CN206074692U - 电化学装置的交流阻抗测试系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种电化学装置的交流阻抗测试系统，包括电化学装置、控制装置、直流调节支路以及与直流调节支路并联的扰动调节支路，电化学装置连接所述控制装置；直流调节支路包括第一输出负载，扰动调节支路包括第二输出负载以及可控开关，控制装置用于当电化学装置停机时，控制可控开关闭合，并控制第一输出负载关闭；当电化学装置正常运行时，控制可控开关断开。本实用新型的电化学装置的交流阻抗测试系统，避免了虚拟负载造成的功耗问题，且能够保证电化学装置停机时保持非氧化环境，防止碳电极和膜的氧化衰退。
Description
技术领域
本实用新型涉及电化学装置技术领域，特别是涉及一种电化学装置的交流阻抗测试系统。
背景技术
氢氧质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)是一种电化学装置，直接将化学能转换为电能，传统内燃机能量转换受到卡诺循环限制，而氢氧质子交换膜燃料电池能量转换不受卡诺循环限制，理论上其能量转换效率更高。由于参与反应的物质为氢气和空气，反应产物为水，没有产生有害排放物，因此受到人们的青睐，逐渐应用于备用电站、交通运输和移动电源等领域。
质子交换膜燃料电池输出特性为直流，其单片输出电压小于1V，典型为0.7V，为了能够提供更高的电压，需要将很多燃料电池单片串联在一起，形成燃料电池电堆，其输出功率相应提高。燃料电池单片由阳极气体扩散层(Gas Diffusion Layer，简称GDL)、膜电极组件(Membrane Electrode Assemblies，简称MEA)和阴极气体扩散层组成。
燃料电池电堆是燃料电池发电系统的核心部件，在电堆外围有许多附件系统辅助燃料电池电堆进行工作，包括空气系统、氢气系统、冷却系统、功率调节系统、增湿系统和控制系统等。空气系统负责为电堆提供适量的氧化剂即空气，需要根据工况调节进入电堆的空气的温度、压力和流量；氢气系统负责为电堆供应氢气，需要根据工况调节进入电堆的氢气压力和流量；冷却系统则通过冷却剂循环的方式使电堆温度保持合适水平，保证电堆稳定可靠运行；功率调节系统则通过调节燃料电池电堆输出电压或输出电流的方式使燃料电池系统输出特性能满足负载需求；增湿系统负责调节进入电堆的空气的湿度，过干或过湿对质子交换膜和电堆都有不利的影响，因此需要对进入电堆的空气进行湿度控制；控制系统是整个燃料电池发电系统的“大脑”，尤其对电堆外围的各个子系统进行优化控制，使得电堆处于最佳工作状态，保证电堆长期稳定可靠运行。
图1为一种典型的燃料电池系统，环境空气经由空压机压缩后进入散热器，由散热器冷却后进入增湿器进行增湿，增湿后进入电堆，发生电化学反应，阴极侧的氧气会和来自阳极的氢离子发生化学反应，在输出电能的同时生产水(气态或者液态)，并大部分由阴极空气侧流出，因此参与反应后的阴极空气中氧气含量下降，水含量(湿度)增加，在电堆出口空气经冷凝器回收水分后，通过流量控制阀2排入环境中。其中空气系统能够通过空压机、流量控制阀1和2的协调控制来控制进入电堆的空气流量和空气压力，能够通过散热器调整进气温度，通过增湿器控制进气湿度。
根据PEMFC的工作原理和性能特点可知，由于电堆内部反应生成的水(气态或者液态)需要经过阴极反应通道带出，如果生成的液态水不及时排除，生成的水会阻碍流道，即所谓的水淹现象，导致电堆性能下降，影响燃料电池的使用。为了提高排水能力，需要提高空气的流量或流速以便顺利吹除液态水。在怠速或小负荷时，由于生成的水量偏小，如果一直保持较大的空气流量，则容易把流道和质子交换膜表面水都吹干，导致膜过干而性能下降；如果一直保持较小的空气流量，则不容易吹走流道内的液态水而导致水淹。
在燃料电池控制系统中，基于现有的传感器配置，包括阴阳极进口温度和压力传感器、阴阳极出口温度和压力传感器、阴极进出口湿度传感器，通常采用集总参数模型对燃料电池电堆内部工作状态进行观测，但由于燃料电池电堆由许多单片串联而成，受电堆供气系统结构的限制，每个燃料电池单片进气压力、温度、湿度和进气组分都有所差异，单片供气状态差异和温度差异导致单片电压出现不一致性，当供系统结构不合理和单片数量增加时，单片电压不一致性更加明显。由于不能实时观测燃料电池单片的工作状态，尤其不能及时有效判断单片是否出现水淹或膜干现象，因此通过对燃料电池供气系统和增湿系统的控制实现调节燃料电池内部工作状态难以避免出现局部燃料电池单片出现水淹或膜干现象，这对燃料电池系统性能提升是非常不利的。
但是随着科学技术的进步，通过不断地深入研究，人们发现燃料电池的性能特性可以用等效电路的方式进行研究，燃料电池的工作状态与等效电路中阻抗元之间具有一定的对应关系。根据燃料电池等效电路与燃料电池性能之间的关系，以及燃料电池等效电路电阻元、电容元与燃料电池电堆不同组件所处状态之间的对应关系，通过实时获取燃料电池等效电路中电阻元和电容元的阻抗值变化，就可以准确预测燃料电池单片工作状态和燃料电池电堆整体工作状态。
