CN117214746A - 一种燃料电池的交流阻抗测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池的交流阻抗测量系统，包括燃料电池，其中，所述燃料电池的输出端连接有直流升压电路，所述直流升压电路电连接控制电路，在所述燃料电池运行时，所述控制电路向所述直流升压电路注入正弦形式的激励信号，并采集所述燃料电池输出电流的交流分量和输出电压的交流分量，通过阻抗模值计算算法、互相关算法获得交流阻抗的实部与虚部，从而实时监测所述燃料电池运行状态下的交流阻抗。在特定频率下实施正弦电流注入，测量燃料电池的交流阻抗，对燃料电池的实时运行状态进行高精准阻抗监测。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池诊断领域，尤其涉及一种燃料电池的交流阻抗实时在线测量系统。
背景技术
燃料电池作为一种绿色环保且能量转化效率高的装置，近些年来受到广泛关注和研究，其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)被视为最有潜力的燃料电池之一。PEMFC的组成分为质子交换膜、气体扩散层、催化剂层与双极板。质子交换膜作为PEMFC的核心，由高分子固态电解质材料制成，其作用主要为了传导质子，隔离电子，隔绝燃料与氧化剂，具有低气体渗透度、高分子传递率，快速响应等特性。此外，气体扩散层提供了反应气体的传输区间与液态水的流出，催化剂层提供了电化学反应场所，双极板则为了隔离反应物与冷却剂。使得PEMFC具有高能源密度，高效，环保，通用性强等特点，常应用于车辆领域。
燃料电池系统主要是由电堆，氢气供给回路，空气供给回路，水冷却回路和负载电路等辅助器件组成。氢气回路作用是氢气供给与废气排出，主要有储氢罐，压力调节阀和尾气吹扫等装置。空气回路作用是为阴极供给氧气并调节相应湿度、流量与压强，主要有空压机、加湿器和中冷器等装置。水回路作用是调节合适化学反应温度与余水排出，主要有水泵，散热器和水箱等装置。负载电路将燃料电池与负载系统连接，为其供电。
PEMFC的内部性能主要由内部水状态和催化剂活性的影响，同时湿度、温度和电流密度分布等因素影响也需要考虑。为了改善PFMFC运行的耐久性与稳定性，需要对电堆的电压、电路和阻抗等数据参数进行监测，便于对其特性研究，以及故障识别处理，从而提升电池的运行效率与寿命。然而燃料电池系统是明显的非线性时变系统，其运行工况随着负载的变动而变动，且电池内阻在数十毫欧量级，因此对燃料电池系统的内阻实时监测带来一定的挑战。
关于燃料电池内阻检测方法，目前主要有断流法和交流阻抗检测法。其中断流法无法实现内阻在线实时监测，即会对燃料电池的运行和使用寿命产生较大的影响，并不适用于对燃料电池内阻的实时检测。交流阻抗法是在燃料电池输出直流的基础上，叠加小幅度正弦电流或电压激励，在不同的频率下测量电池的阻抗。目前叠加正弦激励的方式通常采用独立的激励源向燃料电池系统注入交流扰动信号来测量响应电压，测试时需要设置激励源的扰动信号频率进行扫频，以便获得不同频率下的阻抗形成阻抗谱，分析燃料电池系统的健康状态，此种方式需要额外的激励源设计，且扫描不同的频率会增加测试时间，这对于燃料电池内阻的实时在线监测都带来了不便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种燃料电池的交流阻抗测量方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种燃料电池的交流阻抗测量系统，包括燃料电池，其中，所述燃料电池的输出端连接有直流升压电路，所述直流升压电路电连接控制电路，在所述燃料电池运行时，所述控制电路向所述直流升压电路注入正弦形式的激励信号，并采集所述燃料电池输出电流的交流分量和输出电压的交流分量，通过阻抗模值计算算法、互相关算法获得交流阻抗的实部与虚部，从而实时监测所述燃料电池运行状态下的交流阻抗。
