CN116953545B - 一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统及其方法，该系统包括：包括微控制器、交流电流激励信号模块、采样电路和与燃料电池电堆电路串联的隔直电容；交流电流激励信号模块用于向燃料电池电堆发送激励电流信号；采样电路用于采集燃料电池电堆与隔直电容的交流电流I及总交流电压U总；微控制器用于根据隔直电容的电容值、交流电流I及总交流电压U总计算出燃料电池电堆的交流阻抗Z。隔直电容由若干个隔直电容单体通过串联和/或并联的方式组合形成，当待测频段不同时，所述隔直电容的电容值不同。本发明通过简单可行的测量方案，实现了电堆交流阻抗的间接测量，且相比现有的测量方法，具有较高的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池测试领域，具体涉及一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统及其方法。
背景技术
燃料电池可以通过化学反应将化学能转化为电能，且具有无污染、无腐蚀、低噪声、低温正常运行、效率高等优点，在新能源汽车、移动电源、分布式发电等领域具有较广泛的应用。在实际运行过程中，燃料电池电堆易发生水淹或者膜干等水管理故障时，影响燃料电池电堆的输出性能。电化学阻抗谱是电化学分析的重要工具，燃料电池电堆的交流阻抗与其水管理状态密切相关，且具有一定的对应关系。因此，准确测量燃料电池电堆在一定频率范围内的交流阻抗并绘制电化学阻抗谱，可以用于正确诊断燃料电池电堆的水管理状态，从而及时调整燃料电池电堆的操作条件，避免燃料电池电堆长时间处于水淹或者膜干故障状态，以提升电堆的使用性能和寿命。
电化学阻抗谱法的原理是向燃料电池电堆注入小幅值扰动信号，其大小为燃料电池工作电流的5%～10%，与之不同的是信号形式为正弦交流。测量燃料电池电堆输出的交流电压信号和交流电流信号，然后计算得到交流阻抗。测量一定频率范围内的电堆交流阻抗值，可以获得电化学阻抗谱。
然而，国内外现有的电化学工作站或者燃料电池交流阻抗检测仪，通常只适用于测量小功率的燃料电池电堆，例如燃料电池单体或者几个单体串联组成的电堆。对于车用等大功率燃料电池电堆，串联的单体数量一般为几百个，电堆功率为百kW级，利用现有电化学阻抗谱法很难准确可靠地测量电化学阻抗谱。
因此需要提出一种新的检测方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统及其方法，来解决现有技术中采用电化学阻抗谱法，难以准确可靠地测量大功率燃料电池电堆的电化学阻抗谱的问题。
本发明提供一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统，包括微控制器、交流电流激励信号模块、采样电路和与燃料电池电堆电路串联的隔直电容；
所述交流电流激励信号模块用于向燃料电池电堆发送激励电流信号；
所述采样电路用于采集燃料电池电堆与隔直电容的交流电流I及总交流电压U总；
所述微控制器用于根据所述隔直电容的电容值、交流电流I及总交流电压U总计算出燃料电池电堆的交流阻抗Z。
进一步地，所述采样电路包括交流电流信号采集模块、交流电压信号采集模块和直流电流信号采集模块；
所述交流电流信号采集模块包括依次连接的电流传感器、第一I/V变换电路、有源带通滤波电路、第一放大电路、第一电压抬升电路以及第一A/D转换器；
所述交流电压信号采集模块包括依次连接的电压传感器、低通滤波电路、第二放大电路、第二电压抬升电路以及第二A/D转换器；
所述直流电流信号采集模块用于采集燃料电池电堆的直流电流，并将所述直流电流发送至所述微控制器，所述微控制器用于根据所述直流电流控制所述交流电流激励信号模块的激励电流信号大小。
进一步地，所述交流阻抗Z的计算公式为：
其中，ZC为接入的隔直电容的电容值。
进一步地，所述交流电流激励信号模块包括依次连接的DDS信号发生器、第三放大电路、滤波电路和功率运放模块。