为获取燃料电池等效电路中电阻和电容参数，需要进行交流阻抗研究，目前市场上的商业化交流阻抗分析设备，其价格都在十万元人民币以上，其工作电压范围和电流范围都无法满足现有燃料电池广泛的应用要求，特别是燃料电池堆的单片数量可以从一片到上百片变化和燃料电池单片面积可以从几平方厘米到上百平方厘米变化。虽然商业化交流阻抗分析设备的频率测量范围广泛，但是根据文献调研结果表明，在进行燃料电池交流阻抗分析时，其可接受的频带范围是并没有这些仪器设备所描述的那么宽。
同时，在燃料电池停机的过程中，首先断开负载，然后断开燃料电池阴极和阳极供气，燃料电池内部会存留部分反应气体，由于气体浓度差的影响，阴极氧气会通过质子交换膜渗透到阳极，使阳极流道产生氢/氧界面，氢/氧界面的存在会形成逆向电流和高电势差，加速电解质和催化剂的不可逆衰退。一般会再燃料电池的阴极和阳极之间直接并联附加虚拟载荷，如电阻等。这样在燃料电池停机的过程中，断开外界负载后，虚拟负载与燃料电池形成回路，虚拟负载将不断消耗残留气体产生的电压和电流，最终保证燃料电池内部反应气体被完全消耗，保持氮气环境。但在燃料电池正常运行的过程中，虚拟负载与真实负载并联，也会消耗燃料电池产生的电压和电流，造成了不必要的能源消耗。
实用新型内容
鉴于上述燃料电池在正常工作过程中虚拟负载的功耗问题，本实用新型的目的在于提供一种电化学装置的交流阻抗测试系统，解决了虚拟负载的功耗问题，并提高了电化学装置的集成度。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种电化学装置的交流阻抗测试系统，包括电化学装置、控制装置、直流调节支路以及与所述直流调节支路并联的扰动调节支路，所述电化学装置连接所述控制装置；
所述直流调节支路包括第一输出负载，所述第一输出负载的输入端连接至所述电化学装置，所述第一输出负载与所述控制装置信号连接，所述控制装置用于监控所述第一输出负载的工作状态；
所述扰动调节支路包括第二输出负载以及可控开关，所述第二输出负载串联所述可控开关连接至所述电化学装置的输出端，所述可控开关及所述第二输出负载均连接至所述控制装置；
所述控制装置用于当所述电化学装置停机时，控制所述可控开关闭合，并控制所述第一输出负载关闭；当所述电化学装置正常运行时，控制所述可控开关断开。
在其中一个实施例中，所述扰动调节支路还包括与所述控制装置连接的电流扰动装置，所述电流扰动装置串联设置在所述可控开关和所述第二输出负载之间；
所述控制装置还用于控制所述可控开关闭合，所述电流扰动装置的输入电流为直流电流，并控制所述第一输出负载关闭；
或者，所述控制装置还用于控制所述可控开关闭合，并控制所述电流扰动装置启动，将所述电流扰动装置的输入电流调整至预设扰动电流，并根据所述电化学装置的待测单片的输出电流及输出电压计算与所述预设扰动电流的扰动频率对应的交流阻抗。
在其中一个实施例中，所述控制装置包括控制器及用于监测所述电化学装置的各个待测单片的输出电压的电压巡检装置；
所述电化学装置的各个单片的电压测量端均连接至所述电压巡检装置，所述电压巡检装置连接所述控制器，所述控制器用于选定待测单片，并控制所述电压巡检装置采集选定的所述待测单片的输出电压。
在其中一个实施例中，所述电压巡检装置包括单片选通模块和信号处理模块；
所述单片选通模块与所述电化学装置的各个单片连接，用于根据所述控制器的控制信号采集所述待测单片的输出电压；所述信号处理模块与所述控制器连接，用于将所述待测单片的输出电压传送至所述控制器。
在其中一个实施例中，还包括第一电压检测装置及用于检测所述电化学装置输出电流的第一电流检测装置；
所述第一电压检测装置的输入端连接在所述电化学装置的输出端，所述第一电压检测装置的输出端连接至所述电压巡检装置和所述控制器的公共端；所述第一电流检测装置串联设置在所述电化学装置的输出端，所述第一电流检测装置连接至所述电压巡检装置和所述控制器的公共端。
在其中一个实施例中，所述直流调节支路还包括用于检测所述第一输出负载的输入电流的第二电流检测装置，所述第二电流检测装置连接至所述控制器。
在其中一个实施例中，所述扰动调节支路还包括用于检测所述电流扰动装置的输入电流的第三电流检测装置，所述第三电流检测装置连接至所述控制器。
在其中一个实施例中，所述电流扰动装置的输入电流包括交流扰动电流和直流扰动电流，所述交流扰动电流的幅值小于所述直流扰动电流的幅值；
所述控制装置还用于调节交流扰动电流的扰动频率、扰动幅值及所述直流扰动电流的幅值，以获得所述预设扰动电流。
在其中一个实施例中，所述扰动调节支路还包括用于检测所述电流扰动装置的输出电压的第二电压检测装置及用于检测所述电流扰动装置的输出电流的第四电流检测装置；