通过注入特定正弦电流形式的激励信号，在无需改变硬件电路的特性下，将燃料电池原本输出的直流电与交流电进行了相叠加，从而通过对燃料电池输出电压及电流进行采样，提取出于交流阻抗相关的响应电压和响应电流的有效交流分量，从而实时有效且高精准的进行阻抗检测。
优选的，在所述采集所述燃料电池输出电流的交流分量和输出电压的交流分量时：
选取合适的采样频率，连续采样一定数量(2n)的点数作为一组采样数据，得到的电压数据和电流数据先经过带通滤波算法，去除信号噪声后，获得所述电流的交流分量和所述电压的交流分量。
优选的，所述带通滤波算法包括：
其中y(n)是滤波后输出序列，x(n)是带噪声的输入数据序列，h(k)是带通滤波器的滤波系数，H是滤波器在带通中心频率点fc处的幅度响应，fs是采样频率，a(k)是滤波器在采样点k处的权重因子。
优选的，所述阻抗模值计算算法包括：
获取滤波后的电压数据序列Uk和电流数据序列Ik，经过快速傅里叶变换FFT模块，将采集的信号从时域转换到频域，可得到不同频率下的电压幅值分量和电流幅值分量
获取幅值分量的最大值，得到所述激励信号所对应的电压幅值与电流幅值/>两幅值相除后得到阻抗模值/>
优选的，所述傅里叶变换公式为：
其中，X(ω)是x(t)的连续频谱。
优选的，所述互相关算法包括：
依据电压数据序列Uk和电流数据序列Ik，可求得两序列间相位差θ，算法公式如下：
电压序列的平方和：
电流序列的平方和：
两序列的点积：
相位差：
依据阻抗模值和相位差θ，可求得阻抗实部/>与虚部/>
优选的，当所述燃料电池运行且需要获取阻抗数据时，所述燃料电池上位机会通过报文发出获取交流阻抗的指令，同时设置注入所述激励信号的幅值和频率。
优选的，所述控制电路收到所述指令、及所述激励信号的幅值和频率，按照设定的幅值和频率开始注入激励信号，同时开始循环采集所述燃料电池输出端的电压和电流数据，计算所述燃料电池的交流阻抗。
优选的，当关闭获取所述燃料电池的交流阻抗的指令时，控制电路停止注入激励信号，阻抗计算程序也停止采样计算流程，燃料电池维持原工作状态。
优选的，无激励信号生成时，所述燃料电池的输出直流即对应设定的参考电流Iref；当在设定的参考电流上叠加一幅值为I0频率为f的正弦波电流Isin＝I0*sin(2πft)，此时参考电流更新为I′ref＝Iref+Isin,在电流控制模式下，通过PID控制输出新的开关脉冲即所述激励信号。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过注入特定正弦电流形式的激励信号，在无需改变硬件电路的特性下，将燃料电池原本输出的直流电与交流电进行了相叠加，从而通过对燃料电池输出电压及电流进行采样，提取出于交流阻抗相关的响应电压和响应电流的有效交流分量，从而实时有效且高精准的进行阻抗检测。
附图说明
图1为本发明实施例的激励信号生成示意图；
图2为本发明实施例的电流控制原理示意框图；
图3为本发明实施例的交流阻抗计算整体逻辑流程示意图；
图4为本发明实施例的具体案例中测量系统研制流程示意图；
图5为本发明实施例的具体案例中电压电流采用示意图；
图6为本发明实施例的具体案例中阻抗验证试验台架示意图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”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，由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
实施例：
在本实施例中，一种燃料电池的交流阻抗测量系统，包括燃料电池，其中，所述燃料电池的输出端连接有直流升压电路，所述直流升压电路电连接控制电路，在所述燃料电池运行时，所述控制电路向所述直流升压电路注入正弦形式的激励信号，并采集所述燃料电池输出电流的交流分量和输出电压的交流分量，通过阻抗模值计算算法、互相关算法获得交流阻抗的实部与虚部，从而实时监测所述燃料电池运行状态下的交流阻抗。
