先构建的燃料电池等效电路模型的参数进行辨识。本发明提出的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统体积小，经济性好，适合于车载燃料电池系统。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池检测技术领域，特别涉及一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法。
背景技术
近些年来，能源危机和环境污染问题日益严重，世界各国开始广泛关注和研究可再生能源，在诸多可再生能源中，氢能作为一种清洁的二次能源，被视为未来最有可能替代传统化石燃料的能源之一。燃料电池作为氢能的载体因其高效、无污染的优势受到广泛关注。然而，燃料电池仍然存在可靠性不足和耐久性差等问题，尤其是在一些较为复杂的应用场景中，可能会有多种故障产生。这些故障不仅降低了电池的性能，也会大大缩短其使用寿命。因此，对燃料电池进行实时状态监测和操作条件调整以保障燃料电池安全平稳运行、提高燃料电池使用寿命至关重要。
由于燃料电池的结构特性，其内部参数很难进行直接测量，仅仅依靠单电池电压以及电堆端口的温度、湿度、压力、流量等指标进行状态监测和故障诊断，存在较大的难度。燃料电池的阻抗可以作为间接反映燃料电池内部各项参数变化的标志，特别是燃料电池在不同激励频率下的在线阻抗谱数据，能提供关于燃料电池状态的大量信息。通过阻抗谱对燃料电池等效电路模型参数进行辨识，并利用模型参数机理解释燃料电池电化学行为，可进行更加准确的燃料电池故障诊断。然而，基于电化学阻抗谱的故障诊断技术目前为止主要还是应用在科研工作中，并没有在车载燃料电池系统上被广泛使用，主要是因为存在以下三方面的不足：一是传统的电化学阻抗谱测量方法所需时间很长，往往需要几分钟甚至十几分钟；二是目前阻抗谱测量多使用专用仪器设备实现，其体积较大，价格昂贵，且精密易损，难以集成在车载燃料电池系统中；三是现有的阻抗数据诊断分析方法多依赖于上位机软件实现，缺乏对阻抗数据的在线诊断分析方法，无法满足车载应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法，用以解决现有技术中燃料电池阻抗测量系统计算时间长、体积大以及无法满足车载应用的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，包括：阻抗测算组；所述阻抗测算组包括：
交流激励单元，用于向燃料电池电堆施加多频复合正弦波激励信号；所述多频复合正弦波激励信号是将不同频率的正弦波信号进行相位优化合成得到的；
电流传感器，设置在所述燃料电池电堆的输出干路上，用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电流；
阻抗巡检单元，分别与所述燃料电池电堆和所述电流传感器连接，用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压，并根据所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗，基于计算得到的燃料电池阻抗对预先构建的燃料电池等效电路模型的参数进行辨识；参数辨识后的燃料电池等效电路模型用于拟合燃料电池阻抗。
可选地，还包括与所述阻抗测算组无线通信的云计算平台；所述云计算平台用于接收和存储所述燃料电池等效电路模型的参数以及拟合的燃料电池阻抗；并基于拟合的燃料电池阻抗，采用聚类算法进行燃料电池健康状态评估和故障诊断。
可选地，所述交流激励单元包括：
Flash存储器，用于存储多频复合正弦波激励信号；
正弦脉宽调制单元，与所述Flash存储器连接，用于控制所述多频复合正弦波激励信号的输出；
全桥拓扑电路，与所述正弦脉宽调制单元，用于将输出后的多频复合正弦波激励信号施加到所述燃料电池电堆上。
可选地，所述阻抗巡检单元包括：
继电器开关，与所述燃料电池电堆连接，用于选择巡检通道，采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压；
第一差动放大器，与所述继电器开关的输出端连接，用于消除共模电压；
第二差动放大器，与所述电流传感器的输出端连接，用于消除共模电流；
模数转换器，分别与所述第一差动放大器的输出端和所述第二差动放大器的输出端连接，用于将模拟信号转换为数字信号；
数字信号处理器，与所述模数转换器的输出端连接，用于根据转换后的输出电压和输出电流计算燃料电池阻抗，并基于计算得到的燃料电池阻抗对预先构建的燃料电池等效电路模型的参数进行辨识。
本发明还提供了一种车载燃料电池交流阻抗在线测量方法，所述方法应用于上述的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，所述方法包括：
将不同频率的正弦波信号合成并进行相位优化，得到多频复合正弦波激励信号；
构建燃料电池等效电路模型；
将所述多频复合正弦波激励信号施加到燃料电池电堆，并采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压和输出电流；
基于所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗；
基于计算的燃料电池阻抗对所述燃料电池等效电路模型的参数进行辨识；
通过参数辨识后的燃料电池等效电路模型拟合燃料电池阻抗。