所述第二电压检测装置和所述第四电流检测装置均连接至所述控制器。
在其中一个实施例中，所述电流扰动装置为Boost升压型DC/DC变换器、Buck型降压DC/DC变换器或DC/AC变换器。
本实用新型的有益效果：
本实用新型的电化学装置的交流阻抗测试系统，通过可控开关实现第二输出负载与电化学装置的连接，当电化学装置正常运行时，控制可控开关断开，此时只有第一输出负载与电化学装置连接，不会造成额外的功率消耗，从而避免了虚拟负载造成的功耗问题；当电化学装置停机时，控制可控开关闭合，使第二输出负载连接至电化学装置，并控制第一输出负载与电化学装置断开，从而第二输出负载作为虚拟负载进一步消耗残留在电化学装置内部的氢气和氧气，保证电化学装置停机时保持非氧化环境，防止碳电极和膜的氧化衰退。同时，通过设置电流扰动装置，能够实现电化学装置的交流阻抗测试，且上述电路结构简单、通用性强，降低了交流阻抗测试系统的成本。
附图说明
图1为一实施例的质子交换膜燃料电池的系统图；
图2为电化学装置的等效电路图；
图3为电化学装置的交流阻抗谱图；
图4为本实用新型一实施例的电化学装置的交流阻抗测试系统的系统图；
图5为图4中电流扰动装置一实施例的电路结构图；
图6为图4中电流扰动装置另一实施例的电路结构图；
图7为图4中电压巡检装置一实施例的示意图；
图8为单频率交流阻抗测量模式下电流扰动装置的输入电流和相应电压信号图。
具体实施方式
为了使本实用新型的技术方案更加清楚，以下结合附图，对本实用新型的电化学装置的交流阻抗测试系统作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型并不用于限定本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图4所示，本实用新型一实施例的电化学装置100的交流阻抗测试系统，包括电化学装置100、控制装置、直流调节支路、与直流调节支路并联的扰动调节支路、第一电压检测装置500及第一电流检测装置600。其中，第一电压检测装置500可以为电压传感器，第一电流检测装置600可以为电流传感器或电流互感器等等。电化学装置100、直流调节支路以及扰动调节支路均连接至控制装置。
其中，电化学装置100连接至控制装置，控制装置用于控制电化学装置100的工作条件。一般的，电化学装置100的输出电压为直流电压，输出电流为直流电流。电化学装置100可以包括一个或多个单片，上述单片通过化学反应来产生电能。每个单片均包括正极、负极以及设置在正极与负极之间的电介质隔板。如图2所示，电化学装置100的每个单片性能特性可以用等效电路来等效，该等效电路包括斯特电压ENernst、阳极双电层电容Cdl,A、阳极电阻Rf,A、阴极双电层电容Cdl,CA、阴极电阻Rf,CA以及质子交换膜电阻RΩ。其中，阳极双电层电容Cdl,A和阳极电阻Rf,A并联形成阳极RC电路，阴极双电层电容Cdl,CA与阴极电阻Rf,CA并联形成阴极RC电路，斯特电压ENernst、阳极RC电路、质子交换膜电阻RΩ以及阴极RC电路串联设置。
图3为电化学装置100的每个单片的等效电路对应的交流阻抗谱图，其中，横轴Zre表示阻抗实部，纵轴Zim表示阻抗虚部，其中，
ZFC(0)＝RΩ+Rf,A +Rf,CA＝Rinternal (3)
其中，ZFC(ω)表示该电化学装置100的单片的交流阻抗，ω表示交流扰动电流的频率，j表示虚数单位，Rinternal表示该电化学装置100的单片输出信号为直流信号时表现出的总内阻。
因此，根据图3及上述公式(1)～(3)可知，通过在电化学装置100的工作过程中检测上述等效电路中的各个阻抗即可判断电化学装置100中各个元件的工作环境状态(如温度、湿度等)，从而动态地调节上述电化学装置的工作环境状态，以提高该电化学装置的功效。本实施例中，上述电化学装置可以为低温质子交换膜燃料电池、锂离子电池或磷酸铁锂电池等动力电池，当然，上述电化学装置100也可以采用超级电容等等。
控制装置包括控制器210及与控制器210连接的电压巡检装置220，本实施例中，控制器210与电压巡检装置220通过总线相连，且电化学装置100、第一输出负载300及第二输出负载420均连接至控制器210。其中，控制器210用于控制上述各个部件的运行。本实施例中，控制器210可以根据电化学装置100的类型进行确定。例如，该控制器210可以为包括氢气系统、空气系统、冷却系统、回收系统、温湿度检测系统等等。在其他实施例中，当电化学装置100为锂离子电池组时，该控制器210可以为锂离子电池管理装置。