该测试系统采用特定控制算法注入的方式，无需改变硬件电路特性，即可将燃料电池原本所输出的直流电与特定频率幅值下的正弦交流电相叠加，通过对燃料电池输出电压及电流进行采样，提取出与阻抗相关的响应电压和响应电流的有效交流分量。先通过带通滤波算法滤除信号噪声，再分别通过快速傅里叶分析与互相关算法得到阻抗模值与电压电流之间相位差，实时测量其复数域的交流阻抗。
在本实施例中，激励信号生成的技术方案可以为：
具体的，燃料电池输出端通常使用直流升压电路，改善燃料电池的软输出特性，将电池的输出电压转化为稳定的电压输出供给负载，并对电池系统进行能量控制。
在本实施例中，通过电流传感器测量直流升压电路的电流，恒电流模式工作时，通过PID控制开关脉冲，采用SPWM(Sine Pulse Width Modulation)调制方式即可使燃料电池输出所需参考电流。无激励信号生成时，燃料电池的输出直流即对应设定的参考电流Iref；当在设定的参考电流上叠加一幅值为I0频率为f的正弦波电流Isin＝I0*sin(2πft)，此时参考电流更新为I′ref＝Iref+Isin,在电流控制模式下，通过PID控制输出新的开关脉冲，燃料电池即可在原直流基础上激励出所需幅值及频率的正弦交流扰动。图1为电流激励信号生成示意图，图2为直流升压电路电流控制原理框图。
在本实施例中，依据算法，使用MATLAB/Simulink工具搭建算法模型，结合所使用的MCU(MicroController Unit)芯片，生成对应的嵌入式代码，并将代码移植至对应程序之中，最终计算出特定频率下的燃料电池阻抗。
在本实施例中，阻抗计算算法的技术方案可以是：
当燃料电池运行时，在注入特定频率及幅值的正弦电流信号后，燃料电池会激励出与电池阻抗相关的响应电压，通过硬件电路采集燃料电池输出电流的交流分量和输出电压的交流分量，方案中将注入特定频率的电流正弦信号，选取合适的采样频率，连续采样一定数量(2n)的点数作为一组采样数据，得到的电压数据和电流数据先经过带通滤波算法，去除信号噪声，然后分别通过阻抗模值计算算法和互相关算法，得到复数域的阻抗模值及相位角，最终得到阻抗实部与虚部。
带通滤波算法：
其中y(n)是滤波后输出序列，x(n)是带噪声的输入数据序列，h(k)是带通滤波器的滤波系数，H是滤波器在带通中心频率点fc处的幅度响应，fs是采样频率，a(k)是滤波器在采样点k处的权重因子。
阻抗模值计算算法：滤波后的电压数据序列Uk和电流数据序列Ik，先经过快速傅里叶变换FFT(Fast Fourier Transform)模块，将信号从时域转换到频域，可得到不同频率下的电压幅值分量和电流幅值分量/>利用基波频率幅值分量最大的特性，在幅值分量中获取最大值，得到注入信号频率所对应的电压幅值/>与电流幅值/>两幅值相除后得到阻抗模值/>此算法中涉及到的公式如下：
非周期性连续时间信号x(t)的傅里叶变换公式：
由于公式中，计算所得的X(ω)是x(t)的连续频谱，而实际应用中能够获取的是连续信号x(t)的离散采样值x(nT)。因此要用离散信号x(nT)来计算出x(t)的频谱。有限长的离散信号x(n)，k＝0,1,…,N-1的DFT定义为：
通过设定合适大小的N值，来决定FFT需要计算多少次乘法和加法，进行相应的蝶形运算，分解出电压与电流的最大分量。
互相关算法：由于自相关函数与互相关函数可以求得自身与两函数之间的相似特性。如果直接利用互相关函数，对电压和电流数据离散化处理，求得的数据误差较多。因此利用互相关函数原理中，两个同频率正弦信号的零时刻值，与两者的相位差的余弦值成正比，从而获得高精确的相位差。
依据电压数据序列Uk和电流数据序列Ik，可求得两序列间相位差θ，算法公式如下：
电压序列的平方和：
电流序列的平方和：
两序列的点积：
相位差：
依据阻抗模值和相位差θ，可求得阻抗实部/>与虚部/>
依据上述算法，使用MATLAB/Simulink工具搭建算法模型，再通过MATLAB生成嵌入式C代码以供移植使用。