可选地，在通过参数辨识后的燃料电池等效电路模型拟合燃料电池阻抗之后，还包括：
存储所述燃料电池等效电路模型的参数以及拟合的燃料电池阻抗；并基于拟合的燃料电池阻抗，采用聚类算法进行燃料电池健康状态评估和故障诊断。
可选地，将不同频率的正弦波信号合成并进行相位优化，得到多频复合正弦波激励信号，具体包括：
对不同频率的正弦波信号进行复合；
对复合后的正弦波信号，通过全局搜索算法进行迭代优化初始相位，确定使峰值因子CF最小的各个频率点的相位值为最终优化后的相位值。
可选地，所述燃料电池等效电路模型为二阶RC模型，由一个欧姆电阻与两个RC环节串联组成。
可选地，基于所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗，具体包括：
通过正交型数字锁相放大器对所述输出电压和所述输出电流分别进行实时计算，将时域信号转换为频域信号，得到不同频率下所述输出电流对应的电流幅值和电流相位及所述输出电压对应的电压幅值和电压相位；
基于所述电流幅值、所述电流相位、所述电压幅值和所述电压相位计算出不同频率下燃料电池阻抗。
可选地，基于计算的燃料电池阻抗对所述燃料电池等效电路模型的参数进行辨识，具体包括：
基于计算的燃料电池阻抗，通过阻抗谱曲线的圆弧特征计算所述燃料电池等效电路模型的参数初值；
基于所述参数初值，使用Nelder-Mead单纯形算法对所述燃料电池等效电路模型的参数进行辨识。
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：
(1)本发明提出的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，其阻抗测算组采用交流激励单元而无需利用DC/DC进行激励，体积小，经济性好，适合于车载燃料电池系统；内部存储器存储有预先设计好的多频复合正弦波激励信号，无需外部控制即可实现激励电流的注入，操作简便。
(2)本发明提出的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，使用多频复合正弦波激励信号能够自由调节各单频分量的频率分布，对激励硬件的要求更低，阻抗谱测量耗时更少，还保证每次测量到的不同频率下的阻抗数据都是同一时刻的。
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为本发明实施例一提供的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的车载燃料电池交流阻抗在线测量方法的流程图。
图3为本发明实施例二提供的车载燃料电池交流阻抗在线测量方法的完整流程图。
图4为阻抗谱曲线的圆弧特征等效电路模型参数初值对应关系示意图；
图5为合成复合正弦波信号的相位优化结果示意图；
图6为燃料电池等效电路模型参数辨识拟合结果示意图。
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。
本发明的目的是提供一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法，用以解决现有技术中燃料电池阻抗测量系统计算时间长、体积大以及无法满足车载应用的问题。
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。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统包括阻抗测算组和云计算平台。所述阻抗测算组包括交流激励单元、电流传感器和阻抗巡检单元。
进一步地，交流激励单元用于向燃料电池电堆施加多频复合正弦波激励信号；所述多频复合正弦波激励信号是将不同频率的正弦波信号进行相位优化合成得到的。
交流激励单元无需外部DC/DC即可实现交流激励注入，采用全桥拓扑电路，通过正弦脉宽调制(SPWM)来调节开关管的开启时间，实现多频复合正弦波激励信号的输出，其内部具有Flash存储器用于存储合成的优化多频复合正弦波激励信号。
进一步地，电流传感器设置在所述燃料电池电堆的输出干路上，用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电流。
进一步地，阻抗巡检单元分别与所述燃料电池电堆和所述电流传感器连接，用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压，并根据所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗，基于计算得到的燃料电池阻抗对预先构建的燃料电池等效电路模型的参数进行辨识；参数辨识后的燃料电池等效电路模型用于拟合燃料电池阻抗。
阻抗巡检单元包含用于巡检通道选择的继电器开关，用于消除共模电压和电流的差动放大器，用于将模拟信号处理为数字信号的模数转换器和用于控制器整体逻辑控制、燃料电池阻抗计算、燃料电池等效电路模型参数辨识以及外部通信功能的数字信号处理器。
进一步地，所述云计算平台通过无线传输实时接收来自阻抗巡检单元的等效电路模型参数以及拟合的燃料电池阻抗。云计算平台包含无线通讯模块与阻抗巡检单元进行无线通信、数据预处理模块对接收到的阻抗巡检单元计算结果进行数据预处理并监测异常情况、数据库存储预处理后的阻抗巡检单元计算结果、数据平台可以通过聚类算法等进行燃料电池健康管理和故障诊断，并开放算法部署接口，提供数据挖掘和运用的可视化操作平台。