电压巡检装置220连接至电化学装置100，用于监测电化学装置100的各个单片的输出电压。如图7所示，电压巡检装置220包括单片选通模块221和信号处理模块222，电化学装置100的各个单片的电压测量端均连接至电压巡检装置220的单片选通模块221，控制器210用于选定待测单片，单片选通模块221用于根据控制器210的控制信号采集选定的待测单片的输出电压。信号处理模块222连接至控制器210，用于采集完一定数量的待测单片的输出电压后，将获取的多个待测单片的输出电压传送至控制器210。具体地，信号处理模块222将检测到的多个待测单片的输出电压通过通讯总线传送至控制器210。单片选通模块221和信号处理模块222可由电子电路器件构成。
本实施例中，电压巡检装置220的电压采样速率高达数十千赫兹，因而本实施例的交流阻抗测试系统能够测量较宽范围频率范围内的电压信号，从而可以提高该交流测试阻抗测试系统的通用性。
在其他实施例中，控制器210可以控制电压巡检装置220同时采集多个单片的输出电压。例如，单片选通模块能够根据控制器210的控制信号选通一个或多个待测单片，电压巡检装置220能够实现对各个待测单片的输出电压进行同步采样，这样提高电化学装置100的交流阻抗测试效率。
直流调节支路包括第一输出负载300和第二电流检测装置310，第一输出负载300的输入端连接至电化学装置100，第一输出负载300的输出端与控制装置信号连接，具体地，第一输出负载300的输出端与控制器210信号连接，控制器用于监控第一输出负载300的工作状态，并通过调节第一输出负载300使得电化学装置100输出直流电流。本实施例中，第一输出负载300可以为电子负载、也可以为电机。
第二电流检测装置310设置在第一输出负载300的输入端，用于检测第一输出负载300的输入电流，第二电流检测装置310连接至控制器210，并将检测到的第一输出负载300的输入电流传送至控制器210。其中，第二电流检测装置310可以为电流传感器或电流互感器。控制器210可以根据第二电流检测装置310传送的电流信号调节第一输出负载300的工作状态。
扰动调节支路与直流调节支路并联设置，扰动调节支路包括第二输出负载420以及可控开关460，第二输出负载420串联可控开关460连接至电化学装置100的输出端，可控开关460及第二输出负载420均连接至控制装置，具体的，可控开关460和第二输出负载420均连接至控制器210，控制器210能够控制可控开关460的闭合或断开。本实施例中，可控开关460可以为可控硅开关或继电器开关等等；第二输出负载420可以为电阻型负载，也可以为电子负载。
当电化学装置100停机时，控制器210可以根据其接收到的停机信号控制可控开关460闭合，使第二输出负载420连接至电化学装置100的输出端，并控制第一输出负载300关闭，使第一输出负载300与电化学装置100断开。此时，第二输出负载4220可以充当虚拟负载消耗残留在电化学装置内部的氢气和氧气，保证电化学装置停机时保持非氧化环境，防止碳电极和膜的氧化衰退。当电化学装置100正常运行时，控制器210控制可控开关460处于断开状态，使得在电化学装置正常运行的过程中，仅有第一输出负载300与电化学装置100的输出端连接并消耗电能，从而有效的避免了能量损耗。
进一步地，当第二输出负载420采用电阻型负载时，当电化学装置停机且其电压逐渐下降的过程中，电化学装置100的输出电流随之下降，通过第二输出负载420与电化学装置100的耦合关系，可以避免电化学装置内部出现负向电压和反向电流，从而可以抑制电化学装置停机过程中的电压波动，直至将电化学装置内部残留的氢气和氧气基本反应完全，保证电化学装置的性能。
更进一步地，扰动调节支路还包括电流扰动装置410，从而使得该测试系统能够进行电化学装置的交流阻抗测试。具体地，电流扰动装置410连接至控制装置，具体地，电流扰动装置410连接至控制器210，控制器210用于控制电流扰动装置410的开启或关闭。且电流扰动装置410串联设置在可控开关460和第二输出负载420之间，用于产生交流扰动电流。通过设置电流扰动装置，提高了该测试系统的集成度，进一步提高了其性能。其中，电流扰动装置410可以为Boost升压型DC/DC变换器、Buck型降压DC/DC变换器或DC/AC变换器。控制器210可以通过控制上述变换器中开关器件的导通或截止控制电流扰动装置410的开启或关闭。
具体地，电流扰动装置410的输入端通过可控开关460连接至电化学装置100，电流扰动装置410的输出端连接第二输出负载420。当需要对电化学装置进行交流阻抗测试时，控制器控制可控开关460闭合，并控制电流扰动装置410开启，控制器210可以通过控制电流扰动装置410的开启或关闭的时间，将电流扰动装置410的输入电流调整至预设扰动电流，并可以通过调节交流扰动电流的扰动幅度及扰动频率以调节预设扰动频率，实现对电流扰动装置410的输入电流的调节，从而在电化学装置100的输出电流包含一个交流扰动电流，以实现对电化学装置100的交流阻抗测试。此时，电化学装置100的输出电压上也会产生相应与交流扰动电流的电压相应信号，其中，单频率交流阻抗测量模式下电流扰动装置410的输入电流和相应电压信号的关系如图8所示。