将生成的嵌入式C代码移植到程序中，当燃料电池运行且需获取此时电池阻抗数据时，燃料电池上位机会通过报文发出获取电池阻抗的指令。同时需设置注入正弦电流的幅值和频率，当DC/DC电路控制程序收到上述指令及幅值和频率信息时，按照设定的幅值和频率开始注入正弦波电流。而阻抗计算程序收到上述指令时，则开始采样燃料电池输出端的电压和电流数据，分别采样所需数量的点作为一组阻抗计算的输入，阻抗计算完毕通过报文将阻抗模值、实部与虚部数据外发，然后进入下一轮采样并计算阻抗的循环。当关闭获取电池阻抗的指令时，DC软件停止注入正弦电流，阻抗计算程序也停止采样计算流程，燃料电池维持原工作状态，上述控制逻辑如图3所示。
具体的，为了更好的理解验证，以TMS320F28035 MCU芯片为例，以注入600hz的电流正弦信号，采样频率为12.5khz为例，连续采样256个点作为一组采样数据。
具体测试流程为：
通过Embedded Coder工具箱将MATLAB/Simulink中的阻抗算法模型生成相应的C代码，根据硬件环境调配模块，在CCS(Code Composer Studio)编译开发环境中编译后录入至芯片中，最终通过CANoe工具获取所需报文，以实现高精度的阻抗计算。
本实施例首先使用电压信号发生器和示波器对电压采样电路和电流采样电路进行标定。电压物理值为Uin，电流物理值为Iin，经过采样电路后，两者分别对应Usample和Isample。如图5所示，通过对采样值的一次放大，使得报文外发出的电压、电流数据与示波器采集的电压、电流数据大小一致。
然后将报文的电压、电流值进行二次放大至实际物理值，即可将数据传递至阻抗计算程序中计算。为了验证阻抗计算算法的准确性和稳定性，采用高压直流电源模拟燃料电池，在电源与DC/DC升压电路间串联R为0.1Ω的模拟阻抗电阻。升压电路的输出端采用电子负载以模拟真实负载，搭建的试验台架示意图如图6所示。
验证试验中，高压直流电源输出电压为200V，输出电流为80A。电子负载为恒压模式运行，输入电压为稳定500V，叠加的正弦电流幅值为6A，频率为600hz。当系统稳定运行时，得到算法计算的阻抗与真实阻抗误差小于等于3％，且稳定性良好。因此当实际应用时，测量得到的阻抗数据与标定值对比，可判断燃料电池当前状态性能。或者依据阻抗数据的长期趋势，预测燃料电池的衰减特性及工况寿命。
通过注入特定正弦电流形式的激励信号，在无需改变硬件电路的特性下，将燃料电池原本输出的直流电与交流电进行了相叠加，从而通过对燃料电池输出电压及电流进行采样，提取出于交流阻抗相关的响应电压和响应电流的有效交流分量，从而实时有效且高精准的进行阻抗检测。
在本发明中，激励源集成在DC/DC升压电路系统中，无需设计额外的硬件激励源，简化了阻抗测试方法。
激励信号的产生、信号幅值和频率都实时调节，并提高了阻抗测试效率。避免了传统阻抗测试中扫频时间过长，所导致对燃料电池正常工作的各种干扰。
激励信号采用正弦波的扰动，使得响应信号易于分析和处理。不仅缩短处理时间、节约计算资源，还提高了阻抗测试的精度和稳定性。经过反复试验的对比验证，其计算精度高，且鲁棒性良好。
阻抗计算算法采用Simulink搭建模型实现，然后通过生成代码移植至MCU芯片中使用。其代码移植性便捷可靠，且算法的实现不受MCU芯片限制。
以上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精神和范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池的交流阻抗测量系统，包括燃料电池，其特征在于，所述燃料电池的输出端连接有直流升压电路，所述直流升压电路电连接控制电路，在所述燃料电池运行时，所述控制电路向所述直流升压电路注入正弦形式的激励信号，并采集所述燃料电池输出电流的交流分量和输出电压的交流分量，通过阻抗模值计算算法、互相关算法获得交流阻抗的实部与虚部，从而实时监测所述燃料电池运行状态下的交流阻抗。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的交流阻抗测量系统，其特征在于，在所述采集所述燃料电池输出电流的交流分量和输出电压的交流分量时：