与现有技术相比，本发明提出的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，其阻抗测算组采用交流激励单元而无需利用DC/DC进行激励，体积小，经济性好，适合于车载燃料电池系统，内部存储器存储有预先设计好的优化复合正弦波形，无需外部控制即可实现激励电流的注入，操作简便；阻抗测算组的阻抗巡检单元，可以测量燃料电池单片电池或整个电堆的阻抗以应对不同的测量需求，并可以基于阻抗数据实时在线进行燃料电池等效电路模型参数辨识；其云计算平台可以进行燃料电池健康状态评估和故障诊断，并可拓展更多功能。
实施例二
为了执行上述实施例一对应的系统，以实现相应的功能和技术效果，下面提供了一种车载燃料电池交流阻抗在线测量方法，该方法包括设定和测量步骤，如图2-3具体过程如下：
设定步骤：
S1：将不同频率的正弦波信号合成并进行相位优化，得到多频复合正弦波激励信号。
合成多频复合正弦波激励信号的单一正弦波的幅值是燃料电池输出直流电流的5％～10％，相位优化是以峰值因子最小化为优化目标，通过全局搜索算法进行迭代以避免峰值的叠加。包括以下步骤：
S11：将需要复合的正弦波信号的频率fk、初始相位
和幅值ak输入计算机，其中k＝1,…,K，K为需要复合的正弦波信号的个数。本实施例以直流电流100A的情况为例将合成多频复合正弦波电流激励信号的单一正弦波的幅值ak定为燃料电池输出直流电流的10％，确定需要复合的正弦波信号的频率fk＝[2,4,8,20,40,80,100,250,500,1250,2000]、初始相位φk 0为0，k＝1,…,K，K＝11。
S12：复合后的初始波形表达式为
将连续时间t进行离散后得到/>
N为离散采样率，N＝20000；离散采样率N不小于最高频率fk的64倍。
S13：通过全局搜索算法进行迭代优化初始相位，确定使峰值因子CF最小的各个频率点的相位值
即为最终优化后的相位值。全局搜索算法可以是遗传算法。峰值因子CF的计算公式为：
其中，
i＝0,1,…,X，X为迭代总次数。
图5(a)为在MATLAB中通过遗传算法优化后的时域复合正弦波形，图5(b)为优化前的波形，峰值因子由3.519降低为2.513，可以看出，优化后的波形峰值明显降低。
S2：构建燃料电池等效电路模型。
燃料电池等效电路模型为二阶RC模型，由一个欧姆电阻R0与两个RC环节串联组成，其阻抗表达式为：
其中，虚部为：
实部为：
测量步骤：
S3：将所述多频复合正弦波激励信号施加到燃料电池电堆，并采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压和输出电流。
S4：基于所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗。
输出电压和所述输出电流的采样频率为fs，总采样点数为M，M个点采样得到的是完整周期。根据原始激励信号频率对采样频率进行划分，原始信号频率不小于80Hz的信号对应采样频率为fs1＝20kHz，原始信号频率小于80Hz的信号对应采样频率为fs2＝200Hz，总采样点数M为2000，划分的目的一是为了保证采样定理fs≥2fk，实际情况下fs一般应大于4倍fk；二是为了采样的周期数足够多，并且采样得到的是完整周期，以保证后续的计算精度。采集到的电压信号序列经过滤波后为U(m)，电流信号序列经过滤波后为I(m)，m＝0,…,M-1，燃料电池阻抗的具体计算步骤如下：
S41：通过正交型数字锁相放大器对采集到的电流信号和电压信号分别进行实时计算，将时域信号转换为频域信号，得到不同频率下电流对应的幅值和相位及电压对应的幅值和相位。
正交型数字锁相放大器具体计算步骤如下：
S411：对不同频率的正弦波分别生成同相参考信号：
对不同频率的正弦波分别生成正交参考信号：
并存储在阻抗巡检单元内部Flash存储器。
S412：对电压信号序列和不同频率的同相参考信号的离散序列分别做互相关运算，计算公式为：
对电流信号序列和不同频率的同相参考信号的离散序列分别做互相关运算，计算公式为：
S413：对电压信号序列和不同频率的正交参考信号的离散序列分别做互相关运算，计算公式为：
对电流信号序列和不同频率的正交参考信号的离散序列分别做互相关运算，计算公式为：
S414：计算出不同频率下燃料电池电压响应的幅值为：
相位差为：
计算出不同频率下燃料电池电流响应的幅值为：
相位差为：
S42：计算出不同频率下燃料电池的阻抗并拟合成阻抗谱曲线。
燃料电池在不同频率下的阻抗的计算公式为：
S5：基于计算的燃料电池阻抗对所述燃料电池等效电路模型的参数进行辨识。
S51：通过计算的燃料电池阻抗进行三次样条拟合绘制成阻抗谱曲线，通过曲线的圆弧特征实时计算出等效电路模型参数初值。
初值的选取直接影响后续参数辨识算法的结果，初值选取不适当则算法容易陷入局部最优解。阻抗谱曲线的圆弧特征与步骤S2中确定的等效电路模型参数初值之间的关系如图4所示，图中点1为高频阻抗与实轴的交点，对应于欧姆阻抗R0 0，点2为阻抗谱高频弧右侧与实轴的交点，对应于R0 0+R1 0，点3为阻抗谱低频弧与实轴的交点，对应于R0 0+R1 0+R2 0，点4为高频弧最高点，其对应频率为ω1，则C1 0＝1/ω1R1 0，点5为低频弧最高点，其对应频率为ω2，则C2 0＝1/ω2R2 0。