进一步地，所述隔直电容由若干个隔直电容单体通过串联和/或并联的方式组合形成，当待测频段不同时，所述隔直电容的电容值不同。
本发明还提供一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法，包括以下步骤：
将预先配置的隔直电容串联至燃料电池电堆的测量回路；
向燃料电池电堆发送激励电流信号，并采集燃料电池电堆与隔直电容的交流电流I及总交流电压U总；
根据所述隔直电容的电容值、交流电流I及总交流电压U总计算出燃料电池电堆的交流阻抗Z。
进一步地，上述大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法还包括：
测量指定频率范围内不同频率点的燃料电池电堆的交流阻抗Z；
根据多组交流阻抗Z数据绘制奈奎斯特曲线，得到燃料电池电堆的交流阻抗谱。
进一步地，上述大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法还包括：
将燃料电池电堆对应的待测量频率段等分为若干个连续子频率段，并针对每个子频率段分别配置一个隔直电容，使每个隔直电容的电容值分别与一个子频率段匹配，在测量燃料电池电堆交流阻抗时，针对每个子频率段分别测量，且在每个子频率段测量时分别接入对应的隔直电容。
进一步地，针对每个子频率段分别配置一个隔直电容包括：
以与待测燃料电池电堆的阻抗频率匹配为目标，确认不同的子频率段在测量时需接入的隔直电容的电容值；
以所述电容值为目标值，利用若干个隔直电容单体通过串联和/或并联的方式组合形成隔直电容，使所述隔直电容的电容值为所述目标值。
进一步地，所述根据所述交流电流I及总交流电压U总计算出燃料电池电堆的交流阻抗Z包括：
利用公式计算交流阻抗Z；
其中，ZC为接入的隔直电容的电容值。
相比与现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明通过采用间接测量方案获得燃料电池电堆的交流阻抗，首先测量电堆与隔直电容输出的总交流电压，结合电堆输出的交流电流，计算出电堆与隔直电容的交流阻抗之和，然后再减去隔直电容的电容值即得到电堆的交流阻抗，通过简单可行的测量方案，相比现有的测量方法，可以提高测量精度；
2、本发明通过在燃料电池电堆回路串联精确稳定的大容量隔直电容，同时将较大的频率段划分为多个连续的待测频率段，针对每个待测频率段分别配置对应的隔直电容，使得频率变化时大容量隔直电容的交流负载大小均与燃料电池交流阻抗幅值接近，燃料电池内阻相当于电源内阻，而大容量隔直电容相当于加在电源两端的负载，实现了信号功率最大，从而保证交流阻抗测量精度；另外本发明可隔断大功率燃料电池电堆的大直流工作电流，输出小交流电流信号和小交流电压信号，提高了交流阻抗测量精度；
3、本发明的微控制器通过对可编程带通滤波器的可编辑ROM写入控制，可以改变滤波器的截止频率。由于交流电流激励信号的频率范围较大，使用可编程带通滤波器减小了滤波器的体积，同时针对不同的频率范围只需改变写入的控制字就可实现滤波效果，且为多个二阶滤波器组成，滤波效果更好。
附图说明
图1为本发明的大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统示意图；
图2为本发明中交流电流激励信号模块的差分仪表放大电路图；
图3为本发明中DDS信号发生器输出频率和赋值刷新程序流程图；
图4为本发明中网卡驱动程序流程图；
图5为本发明中电源模块转换示意图；
图6为本发明中交流电流信号采集模块原理图；
图7为本发明中双路ADS8412同步信号采集程序流程图；
图8为本发明中交流电压信号采集模块结构示意图；
图9为本发明中程控滤波模块结构电路图；