当不需要对电化学装置进行交流阻抗测试时，控制器210控制可控开关460断开。进一步地，当电化学装置停机时，控制器210控制可控开关460闭合，并且控制电流扰动装置410的输入电流为直流电流，此时，电流扰动装置用于连接第二输出负载420与电化学装置100而不用于产生交流扰动信号，从而使第二输出负载420与电化学装置100连通，此时，第二输出负载420用于消耗电化学装置内部残留的氢气和氧气。
此外，在交流阻抗测试的过程中，控制器210还用于调节第二输出负载420的输出电压或电阻值，使得第二输出负载420与电流扰动装置410的输出相适配，以进一步控制电流扰动装置410的输入电流。通过相对独立设置的第一输出负载300和第二输出负载420，从而进一步提高了该测试系统的性能。当电流扰动装置410开启时，扰动调节支路的输入电流为交流扰动电流与直流扰动电流之和，具体可参见下文中的描述。
进一步地，第一电压检测装置500的输入端连接在电化学装置100的输出端，第一电压检测装置500的输出端连接至电压巡检装置220和控制器210的公共端，如图4所示，第一电压检测装置500的输出端连接在电压巡检装置220和控制器210之间的连接线上，从而控制器210和电压巡检装置220均可以通过第一电压检测装置500获得待测单片的输出电压，简化了电路结构，使用方便。第一电压检测装置500可以为电压传感器。
第一电流检测装置600的连接在电化学装置100的输出端，且第一电流检测装置600连接至所述控制装置，具体的，第一电流检测装置600连接至电压巡检装置220和控制器210的公共端，如图4所示，第一电流检测装置600的输出端连接在电压巡检装置220和控制器210之间的连接线上。第一电流检测装置600可以为电流传感器或电流互感器，用于检测电化学装置100的各个待测单片的输出电流，并将检测到的电化学装置100的输出电流传送至控制装置。
控制器210还用于在可控开关460闭合及电流扰动装置410开启后，根据电化学装置100的各个待测单片的输出电流及输出电压计算与当前交流扰动电流的扰动频率对应的交流阻抗。其中，电化学装置100的输出电流可以通过第一电流检测装置600获得，电化学装置100的输出电压可以通过第一电压检测装置500获得。
进一步地，交流扰动电流的扰动频率和扰动幅值均为可控值，控制器210能够调节交流扰动电流的扰动频率并确定该扰动频率对应的扰动幅值，从而根据扰动频率和扰动幅值确定预设的交流扰动电流。控制器210还用于改变交流扰动电流的扰动幅值和扰动频率，更新交流扰动电流，根据更新的交流扰动电流对应的电化学装置100的输出电流及输出电源计算与更新后的扰动频率对应的交流阻抗，以获得电化学装置100的交流阻抗谱。这样通过改变交流扰动电流的扰动频率，并测量电化学装置100在不同扰动频率处的交流阻抗值即可绘制出交流阻抗的频谱图。上述电路结构简单、通用性强，降低了交流阻抗测试系统的成本。
在一个实施例中，扰动调节支路还包括第三电流检测装置430、第四电流检测装置440和第二电压检测装置430。其中，第三电流检测装置430设置在电流扰动装置410的输入端，用于实时检测电流扰动装置410的输入电流。第三电流检测装置430连接至控制器210，控制器210可以根据第三电流检测装置430检测到的电流信号调节电流扰动装置410的输入电流，具体地，控制器210可以根据第三电流检测装置430检测到的电流信号调节电流扰动装置410开启或关断的时间，以使得电流扰动装置410的输入电流达到预设扰动电流。当电流扰动装置410开启时，电流扰动装置410的输入电流包括交流扰动电流和直流扰动电流，即
其中，I表示电流扰动装置410的输入电流，I1表示直流扰动电流，I2表示交流扰动电流，A表示交流扰动电流的扰动幅值，f表示交流扰动电流的扰动频率，表示交流扰动电流的初始相位角，t表示时间。
交流扰动电流的扰动频率可以为单频率，也可以为多频率。当交流扰动电流的扰动频率为多频率时，交流扰动电流I2的计算方式如下：
其中，A1和分别为扰动频率f1对应的扰动幅值及初始相位，A2和分别为扰动频率f2对应的扰动幅值及初始相位，A1和分别为扰动频率f1对应的扰动幅值及初始相位，AN和分别为扰动频率fN对应的扰动幅值及初始相位。本实施例中，交流扰动电流I2在任意频率处的扰动幅值及扰动频率均可以通过控制器210进行设定，即可以通过控制器210实现对交流扰动电流的扰动幅值及扰动频率的在线调节，主要取决于电流扰动装置410的应用的对象的要求。因此，当交流扰动电流为多频率时，控制器210首先确定各个扰动频率对应的幅值和初始相位，之后，根据上述公式计算获得交流扰动电流I2。