S52：基于上一步骤S51确定的初值，使用Nelder-Mead单纯形算法实时进行等效电路模型参数辨识，使得步骤S2确定的等效电路模型的阻抗能够拟合实测得的阻抗数据。
Nelder-Mead单纯形算法是一种用于多维无约束最小化的直接搜索方法，最小化目标函数为：
式中Fr与Fi为误差权重，Zkreal和Zkimag分别为阻抗测量值的实部和虚部，Zkreal'和Zkimag'分别为步骤S2中确定的等效电路模型的阻抗估计值的实部和虚部。
具体计算步骤如下：
S521：构造初始单纯形，由于共有5个待辨识参数，故初始单纯形由5维空间中的6个点
构成，且满足：
其中
为5维空间中的一组单位向量，是空间/>
的标准基，系数λi为正数，可按照优化问题规模确定其大小，本实施例中λi为1.6。
S522：对6个点计算目标函数值
并按照目标函数值S由小到大的顺序进行排序：
则最差点为
扣除/>
后计算剩下5个点的重心/>
计算公式如下：
S523：利用反射系数ρ>0在
方向上对最差点/>
进行反射，得到反射点/>
反射系数取ρ＝1，并计算反射点的目标函数值
S524：若
用/>
代替旧的/>
构成新的单纯形，完成本次反射操作，跳转执行步骤S529。
S445：若
在/>
方向进行延伸操作，得到延伸点/>
χ>1为延伸系数，取χ＝2，并计算延伸点的目标函数值
若/>
则用/>
代替旧的/>
构成新的单纯形，完成本次反射操作，跳转执行步骤S449；若/>
用/>
代替旧的/>
构成新的单纯形，完成本次反射操作，跳转执行步骤S529。
S526：若
进行外收缩，得到收缩点/>
0<γ<1为收缩系数，取γ＝0.5，计算收缩点的目标函数值
跳转执行步骤S528。
S527：若
进行内收缩，得到收缩点/>
0<γ<1为收缩系数，取γ＝0.5，计算收缩点的目标函数值
跳转执行步骤S528。
S528：若
用/>
代替旧的/>
构造新的单纯形，跳转执行S449；若
说明收缩失败，进行压缩操作，只保留/>
单纯形中其他各点与/>
的距离减半，构造新的单纯形：
σ＝0.5为压缩系数，跳转执行步骤S529。
S529：判断是否达到收敛条件，若满足：
则停止迭代，ε为收敛条件，取ε＝0.00001，输出
为最终参数辨识结果；否则继续迭代，执行步骤S522。
S6：通过参数辨识后的燃料电池等效电路模型拟合燃料电池阻抗。
停止迭代后，根据最终参数辨识结果
绘制出等效电路模型阻抗谱与原始燃料电池阻抗数据对比，结果如图6所示，可以看出，辨识出的等效电路模型参数对燃料电池阻抗有较好的拟合效果。
本发明提出的车载燃料电池交流阻抗在线测量方法使用多频复合正弦波作为激励信号减少了阻抗谱测量耗时并且保证每次测量到的不同频率下的阻抗数据都是同一时刻的，使用全局搜索算法优化了各频率分量正弦波信号的相位，降低了合成信号的峰值，减轻了燃料电池系统非线性的影响；使用正交型数字锁相放大器对采集到的电压电流信号进行时域到频域的处理节省计算资源，实现了车载在线应用；通过阻抗谱圆弧特征计算等效电路模型参数初值，再通过无需求导，易于计算的Nelder-Mead单纯形算法进行燃料电池等效电路模型参数辨识减少了计算难度，实现了车载在线应用。
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 (10)
1.一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，其特征在于，包括：阻抗测算组；所述阻抗测算组包括：
交流激励单元，用于向燃料电池电堆施加多频复合正弦波激励信号；所述多频复合正弦波激励信号是将不同频率的正弦波信号进行相位优化合成得到的；
电流传感器，设置在所述燃料电池电堆的输出干路上，用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电流；
阻抗巡检单元，分别与所述燃料电池电堆和所述电流传感器连接，用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压，并根据所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗，基于计算得到的燃料电池阻抗对预先构建的燃料电池等效电路模型的参数进行辨识；参数辨识后的燃料电池等效电路模型用于拟合燃料电池阻抗。
2.根据权利要求1所述的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，其特征在于，还包括与所述阻抗测算组无线通信的云计算平台；所述云计算平台用于接收和存储所述燃料电池等效电路模型的参数以及拟合的燃料电池阻抗；并基于拟合的燃料电池阻抗，采用聚类算法进行燃料电池健康状态评估和故障诊断。
3.根据权利要求1所述的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，其特征在于，所述交流激励单元包括：
Flash存储器，用于存储多频复合正弦波激励信号；
正弦脉宽调制单元，与所述Flash存储器连接，用于控制所述多频复合正弦波激励信号的输出；
全桥拓扑电路，与所述正弦脉宽调制单元，用于将输出后的多频复合正弦波激励信号施加到所述燃料电池电堆上。
4.根据权利要求1所述的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，其特征在于，所述阻抗巡检单元包括：
继电器开关，与所述燃料电池电堆连接，用于选择巡检通道，采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压；