图10为本发明一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图1~10及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，本实施例提出了一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统，包括燃料电池电堆电路，其包括燃料电池电堆和与燃料电池电堆并联的负载，微控制器、交流电流激励信号模块、采样电路和与燃料电池电堆电路串联的隔直电容；上述交流电流激励信号模块用于向燃料电池电堆发送激励电流信号；上述采样电路包括交流电流信号采集模块和交流电压信号采集模块，上述交流电流信号采集模块用于采集燃料电池电堆与隔直电容的交流电流I，上述交流电压信号采集模块用于采集总交流电压U总；微控制器用于根据隔直电容的电容值、交流电流I及总交流电压U总计算出燃料电池电堆的交流阻抗Z。上述燃料电池电堆为大功率燃料电池电堆。
上述交流阻抗Z的计算公式为：
；
其中，ZC为接入的隔直电容的电容值，根据最大功率传输可知ZC与燃料电池阻抗相等时，燃料电池输出信号最大。
本发明通过采用间接测量方案获得燃料电池电堆的交流阻抗，首先测量电堆与隔直电容输出的总交流电压，结合电堆输出的交流电流，计算出电堆与隔直电容的交流阻抗之和，然后再减去隔直电容的电容值即得到电堆的交流阻抗，通过简单可行的测量方案，有助于提高测量精度和测量时间。
本实施例中，隔直电容由若干个隔直电容单体通过串联或并联的方式组合形成，当待测频段不同时，隔直电容的电容值不同。当频率f等于50kHz时，对应电容C的大小约31.83uF；当频率f为5kHz时，对应电容C的大小约318.3uF；当频率f为500Hz时，对应电容C的大小为3183uf。
如图1所示，在本实施例中，微控制器的型号为STM32F4，其通过嵌入式以太网模块与上位机相连接，本实施例中，嵌入式以太网模块为DM9000A网卡。将微控制器的信息传送到上位机包括网卡硬件初始化、数据发送和数据接收三个步骤。其中硬件初始化主要是对FMSC接口和DM9000A进行初始化工作，使网卡进入正常的工作状态；数据发送是微控制器把要发送数据先通过上层协议进行数据包封装，然后通过总线发送至DM9000A的发送缓存里，最后使能相关网卡发送寄存器，DM9000A自动将数据送出去；数据接收是当中断接收到数据包时，在检验合法性之后，将数据包递交上层协议处理。
在实施例中，如图2所示，左边上下两个运放是第三放大电路，右边串联的两个运放是对应两阶滤波，为了滤除信号中高频信号的干扰，提高正弦波信号质量，在DDS信号发生器输出信号经过差分放大后，再接入一个滤波电路。经过放大电路后的正弦交流电流信号幅值仍不能满足幅值为燃料电池电堆工作电流的5%的要求，因此在滤波电路后接入功率运放模块，功率运放模块为D类功率放大器。本发明通过在交流电流激励信号模块中设计二阶有源低通滤波器电路滤除高次谐波干扰，以提高正弦交流电流激励信号的光滑度和可靠性。
在实施例中，如图8所示，上述交流电流信号采集模块包括依次连接的电流传感器、第一I/V变换电路、有源带通滤波电路、第一放大电路、第一电压抬升电路以及第一A/D转换器。电流传感器测得交流电流信号后经过I/V变换电路，将0~50A的交流电流信号变换成将0~3V交流电压信号，并经过有源带通滤波电路和第一放大电路后进行信号滤波与放大后，加一级第一电压抬升电路将0~3V交流电压信号抬升至0~5V的范围，最后通过第一A/D转换器将信号采集至微控制器。
在实施例中，如图6所示，上述交流电压信号采集模块包括依次连接的电压传感器、低通滤波电路、第二放大电路、第二电压抬升电路以及第二A/D转换器。电压传感器测得的交流电压信号最大幅值为3V左右，接入低通滤波电路和第二放大电路后，再接入第二电压抬升电路将信号抬升至0~5V，最后通过第二A/D转换器将信号采集至微控制器。
在本实施例中，如图1所示，本发明的交流阻抗检测系统还包括直流电流信号采集模块，该直流电流信号采集模块用于采集燃料电池电堆的直流电流，并将该直流电流发送至微控制器，该微控制器用于根据直流电流控制该交流电流激励信号模块的激励电流信号大小。