选取合适的采样频率，连续采样一定数量(2n)的点数作为一组采样数据，得到的电压数据和电流数据先经过带通滤波算法，去除信号噪声后，获得所述电流的交流分量和所述电压的交流分量。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的交流阻抗测量系统，其特征在于，所述带通滤波算法包括：
其中y(n)是滤波后输出序列，x(n)是带噪声的输入数据序列，h(k)是带通滤波器的滤波系数，H是滤波器在带通中心频率点fc处的幅度响应，fs是采样频率，a(k)是滤波器在采样点k处的权重因子。
4.根据权利要求2所述的燃料电池的交流阻抗测量系统，其特征在于，所述阻抗模值计算算法包括：
获取滤波后的电压数据序列Uk和电流数据序列Ik，经过快速傅里叶变换FFT模块，将采集的信号从时域转换到频域，可得到不同频率下的电压幅值分量和电流幅值分量/>
获取幅值分量的最大值，得到所述激励信号所对应的电压幅值与电流幅值/>两幅值相除后得到阻抗模值/>
5.根据权利要求4所述的燃料电池的交流阻抗测量系统，其特征在于，所述傅里叶变换公式为：
其中，X(ω)是x(t)的连续频谱。
6.根据权利要求2所述的燃料电池的交流阻抗测量系统，其特征在于，所述互相关算法包括：
依据电压数据序列Uk和电流数据序列Ik，可求得两序列间相位差θ，算法公式如下：
电压序列的平方和：
电流序列的平方和：
两序列的点积：
相位差：
依据阻抗模值和相位差θ，可求得阻抗实部/>与虚部/>
7.根据权利要求1所述的燃料电池的交流阻抗测量系统，其特征在于，当所述燃料电池运行且需要获取阻抗数据时，所述燃料电池上位机会通过报文发出获取交流阻抗的指令，同时设置注入所述激励信号的幅值和频率。
8.根据权利要求7所述的燃料电池的交流阻抗测量系统，其特征在于，所述控制电路收到所述指令、及所述激励信号的幅值和频率，按照设定的幅值和频率开始注入激励信号，同时开始循环采集所述燃料电池输出端的电压和电流数据，计算所述燃料电池的交流阻抗。
9.根据权利要求8所述的燃料电池的交流阻抗测量系统，其特征在于：当关闭获取所述燃料电池的交流阻抗的指令时，控制电路停止注入激励信号，阻抗计算程序也停止采样计算流程，燃料电池维持原工作状态。
10.根据权利要求1所述的燃料电池的交流阻抗测量系统，其特征在于：无激励信号生成时，所述燃料电池的输出直流即对应设定的参考电流Iref；当在设定的参考电流上叠加一幅值为I0频率为f的正弦波电流Isin＝I0*sin(2πft)，此时参考电流更新为I′ref＝Iref+Isin,在电流控制模式下，通过PID控制输出新的开关脉冲即所述激励信号。
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| CN (1) | CN117214746A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117872138A (zh) * | 2024-01-24 | 2024-04-12 | 深圳市华杰数字能源有限公司 | 电池检测电路及电子设备 |
-
2023
- 2023-10-08 CN CN202311288805.6A patent/CN117214746A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117872138A (zh) * | 2024-01-24 | 2024-04-12 | 深圳市华杰数字能源有限公司 | 电池检测电路及电子设备 |
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