第一差动放大器，与所述继电器开关的输出端连接，用于消除共模电压；
第二差动放大器，与所述电流传感器的输出端连接，用于消除共模电流；
模数转换器，分别与所述第一差动放大器的输出端和所述第二差动放大器的输出端连接，用于将模拟信号转换为数字信号；
数字信号处理器，与所述模数转换器的输出端连接，用于根据转换后的输出电压和输出电流计算燃料电池阻抗，并基于计算得到的燃料电池阻抗对预先构建的燃料电池等效电路模型的参数进行辨识。
5.一种车载燃料电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-4任一项所述的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，所述方法包括：
将不同频率的正弦波信号合成并进行相位优化，得到多频复合正弦波激励信号；
构建燃料电池等效电路模型；
将所述多频复合正弦波激励信号施加到燃料电池电堆，并采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压和输出电流；
基于所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗；
基于计算的燃料电池阻抗对所述燃料电池等效电路模型的参数进行辨识；
通过参数辨识后的燃料电池等效电路模型拟合燃料电池阻抗。
6.根据权利要求5所述的车载燃料电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，在通过参数辨识后的燃料电池等效电路模型拟合燃料电池阻抗之后，还包括：
存储所述燃料电池等效电路模型的参数以及拟合的燃料电池阻抗；并基于拟合的燃料电池阻抗，采用聚类算法进行燃料电池健康状态评估和故障诊断。
7.根据权利要求5所述的车载燃料电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，将不同频率的正弦波信号合成并进行相位优化，得到多频复合正弦波激励信号，具体包括：
对不同频率的正弦波信号进行复合；
对复合后的正弦波信号，通过全局搜索算法进行迭代优化初始相位，确定使峰值因子CF最小的各个频率点的相位值为最终优化后的相位值。
8.根据权利要求5所述的车载燃料电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，所述燃料电池等效电路模型为二阶RC模型，由一个欧姆电阻与两个RC环节串联组成。
9.根据权利要求5所述的车载燃料电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，基于所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗，具体包括：
通过正交型数字锁相放大器对所述输出电压和所述输出电流分别进行实时计算，将时域信号转换为频域信号，得到不同频率下所述输出电流对应的电流幅值和电流相位及所述输出电压对应的电压幅值和电压相位；
基于所述电流幅值、所述电流相位、所述电压幅值和所述电压相位计算出不同频率下燃料电池阻抗。
10.根据权利要求5所述的车载燃料电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，基于计算的燃料电池阻抗对所述燃料电池等效电路模型的参数进行辨识，具体包括：
基于计算的燃料电池阻抗，通过阻抗谱曲线的圆弧特征计算所述燃料电池等效电路模型的参数初值；
基于所述参数初值，使用Nelder-Mead单纯形算法对所述燃料电池等效电路模型的参数进行辨识。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310486852.5A CN116256657B (zh) | 2023-05-04 | 2023-05-04 | 一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310486852.5A CN116256657B (zh) | 2023-05-04 | 2023-05-04 | 一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116256657A true CN116256657A (zh) | 2023-06-13 |
| CN116256657B CN116256657B (zh) | 2024-04-12 |
Family
ID=86679654
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310486852.5A Active CN116256657B (zh) | 2023-05-04 | 2023-05-04 | 一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116256657B (zh) |
Citations (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4827515A (en) * | 1987-08-26 | 1989-05-02 | Deutsche Itt Industries Gmbh | Digital demodulator |