在本实施例中，如图1所示，上述交流电流激励信号模块包括依次连接的DDS信号发生器、第三放大电路、滤波电路和功率运放模块。由于本发明被测对象是大功率燃料电池电堆，当电堆处于线性稳定状态时，给电堆施加的交流激励电流幅值为电堆工作电流值的5%。产生频率范围为1Hz~10kHz，最大幅值为30A的频率、幅值和相位可控的正弦交流电流信号。
如图10所示，本发明还提供一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法，包括以下步骤：
S1、将预先配置的隔直电容串联至燃料电池电堆的测量回路；
S2、向燃料电池电堆发送激励电流信号，并采集燃料电池电堆与隔直电容的交流电流I及总交流电压U总；
S3、根据隔直电容的电容值、交流电流I及总交流电压U总计算出燃料电池电堆的交流阻抗Z。
本实施例还包括将燃料电池电堆对应的待测量频率段等分为三个连续子频率段，当然也可以根据实际情况采用除三以外的其他数值，并针对每个子频率段分别配置一个隔直电容，使每个隔直电容的电容值分别与一个子频率段匹配，在测量燃料电池电堆交流阻抗时，针对每个子频率段分别测量，且在每个子频率段测量时分别接入对应的隔直电容。
具体地，本实施例选用容量为10uf的高精度电容，进行串联和并联操作，15个高精度电容、30个高精度电容、100个高精度电容分别对应可测量的频率段为0-1kHz，1kHz-20kHz, 20kHz-100kHz。通过在燃料电池电堆回路串联精确稳定的大容量隔直电容，同时将隔直电容分三段频率阻抗计算，完成了100Hz-100kHz信号的阻抗匹配，使测得信号功率最大。
本实施例中，上述针对每个子频率段分别配置一个隔直电容包括：
以与待测燃料电池电堆的阻抗频率匹配为目标，确认不同的子频率段在测量时需接入的隔直电容的电容值；
以所述电容值为目标值，利用若干个隔直电容单体通过串联和/或并联的方式组合形成隔直电容，使所述隔直电容的电容值为所述目标值。
本发明通过在燃料电池电堆回路串联精确稳定的大容量隔直电容，同时将较大的频率段划分为多个连续的待测频率段，针对每个待测频率段分别配置对应的隔直电容，使得频率变化时大容量隔直电容的交流负载大小均与燃料电池交流阻抗幅值接近，燃料电池内阻相当于电源内阻，而大容量隔直电容相当于加在电源两端的负载，实现了信号功率最大，从而保证交流阻抗测量精度；另外本发明可隔断大功率燃料电池电堆的大直流工作电流，输出小交流电流信号和小交流电压信号，提高了交流阻抗测量精度。
本发明上述步骤S3后面还包括以下步骤：
测量指定频率范围内不同频率点的燃料电池电堆的交流阻抗Z；
根据多组交流阻抗Z数据绘制奈奎斯特曲线，得到燃料电池电堆的交流阻抗谱。
在实施例中，DDS信号发生器产生正弦电流信号，经过第三放大电路放大信号幅值后，通过滤波电路滤除高次谐波干扰，最后经过功率运放模块对信号进行功率放大得到交流电流激励信号。
DDS信号发生器直接输出正弦波信号后需要将信号放大到0-5V范围后再作为功率运放模块的输入，同时AD9852数模转换DAC输出的阶梯波和芯片内部时钟均存在一定的高次谐波干扰。因此需要外接低通滤波器来滤除输出信号高频干扰。最终经过功率运放模块对信号进行功率放大后得到正弦交流电流信号，作为大功率燃料电池电堆的干扰激励信号。
DDS信号发生器的输出端是差分互补形式，因此放大电路采用如图2所示的差分仪表放大电路，由两级放大电路构成，前级采用差分同相输入方式，使得电路输入端有很高的输入阻抗，避免了对输入信号的衰减；差分输入的方式会对差模信号进行放大，但对共模输入信号只起跟随作用，这使得电路具有很好共模抑制比。在保证R14与R16、R17与R18和R19与R20电阻值相等的情况下，放大电路的增益A为：
。
本实施例中，图3所示为AD9852输出频率和赋值刷新程序流程，首先初始化控制寄存器，当主程序接收到上位机发来的DDS输出频率和幅值等信息的数据采集命令后进行命令解析；然后把频率和幅值转化成要写入频率控制字和输出幅度控制寄存器的值，通过SPI接口将要更新的数据写入AD9852；最后设定upclock引脚，给upclock输入引脚一个上升沿信号，数据自动写入相关寄存器里，实现DDS输出频率和幅值的刷新。