进一步地，当电流扰动装置410采用DC/DC变换器或者DC/AC变换器时，交流扰动电流的幅值小于直流扰动电流的幅值，保证电流扰动装置410的输入电流大于0，以保证电流扰动装置410可以正常工作。当交流扰动电流为多频率时，交流扰动电流在各个频率处的幅值均应小于直流扰动电流的幅值，即交流扰动电流的最大幅值应小于直流扰动电流的幅值，以保证该电流扰动装置410可以正常工作。
第二电压检测装置430和第四电流检测装置440均置于电流扰动装置410的输出端，具体地，第二电压检测装置430和第四电流检测装置440均置于电流扰动装置410和第二输出负载420之间，且第二电压检测装置430和第四电流检测装置440均连接至控制器210。第二电压检测装置430用于检测电流扰动装置410的输出电压(即第二输出负载420的输入电压)，并将检测到的电流扰动装置410的输出电压传送至控制器210。第四电流检测装置440用于检测电流扰动装置410的输出电流(即第二输出负载420的输入电压)，并将检测到的电流扰动装置410的输出电流传送至控制器210。本实施例中，第二电压检测装置430可以为电压传感器，第三电流检测装置430和第四电流检测装置440可以为电流传感器或电流互感器等等。
控制器210根据电流扰动装置410的输出电流和输出电压对电流扰动装置410的输出特性进行调节，主要调节电流扰动装置410的输出电压。然后，控制器210可以通过调节第二输出负载420的电压范围或电阻值，使得第二输出负载420与电流扰动装置410的输出相匹配。从而，可以根据第三电流检测装置430、第四电流检测装置440及第二电压检测装置430的检测值实现对电流扰动装置410的输入电流的控制。
在一个实施例中，电流扰动装置410包括开关器件，控制器210用于控制开关器件的导通或截止，以控制电流扰动装置410的开启或关闭，并可以通过控制开关器件的导通或截止的时间，使得电流扰动装置410的输入电流达到预设扰动电流。
如图5所示，电流扰动装置410为Boost升压型DC/DC变换器，包括电感L1、二极管D1、开关器件G1以及电容C1，其中，开关器件G1可以为IGBT管(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)，MOS管(metal-oxide semiconductor，场效应晶体管)或BJT管(Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管)等等。电感L1的一端连接至输入电源的正极，电感L1的另一端连接至二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接至输出电源的正极，输入电源和输出电源共负极。开关器件的集电极连接至电感L1和二极管D1之间的公共端，开关器件G1的发射极连接至输入电源的负极，开关器件G1的门极连接至控制器210，控制器210控制开关器件G1的导通或关闭。电容C1连接在输出电源的正极和负极之间，即电容C1的一端连接至二极管D1的阴极，电容C1的另一端连接输出电源的负极。
当开关器件G1导通时，输入电源产生的电流流经电感L1，根据电感的物理特性，流经电感L1的电流线性增加，电能储存在电感L1中，电感L1和开关器件G1形成导通回路，此时二极管D1的阳极连接在输入电源的负极和输出电源的正极之间，二极管D1反向截止。当开关器件G1由导通变为关断时，根据电感的物理特性，流经电感L1的电流不能产生突变，从而产生电动势，电动势的方向与输入电源的方向相同，存储在电感L1中的电能不断释放，通过二极管D1向电容C1充电和向第二输出负载420提供能量，此时电感L1、二极管D1、电容C1和第二输出负载420形成回路。当周期性的控制开关器件G1导通与关断时，即可实现能量从输入电源向输出电源传递。控制器210可以通过控制开关器件G1在不同时刻的导通或关断状态，产生交流扰动信号。
如图6所示，电流扰动装置410还可以采用Buck降压型DC/DC变换器，包括开关器件G2、电感L2、二极管D2及电容C2，其中，开关器件G2可以为IGBT管(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)，MOS管(metal-oxide semiconductor，场效应晶体管)或BJT管(Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管)等等。开关器件G2的门极连接至控制器210，开关器件G2的集电极连接至输入电源的正极，开关器件G2的发射极串联电感L2后连接至输出电源的正极，输出电源和输入电源共负极。二极管D2的阳极连接至输出电源的负极，二极管D2的阴极连接至开关器件G2的发射极与电感L2之间的相应公共端。电容C2连接在输出电源的正极和负极之间，即电容C2的一端连接至电感L1，电容C2的另一端连接至二极管D2的正极。
当控制器210控制开关器件G2导通时，二极管D2的阴极连接至输入电源的正极，二极管D2的阳极连接至输入电源的负极，二极管D2截止。输入电源通过开关器件G2向电感L2充电。当控制器210控制开关器件G2关闭时，电感L2向电容C2充电，从而实现输入电源向输出电源的传递。
本实施例中的电化学装置100的交流阻抗测试系统的工作原理如下：
1)电化学装置正常运行的情况下：
a、非交流阻抗测试模式：
控制器210控制可控开关460处于断开状态，并控制第一输出负载300启动，从而使得该电化学装置100开始正常工作。在电化学装置正常运行的过程中，仅有第一输出负载300与电化学装置100的输出端连接并消耗电能，从而有效的避免了能量损耗。同时通过电压巡检装置220对电化学装置100的各个单片的电压进行监测，通过对第一电流检测装置600对电化学装置100的输出电流进行监测，从而可以实现对电化学装置100的各种运行工况进行测试。
b、交流阻抗测试模式
控制器210控制可控开关460闭合，并控制电流扰动装置100启动。然后，控制器210调节第二输出负载420到合适的电压范围或电阻值，控制器210通过调节扰动电流的交流扰动电流和直流扰动电流以获得预设扰动电流，具体地，控制器210选定交流扰动电流的扰动频率，并确定该扰动频率对应的扰动幅值，获得预设扰动电流，并将电流扰动装置410的输入电流调整为预设扰动电流，其中，电流扰动装置410的输入电流等于交流扰动电流和直流扰动电流之和，通过调整第二输出负载420的输出，使得交流扰动电流的幅值始终小于直流扰动电流的幅值。
这样，电化学装置100的输出电流包含了一个交流扰动电流，而电化学装置100的输出电压也会产生相应与交流扰动电流的电压响应信号。此时，通过第一电压检测装置500检测电化学装置100的选定的待测单片的输出电压，并通过第一电流检测装置600同步检测待测单片的输出电流。在采集完一定数量的待测单片的输出电压和输出电流后，单片巡检装置将上述输出电压和输出电流传送至控制器210。
控制器210将采集到的多个待测单片的输出电压和输出电流进行信号处理，计算在当前交流扰动电流的扰动频率处的交流阻抗。之后，控制器210改变交流扰动电流的扰动频率和扰动幅值，获得更新的交流扰动电流，并根据上述方式计算在更新的交流扰动电流的扰动频率处的交流阻抗。通过多个不同扰动频率对应的交流阻抗，可以绘制交流阻抗的频谱图。之后，控制器210控制可控开关460断开。
2)电化学装置停机的情况下：
控制器210控制可控开关460闭合，并控制电流扰动装置410的输入电流为直流电流，此时电流扰动装置410仅用于连接第二输出负载300与电化学装置100，并不用于产生交流扰动电流，同时控制第一输出负载300关闭，使第一输出负载300与电化学装置100断开连接。此时，第二输出负载420可以充当虚拟负载消耗残留在电化学装置内部的氢气和氧气，保证电化学装置停机时保持非氧化环境，防止碳电极和膜的氧化衰退。
进一步地，当第二输出负载420采用电阻型负载时，电化学装置100的输出电流随之下降，通过第二输出负载420与电化学装置100的耦合关系，可以避免电化学装置内部出现负向电压和反向电流，从而可以抑制电化学装置停机过程中的电压波动，直至将电化学装置内部残留的氢气和氧气基本反应完全，保证电化学装置的性能。
本实用新型的电化学装置的交流阻抗测试系统，通过可控开关实现第二输出负载与电化学装置的连接，当电化学装置正常运行时，控制可控开关断开，此时只有第一输出负载与电化学装置连接，不会造成额外的功率消耗，从而避免了虚拟负载造成的功耗问题；当电化学装置停机时，控制可控开关闭合，使第二输出负载连接至电化学装置，并控制第一输出负载与电化学装置断开，从而第二输出负载作为虚拟负载进一步消耗残留在电化学装置内部的氢气和氧气，保证电化学装置停机时保持非氧化环境，防止碳电极和膜的氧化衰退。同时，通过设置电流扰动装置，能够实现电化学装置的交流阻抗测试，且上述电路结构简单、通用性强，降低了交流阻抗测试系统的成本。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，包括电化学装置、控制装置、直流调节支路以及与所述直流调节支路并联的扰动调节支路，所述电化学装置连接所述控制装置；
所述直流调节支路包括第一输出负载，所述第一输出负载的输入端连接至所述电化学装置，所述第一输出负载与所述控制装置信号连接，所述控制装置用于监控所述第一输出负载的工作状态；
所述扰动调节支路包括第二输出负载以及可控开关，所述第二输出负载串联所述可控开关连接至所述电化学装置的输出端，所述可控开关及所述第二输出负载均连接至所述控制装置；
所述控制装置用于当所述电化学装置停机时，控制所述可控开关闭合，并控制所述第一输出负载关闭；当所述电化学装置正常运行时，控制所述可控开关断开。
2.根据权利要求1所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，所述扰动调节支路还包括与所述控制装置连接的电流扰动装置，所述电流扰动装置串联设置在所述可控开关和所述第二输出负载之间；
所述控制装置还用于控制所述可控开关闭合，所述电流扰动装置的输入电流为直流电流，并控制所述第一输出负载关闭；
或者，所述控制装置还用于控制所述可控开关闭合，并控制所述电流扰动装置启动，将所述电流扰动装置的输入电流调整至预设扰动电流，并根据所述电化学装置的待测单片的输出电流及输出电压计算与所述预设扰动电流的扰动频率对应的交流阻抗。
3.根据权利要求2所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，所述控制装置包括控制器及用于监测所述电化学装置的各个待测单片的输出电压的电压巡检装置；
所述电化学装置的各个单片的电压测量端均连接至所述电压巡检装置，所述电压巡检装置连接所述控制器，所述控制器用于选定待测单片，并控制所述电压巡检装置采集选定的所述待测单片的输出电压。
4.根据权利要求3所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，所述电压巡检装置包括单片选通模块和信号处理模块；
所述单片选通模块与所述电化学装置的各个单片连接，用于根据所述控制器的控制信号采集所述待测单片的输出电压；所述信号处理模块与所述控制器连接，用于将所述待测单片的输出电压传送至所述控制器。
5.根据权利要求3所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，还包括第一电压检测装置及用于检测所述电化学装置输出电流的第一电流检测装置；
所述第一电压检测装置的输入端连接在所述电化学装置的输出端，所述第一电压检测装置的输出端连接至所述电压巡检装置和所述控制器的公共端；所述第一电流检测装置串联设置在所述电化学装置的输出端，所述第一电流检测装置连接至所述电压巡检装置和所述控制器的公共端。
6.根据权利要求3所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，所述直流调节支路还包括用于检测所述第一输出负载的输入电流的第二电流检测装置，所述第二电流检测装置连接至所述控制器。
7.根据权利要求3所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，所述扰动调节支路还包括用于检测所述电流扰动装置的输入电流的第三电流检测装置，所述第三电流检测装置连接至所述控制器。
8.根据权利要求7所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，所述电流扰动装置的输入电流包括交流扰动电流和直流扰动电流，所述交流扰动电流的幅值小于所述直流扰动电流的幅值；
所述控制装置还用于调节交流扰动电流的扰动频率、扰动幅值及所述直流扰动电流的幅值，以获得所述预设扰动电流。
9.根据权利要求7所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，所述扰动调节支路还包括用于检测所述电流扰动装置的输出电压的第二电压检测装置及用于检测所述电流扰动装置的输出电流的第四电流检测装置；所述第二电压检测装置和所述第四电流检测装置均连接至所述控制器。
10.根据权利要求2所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，所述电流扰动装置为Boost升压型DC/DC变换器、Buck型降压DC/DC变换器或DC/AC变换器。
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| CN201621063708.2U CN206074692U (zh) | 2016-09-19 | 2016-09-19 | 电化学装置的交流阻抗测试系统 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN109061439A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-12-21 | 清华大学 | 用于多种有源植入医疗仪器的自动测试的方法 |
| CN109799457A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-05-24 | 北京建筑大学 | 一种燃料电池水管理监测系统及其工作方法 |
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- 2016-09-19 CN CN201621063708.2U patent/CN206074692U/zh active Active
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