| CN1577930A (zh) * | 2003-07-24 | 2005-02-09 | 松下电器产业株式会社 | 燃料电池系统、燃料电池运行方法、程序以及记录介质 |
| US20140188414A1 (en) * | 2012-12-27 | 2014-07-03 | Kangnam University Industry-Academia Cooperation Foundation | Method and system for measuring impedance for diagnosis of fuel cell stack |
| CN105008948A (zh) * | 2013-11-14 | 2015-10-28 | 崇实大学校产学协力团 | 用于燃料电池的电力转换设备以及用于控制该电力转换设备的方法 |
| CN105572475A (zh) * | 2015-12-14 | 2016-05-11 | 湖北工业大学 | 一种高阻抗测量电路与信号处理方法 |
| WO2016146971A1 (en) * | 2015-03-16 | 2016-09-22 | Imperial Innovations Limited | Condition monitoring of a fuel cell stack |
| CN106597109A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-04-26 | 同济大学 | 一种电池交流阻抗的测量电路及测量方法 |
| US20180203073A1 (en) * | 2015-07-09 | 2018-07-19 | Lithium Balance A/S | System for providing an excitation signal to an electrochemical system and method therefor |
| CN109726452A (zh) * | 2018-12-12 | 2019-05-07 | 浙江大学 | 一种基于阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法 |
| CN110263482A (zh) * | 2019-07-01 | 2019-09-20 | 贵州省计量测试院 | 一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法及装置 |
| CN111474489A (zh) * | 2020-04-13 | 2020-07-31 | 上海捷氢科技有限公司 | 一种燃料电池电堆交流阻抗测试方法和装置 |
| CN112285587A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-01-29 | 同济大学 | 一种在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置及测量方法 |
| CN112415413A (zh) * | 2020-11-05 | 2021-02-26 | 上海捷氢科技有限公司 | 一种燃料电池的诊断方法和诊断系统 |
| CN112448004A (zh) * | 2019-09-04 | 2021-03-05 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池系统及其控制方法 |
| CN112838248A (zh) * | 2021-03-11 | 2021-05-25 | 吉林大学 | 燃料电池组电流、电压和阻抗测量装置 |
| CN214201716U (zh) * | 2020-11-11 | 2021-09-14 | 同济大学 | 一种在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置 |
| CN114199947A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-18 | 中山大学 | 一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统及测量方法 |
| CN114725438A (zh) * | 2021-01-05 | 2022-07-08 | 广州汽车集团股份有限公司 | 一种燃料电池水管理方法及系统 |
| CN114976114A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-08-30 | 上海氢晨新能源科技有限公司 | 一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统和方法 |
| CN115032553A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-09-09 | 上海氢晨新能源科技有限公司 | 一种车载燃料电池在线诊断方法和系统 |
| CN115882013A (zh) * | 2022-12-28 | 2023-03-31 | 上海捷氢科技股份有限公司 | 车用燃料电池的优化控制方法、装置、电子设备和介质 |
-
2023