本实施例中，图4所示为DM9000A的驱动程序流程，DM9000A的驱动程序设计包括网卡硬件初始化、数据发送和数据接收三部分。其中网卡硬件初始化主要是对FMSC接口和DM9000A进行初始化工作，使网卡进入正常的工作状态；数据发送是微控制器把要发送数据先通过上层协议进行数据包封装，然后通过总线发送至DM9000A的发送缓存里，最后使能相关网卡发送寄存器，DM9000A自动将数据送出去；数据接收是当中断接收到数据包时，在检验合法性之后，将数据包递交上层协议处理。
本实施例中，如图5所示，由于燃料电池电堆交流阻抗检测装置中各模块和芯片的电源需求不同，因此将电源模块分为模拟电路模块和数字电源模块，并分开设计。电源模块中的12V直流电源由开关电源从220V市电直接转换而来。带隔离的DC/DC芯片DFA5-12S5将12V开关电源信号转换成正5V的输出，再由低压差线性稳压器（LDO）电源TPS759533转成3.3V，该3.3V专门给微控制器和网口芯片等数字电路供电。隔离的DC/DC电源芯片DFA-12S5.6将12V直流电源转换成5.6V直流电源，该5.6V输出再经由TPS7A4701和TPS79533分别得到正5V和3.3V；负5V则是先由LT1931A转换成-5.6V，然后-5.6V再经过TPS7A3301芯片转换得到。
本实施例中，采用500A霍尔开口直流大电流传感变送器FXKY41进行电堆直流工作电流信号采集，将采集的直流电流信号转换为0~3V的直流电压信号，在对直流电压信号进行调理后直接通过微控制器自带的A/D转换通道进行数据处理。
本实施例中，如图7所示，由于该大功率燃料电池在进行内阻测试时，频率范围变化较大，因此在进行交流电压信号和交流电流信号处理滤波时采用MAX262可编程带通滤波器，以实现不同频率范围的滤波。MAX262由2个二阶滤波器，2个可编程ROM及逻辑接口组成。每个滤波器部分又包含2个级联的积分器和1个加法器。
由于燃料电池在进行内阻测试时，频率范围变化较大，因此在进行交流电压信号和交流电流信号处理滤波时采用MAX262可编程带通滤波器，以实现不同频率范围的滤波。本实施例中，图9为本发明中程控滤波模块结构电路图，MAX262由2个二阶滤波器，2个可编程ROM及逻辑接口组成。每个滤波器部分又包含2个级联的积分器和1个加法器。本实施例中的微控制器通过对可编程带通滤波器的可编辑ROM写入控制，可以改变滤波器的截止频率。由于交流电流激励信号的频率范围较大，使用可编程带通滤波器减小了滤波器的体积，同时针对不同的频率范围只需改变写入的控制字就可实现滤波效果，且为多个二阶滤波器组成，滤波效果更好。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括”，在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块（illustrative logical block），单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性（interchangeability），上述的各种说明性部件（illustrative components），单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路（ASIC），现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。
本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。