- 2023-05-04 CN CN202310486852.5A patent/CN116256657B/zh active Active
Patent Citations (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4827515A (en) * | 1987-08-26 | 1989-05-02 | Deutsche Itt Industries Gmbh | Digital demodulator |
| CN1577930A (zh) * | 2003-07-24 | 2005-02-09 | 松下电器产业株式会社 | 燃料电池系统、燃料电池运行方法、程序以及记录介质 |
| US20140188414A1 (en) * | 2012-12-27 | 2014-07-03 | Kangnam University Industry-Academia Cooperation Foundation | Method and system for measuring impedance for diagnosis of fuel cell stack |
| CN105008948A (zh) * | 2013-11-14 | 2015-10-28 | 崇实大学校产学协力团 | 用于燃料电池的电力转换设备以及用于控制该电力转换设备的方法 |
| WO2016146971A1 (en) * | 2015-03-16 | 2016-09-22 | Imperial Innovations Limited | Condition monitoring of a fuel cell stack |
| US20180203073A1 (en) * | 2015-07-09 | 2018-07-19 | Lithium Balance A/S | System for providing an excitation signal to an electrochemical system and method therefor |
| CN105572475A (zh) * | 2015-12-14 | 2016-05-11 | 湖北工业大学 | 一种高阻抗测量电路与信号处理方法 |
| CN106597109A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-04-26 | 同济大学 | 一种电池交流阻抗的测量电路及测量方法 |
| CN109726452A (zh) * | 2018-12-12 | 2019-05-07 | 浙江大学 | 一种基于阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法 |
| CN110263482A (zh) * | 2019-07-01 | 2019-09-20 | 贵州省计量测试院 | 一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法及装置 |
| CN112448004A (zh) * | 2019-09-04 | 2021-03-05 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池系统及其控制方法 |
| CN111474489A (zh) * | 2020-04-13 | 2020-07-31 | 上海捷氢科技有限公司 | 一种燃料电池电堆交流阻抗测试方法和装置 |
| CN112415413A (zh) * | 2020-11-05 | 2021-02-26 | 上海捷氢科技有限公司 | 一种燃料电池的诊断方法和诊断系统 |
| CN112285587A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-01-29 | 同济大学 | 一种在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置及测量方法 |
| CN214201716U (zh) * | 2020-11-11 | 2021-09-14 | 同济大学 | 一种在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置 |
| CN114725438A (zh) * | 2021-01-05 | 2022-07-08 | 广州汽车集团股份有限公司 | 一种燃料电池水管理方法及系统 |
| CN112838248A (zh) * | 2021-03-11 | 2021-05-25 | 吉林大学 | 燃料电池组电流、电压和阻抗测量装置 |
| CN114199947A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-18 | 中山大学 | 一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统及测量方法 |
| CN114976114A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-08-30 | 上海氢晨新能源科技有限公司 | 一种大功率燃料电池交流阻抗测试系统和方法 |