在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线（DSL）或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片（disk）和磁盘（disc）包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法，基于大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统实现，其特征在于，所述系统包括：包括微控制器、交流电流激励信号模块、采样电路和与燃料电池电堆电路串联的隔直电容；
所述交流电流激励信号模块用于向燃料电池电堆发送激励电流信号；
所述采样电路用于采集燃料电池电堆与隔直电容的交流电流I及总交流电压U总，将燃料电池电堆对应的待测量频率段等分为若干个连续子频率段，以与待测燃料电池电堆的阻抗频率匹配为目标，确认不同的子频率段在测量时需接入的隔直电容的电容值；以所述电容值为目标值，利用若干个隔直电容单体通过串联和/或并联的方式组合形成隔直电容，使所述隔直电容的电容值为所述目标值，使每个隔直电容的电容值分别与一个子频率段匹配，在测量燃料电池电堆交流阻抗时，针对每个子频率段分别测量，且在每个子频率段测量时分别接入对应的隔直电容；
所述微控制器用于根据所述隔直电容的电容值、交流电流I及总交流电压U总计算出燃料电池电堆的交流阻抗Z；
所述方法包括以下步骤：
将预先配置的隔直电容串联至燃料电池电堆的测量回路；
向燃料电池电堆发送激励电流信号，并采集燃料电池电堆与隔直电容的交流电流I及总交流电压U总，将燃料电池电堆对应的待测量频率段等分为若干个连续子频率段，以与待测燃料电池电堆的阻抗频率匹配为目标，确认不同的子频率段在测量时需接入的隔直电容的电容值；以所述电容值为目标值，利用若干个隔直电容单体通过串联和/或并联的方式组合形成隔直电容，使所述隔直电容的电容值为所述目标值，使每个隔直电容的电容值分别与一个子频率段匹配，在测量燃料电池电堆交流阻抗时，针对每个子频率段分别测量，且在每个子频率段测量时分别接入对应的隔直电容，使得频率变化时大容量隔直电容的交流负载大小均与燃料电池交流阻抗幅值接近，燃料电池内阻相当于电源内阻，而大容量隔直电容相当于加在电源两端的负载，实现了信号功率最大；
根据所述隔直电容的电容值、交流电流I及总交流电压U总计算出燃料电池电堆的交流阻抗Z。
2.根据权利要求1所述的大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法，其特征在于：所述采样电路包括交流电流信号采集模块、交流电压信号采集模块和直流电流信号采集模块；
所述交流电流信号采集模块包括依次连接的电流传感器、第一I/V变换电路、有源带通滤波电路、第一放大电路、第一电压抬升电路以及第一A/D转换器；
所述交流电压信号采集模块包括依次连接的电压传感器、低通滤波电路、第二放大电路、第二电压抬升电路以及第二A/D转换器；
所述直流电流信号采集模块用于采集燃料电池电堆的直流电流，并将所述直流电流发送至所述微控制器，所述微控制器用于根据所述直流电流控制所述交流电流激励信号模块的激励电流信号大小。
3.根据权利要求1所述的大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法，其特征在于，所述交流阻抗Z的计算公式为：
其中，ZC为接入的隔直电容的电容值。
4.根据权利要求1所述的大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法，其特征在于：所述交流电流激励信号模块包括依次连接的DDS信号发生器、第三放大电路、滤波电路和功率运放模块。
5.如权利要求1所述的大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法，其特征在于，还包括：
测量指定频率范围内不同频率点的燃料电池电堆的交流阻抗Z；
根据多组交流阻抗Z数据绘制奈奎斯特曲线，得到燃料电池电堆的交流阻抗谱。
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