| CN115032553A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-09-09 | 上海氢晨新能源科技有限公司 | 一种车载燃料电池在线诊断方法和系统 |
| CN115882013A (zh) * | 2022-12-28 | 2023-03-31 | 上海捷氢科技股份有限公司 | 车用燃料电池的优化控制方法、装置、电子设备和介质 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 周雅夫 等: "基于改进多频正弦激励的燃料电池电化学阻抗谱测量", 《科学技术与工程》, pages 9679 - 9685 * |
| 杨万福: "锂离子动力电池内阻检测研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》, 15 May 2019 (2019-05-15), pages 042 - 11200 * |
| 蒋璐 等: "基于Nelder-Mead 优化的PEMFC三阶RQ等效电路参数辨识研究", 《电源学报》, pages 12 - 18 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116256657B (zh) | 2024-04-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu et al. | State-of-health estimation of lithium-ion batteries based on electrochemical impedance spectroscopy: a review | |
| Zhang et al. | Real-time diagnosis of micro-short circuit for Li-ion batteries utilizing low-pass filters | |
| EP2551690B1 (en) | Battery monitoring device | |
| Su et al. | Fast capacity estimation for lithium-ion battery based on online identification of low-frequency electrochemical impedance spectroscopy and Gaussian process regression | |
| CN109765496A (zh) | 一种基于在线电化学阻抗谱测量的电池健康状态估计方法 | |
| CN108663631A (zh) | 一种锂离子电池组电化学阻抗谱在线测量装置 | |
| CN100498367C (zh) | 一种电动汽车蓄电池内阻脉冲检测方法 | |
| CN110488194A (zh) | 一种基于电化学阻抗模型的锂电池soc估算方法及其系统 | |
| CN103744026A (zh) | 基于自适应无迹卡尔曼滤波的蓄电池荷电状态估算方法 | |
| Becker et al. | Predictive models for PEM-electrolyzer performance using adaptive neuro-fuzzy inference systems | |
| CN112415413B (zh) | 一种燃料电池的诊断方法和诊断系统 | |
| CN107656215A (zh) | 一种基于恒流模式阻抗谱的电池功能状态诊断方法 | |
| CN105355946B (zh) | 钒电池正负极电解液荷电状态的原位监测方法及系统 | |
| CN115032553A (zh) | 一种车载燃料电池在线诊断方法和系统 | |
| CN107290669A (zh) | 一种退役电动汽车动力电池箱的诊断方法 | |
| CN105203968A (zh) | 一种铅酸蓄电池剩余电量的在线测量系统 | |
| CN115616428A (zh) | 一种“充—检”一体电动汽车电池状态检测与评价方法 | |
| CN102570490B (zh) | 一种电动汽车智能充放电控制方法 | |
| CN204030697U (zh) | 基于动态soc估算系统的电池管理系统 | |
| CN116256657B (zh) | 一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法 | |
| CN116774051B (zh) | 考虑时频域多维数据特征的电池容量快速估计方法 | |
| CN102814292A (zh) | 锂离子电池一致性配组方法和系统 | |
| CN111007404B (zh) | 一种基于关键频率点的燃料电池阻抗测量分析系统及方法 | |
| CN109884532A (zh) | 一种电网储能电池检测装置和检测方法 | |
| Chang et al. | Electrochemical aging model of lithium-ion battery with impedance output and its parameter sensitivity analysis and identification |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |