CN211826402U - 一种阻抗测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了阻抗测量系统，应用于测量燃料电池堆的阻抗，所述燃料电池堆由多片燃料电池单片串联而成，所述阻抗测量系统包括电源电压调理电路、单片机和激励信号发生电路；所述电源电压调理电路，用于将系统外部的供电电压调整为所述系统各模块需要的工作电压信号；所述单片机，用于根据外部指令确定配置参数，向激励信号发生电路发送激励控制信号，接收激励信号发生电路反馈的信号，根据所反馈的信号调整激励控制信号，当所反馈的信号满足预设条件时，根据此刻所反馈的信号计算待测燃料电池组的阻抗；所述激励信号发生电路，用于根据接收的激励控制信号产生激励信号，向待测燃料电池组施加所述激励信号，向所述单片机反馈信号。

Description

一种阻抗测量系统

技术领域

本实用新型涉及电化学领域，尤其涉及电化学领域中的阻抗测量方法和系统。

背景技术

在氢质子交换膜燃料电池的阴极催化剂层内，氧气、电子和质子发生电化学反应生成水，正极导电体就是阴极气体扩散层，负极导电体就是阳极气体扩散层。阴极气体扩散层有三个作用：传导电子；扩散层外侧氧气经由气体扩散层内微孔流道进入阴极催化剂层；催化剂层里的反应生成水大部分经由阴极气体扩散层内微孔流道传输到扩散层外侧。由于电化学反应生成水和反应消耗氧气速率成正比、扩散层内氧气传输和水传输反向相反，随着电化学反应装置输出电流增加，阴极气体扩散层内水传输对氧气传输的阻碍作用越发显著，阴极催化剂层内氧气浓度快速降低，增加了活化电压损失。

氢质子交换膜燃料电池的电解质层是质子交换膜，质子在质子交换膜内以水合氢离子的形式传导(水分子表现出电渗拖曳现象)且方向是从阳极催化剂层到阴极催化剂层，质子传导电导率随着质子交换膜内液态水含量增加而增加。当质子交换膜两侧形成水含量浓度差异时，质子交换膜内液态水发生从阴极催化剂层到阳极催化剂层的反向扩散作用，随着质子交换膜厚度降低和水扩散系数增加，反向扩散作用效果比电渗拖曳更加明显，因此质子交换膜内净水传递一般是从阴极催化剂层到阳极催化剂层的。

阳极催化剂层内氢气被电离成质子和电子，质子在催化剂层内电解质溶液中传导进入质子交换膜，催化剂层内水的电渗拖曳现象和反向扩散现象同样存在，净水传递方向与质子交换膜内相同。阳极气体扩散层内氢气传输和水传递过程同样相反，同样存在着水传递对氢气传输的阻碍作用，但相比于氧气而言，氢气扩散性强且氢气电离反应活化能低。

氢质子交换膜燃料电池结构复杂，在微观结构内发生的上述物理化学过程更加复杂，这些都与水的含量和相态紧密相关，加之水测量技术难度大，目前研究燃料电池普遍借助阻抗频谱测量技术(已广泛应用于电化学领域)，得益于物理化学过程速率在不同结构层中各有不同且能够在电特性中有所体现。普遍认知是，低频段的阻抗频谱与扩散层内水含量相关，中高频段的阻抗频谱与催化剂层内水含量和反应物浓度相关，高频段的阻抗频谱与催化剂层和质子交换膜内影响质子传导电导率的水含量相关。燃料电池内水含量过多导致水淹现象而水含量过少导致干化现象，它们均使得燃料电池的输出性能下降，同时催化剂层和质子交换膜出现不同原因和程度的性能衰退现象(耐久性)。

将氢质子交换膜燃料电池应用于交通运输领域时，通常把上百片燃料电池单体串联在一起形成燃料电池堆，受氢气和氧气的配气管路的结构影响，单片与单片之间的性能差异和水含量差异始终存在着，而燃料电池堆性能和耐久性往往取决于性能最差的单片(短板效应)。为了提高燃料电池堆的性能和耐久性，必须要提供一种能够在车用环境下实时测量燃料电池所有单片的阻抗频谱的解决方案，为研究和判断燃料电池单片内的水含量提供依据。

当燃料电池堆(由至少一片燃料电池单片电气串联而成)正常工作时，燃料电池堆的正负极分别与功率负载的正负极相连，功率负载用于消耗燃料电池输出的直流电能。现有技术方案中第一类是，在燃料电池正负极的两端额外并联一个小型功率可控装置，在燃料电池堆的正常工作状态下(控制功率负载实现)，通过控制小型功率可控装置的输入电流对燃料电池堆的所有单片同时施加电流扰动信号，输入电流幅值和频率都是可控的，利用燃料电池堆单片电压和电流同步采集技术实现信号采集，利用数字信号处理技术实现阻抗计算。

现有技术方案中第二类是，调控与燃料电池堆的正负极两端直接相连接的功率负载的输入电流或输入电压，即燃料电池堆的输出电流或输出电压，从而在燃料电池堆的正常工作状态下对燃料电池堆施加电流扰动或电压扰动信号，利用信号同步采集技术和数字信号处理技术实现阻抗测量。

现有技术方案中第三类是，一种高精密电压电流调控和测量装置，以较少片数的燃料电池堆中的单片作为测量对象，利用两个电气夹紧装置(比如夹钳)与燃料电池单片的正极和负极分别相连，利用集成式的电流或电压调控模块对燃料电池单片施加电压扰动或者电流扰动，利用电压和电流精密测量模块同步采集燃料电池单片电压和电流，利用数字信号处理技术实现阻抗计算。

但是，现有技术方案中第一类的不足之处是，额外的小功率可控装置增加了燃料电池系统体积、系统重量、系统成本和系统复杂程度，小功率可控装置运行时有功率消耗导致燃料电池系统效率降低。

现有技术方案中第二类的不足之处是，当在实验室内进行燃料电池系统测试时功率负载可采用电子负载(电压电流调控精度高)，而电子负载因高成本和有功率消耗难以应用于实际场景(比如固定电站和车载能量来源)，当在交通运输领域使用燃料电池系统提供直流电能时功率负载往往是能够将电能转换为机械能或热能的电力装置(比如DC/DC变换器与电机串联而成的电驱动系统)，而电力装置受限于其固有频带特性而难以实现较宽频带的阻抗频谱测量。

现有技术方案中第三类的不足之处是，交通运输领域使用的燃料电池堆的单片片数高达数百片，其单片正极与燃料电池堆负极间电压、单片负极与燃料电池负极间电压容易高达数百伏特，超过了高精密电压电流调控和测量装置的耐受电压范围，在车载应用环境中难以实现所有单片阻抗频谱的测量，高精密电压电流调控和测量装置的成本也是难以接受的，车载应用环境高湿度、冷热交替、机械振动和电磁噪声等外界干扰都不利于提高测量精度。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种阻抗测量系统，实现了对燃料电池堆的阻抗测量，同时降低了阻抗测量系统的功率消耗。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种阻抗测量系统，应用于测量燃料电池堆的阻抗，所述燃料电池堆由多片燃料电池单片串联而成，所述阻抗测量系统包括电源电压调理电路、单片机和激励信号发生电路；

所述电源电压调理电路，用于将系统外部的供电电压调整为所述阻抗测量系统各模块需要的工作电压信号，并分别向所述单片机和所述激励信号发生电路输出各自所需要的工作电压信号；

所述单片机，用于接收所述电源电压调理电路输入的工作电压信号，根据外部指令确定配置参数，其中，所述配置参数包括用于确定待测燃料电池组的参数和激励信号参数；所述单片机还用于根据所述激励信号参数向激励信号发生电路发送激励控制信号，并接收激励信号发生电路反馈的信号；所述单片机还用于根据所反馈的信号调整激励控制信号，当所反馈的信号满足预设条件时，根据此刻激励信号发生电路所反馈的信号计算待测燃料电池组的阻抗；其中，所述待测燃料电池组是所述燃料电池堆中任一片燃料电池单片或者相邻的任意个数的燃料电池单片所形成的组；

所述激励信号发生电路，用于接收所述电源电压调理电路输入的工作电压信号，根据接收的激励控制信号产生激励信号，向待测燃料电池组施加所述激励信号，向所述单片机反馈信号。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

其中，所述燃料电池堆中设置有N+1个电压测量接触点，N为燃料电池堆中燃料电池单片的数量；其中，第1片燃料电池单片的正极、第N片燃料电池单片的负极、以及各相邻的两片燃料电池单片之间各自作为一个电压测量接触点。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述阻抗测量系统还包括信号选通电路；

所述信号选通电路，用于接收所述电源电压调理电路输入的工作电压信号；根据单片机发送的选通控制信号将待测燃料电池组的第一电压测量接触点和第二电压测量接触点与所述激励信号发生电路电连接。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述激励信号发生电路通过信号选通电路向待测燃料电池组施加所述激励信号。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述系统还包括：第一单片信号线，第二单片信号线，通过信号选通电路连接在激励信号发生电路和待测燃料电池组之间。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述激励信号发生电路包括激励信号发生模块、电压信号采集电路、电流信号采集电路；所述激励信号发生模块与电流信号采集电路串联后与所述电压信号采集电路并联；

所述激励信号发生模块，用于接收所述电源电压调理电路输入的工作电压信号，根据接收的激励控制信号产生激励信号；并通过信号选通电路施加在待测燃料电池组上；

所述电压信号采集电路，用于当所述激励信号发生模块在待测燃料电池组上施加激励信号后，采集第一单片信号线和第二单片信号线之间的电压，作为所述反馈的信号中的电压信号；其中，所述第一单片信号线传输的是从待测燃料电池组到激励信号发生电路的信号，所述第二单片信号线传输的是从激励信号发生电路到待测燃料电池组的信号；

所述电流信号采集电路，用于当所述激励信号发生模块在待测燃料电池组上施加激励信号后，采集流经第一单片信号线、激励信号发生模块、电流信号采集电路和第二单片信号线的支路电流以及流经第一单片信号线、电压信号采集电路和第二单片信号线的支路电流，作为所述反馈的信号中的电流信号。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述系统还包括：反馈信号线，连接在激励信号发生电路和单片机之间，用于传输激励信号发生电路反馈的电压信号或电流信号。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述信号选通电路包括两组信号选通模块，第一组信号选通模块是用于隔离或接通第一单片信号线和N+1个电压测量接触点；第二组信号选通模块是用于隔离或接通第二单片信号线和N+1个电压测量接触点。

所述燃料电池堆分为M组燃料电池组，第一组信号选通模块包括M个，分别与第1到M组燃料电池组一一对应，第二组信号选通模块包括M个，分别与第1到M组燃料电池组一一对应，其中，M为大于或等于1的整数。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

同一时刻，第一组信号选通模块最多接通一个电压测量接触点与第一单片信号线，隔离其余电压测量接触点与第一单片信号线；

同一时刻，第二组信号选通模块最多接通一个电压测量接触点与第二单片信号线，隔离其余电压测量接触点与第二单片信号线。

综上，本实用新型提供的阻抗测量系统，通过对燃料电池堆中的燃料电池组的选通，并对选通的燃料电池单片施加宽频率范围的电流或电压扰动，以及对选通的燃料电池单片电压和电流的同步信号处理和采集，实现了对选通的燃料电池堆的阻抗的测量，并且降低阻抗测量系统的功率消耗，本实用新型提供的阻抗测量系统也适用于单片、多片或大功率的燃料电池堆。

附图说明

图1为一种典型的氢质子交换膜燃料电池单片结构和工作原理的示意图。

图2为根据本实用新型实施例一的阻抗测量系统的示意图。

图3为根据本实用新型实施例二的阻抗测量系统的示意图。

图4为根据本实用新型实施例二的信号选通电路的示意图。

图5为根据本实用新型实施例二的激励信号发生电路的示意图。

图6为根据本实用新型实施例二的单片机的原理的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。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任意组合。

实施例一

图2为本实用新型实施例的阻抗测量系统的示意图。该阻抗测量系统用于测量燃料电池堆的阻抗。所述燃料电池堆由多片燃料电池单片串联而成。

如图2所示，所述阻抗测量系统包括电源电压调理电路、单片机和激励信号发生电路。

所述电源电压调理电路，用于将系统外部的供电电压调整为所述阻抗测量系统各模块需要的工作电压信号，并分别向所述单片机和所述激励信号发生电路输出各自所需要的工作电压信号；

所述单片机，用于接收所述电源电压调理电路输入的工作电压信号，根据外部指令确定配置参数，其中，所述配置参数包括用于确定待测燃料电池组的参数和激励信号参数；所述单片机还用于根据所述激励信号参数向激励信号发生电路发送激励控制信号，并接收激励信号发生电路反馈的信号；所述单片机还用于根据所反馈的信号调整激励控制信号，当所反馈的信号满足预设条件时，根据此刻激励信号发生电路所反馈的信号计算待测燃料电池组的阻抗；其中，所述待测燃料电池组是所述燃料电池堆中任一片燃料电池单片或者相邻的任意个数的燃料电池单片所形成的组；

所述激励信号发生电路，用于接收所述电源电压调理电路输入的工作电压信号，根据接收的激励控制信号产生激励信号，向待测燃料电池组施加所述激励信号，向所述单片机反馈信号。

一种示例性的实施例中，所述预设条件为根据用户需要设置的条件。

一种示例性的实施例中，所述预设条件为根据用户需要设置的条件。

预设条件是指电压激励信号的幅值和频率，或电流激励信号的幅值和频率。满足用户需要设置的预设条件是指电压激励信号的幅值达到目标激励信号的幅值且电压激励信号的频率达到目标激励信号的频率，或电流激励信号的幅值达到目标激励信号的幅值且电流激励信号的频率达到目标激励信号的频率。达到目标激励信号的参数是指，实测参数与目标参数之间的差值处于可接受的阈值范围以内。

一种示例性的实施例中，所述燃料电池堆中设置有N+1个电压测量接触点，N为燃料电池堆中燃料电池单片的数量；其中，第1片燃料电池单片的正极、第N片燃料电池单片的负极、以及各相邻的两片燃料电池单片之间各自作为一个电压测量接触点。

一种示例性的实施例中，所述阻抗测量系统还包括信号选通电路；

所述信号选通电路，用于接收所述电源电压调理电路输入的工作电压信号；根据单片机发送的选通控制信号将待测燃料电池组的第一电压测量接触点和第二电压测量接触点与所述激励信号发生电路电连接。

一种示例性的实施例中，所述用于确定待测燃料电池组的参数包括待测燃料电池组的身份标识ID；根据待测燃料电池组ID以及预设的燃料电池组 ID与电压测量接触点关系表确定所述待测燃料电池组ID对应的燃料电池组的第一电压测量接触点和第二电压测量接触点。

根据所述第一电压测量接触点和第二电压测量接触点以及预设的电压测量接触点和选通控制信号关系表确定选通控制信号。

一种示例性的实施例中，所述系统还包括：第一单片信号线，第二单片信号线，通过信号选通电路连接在激励信号发生电路和待测燃料电池组之间。

一种示例性的实施例中，所述激励信号发生电路包括激励信号发生模块、电压信号采集电路、电流信号采集电路；所述激励信号发生模块与电流信号采集电路串联后与所述电压信号采集电路并联；

一种示例性的实施例中，所述激励信号发生模块，用于接收所述电源电压调理电路输入的工作电压信号，根据接收的激励控制信号产生激励信号；并通过信号选通电路施加在待测燃料电池组上；

一种示例性的实施例中，所述电压信号采集电路，用于当所述激励信号发生模块在待测燃料电池组上施加激励信号后，采集第一单片信号线和第二单片信号线之间的电压，作为所述反馈的信号中的电压信号；其中，所述第一单片信号线传输的是从待测燃料电池组到激励信号发生电路的信号，所述第二单片信号线传输的是从激励信号发生电路到待测燃料电池组的信号；

所述电流信号采集电路，用于当所述激励信号发生模块在待测燃料电池组上施加激励信号后，采集流经第一单片信号线、激励信号发生模块、电流信号采集电路和第二单片信号线的支路电流以及流经第一单片信号线、电压信号采集电路和第二单片信号线的支路电流，作为所述反馈的信号中的电流信号。

一种示例性的实施例中，所述配置参数还包括目标电流激励信号或目标电压激励信号；

相应地，所述激励信号发生电路产生的激励信号为电流激励信号或电压激励信号；所述激励信号发生电路反馈的信号为电压信号或电流信号；

所述根据激励信号发生电路反馈的信号调整所述激励控制信号，包括：

当激励信号为电压激励信号时，根据目标电压激励信号与所述激励信号发生电路反馈的电压信号之间的差值进行比例-积分-微分PID控制来调整激励控制信号；

当激励信号为电流激励信号时，根据目标电流激励信号与所述激励信号发生电路反馈的电流信号之间的差值进行比例-积分-微分PID控制来调整激励控制信号。

一种示例性的实施例中，所述系统还包括：反馈信号线，连接在激励信号发生电路和单片机之间，用于传输激励信号发生电路反馈的电压信号或电流信号。

一种示例性的实施例中，所述信号选通电路包括两组信号选通模块，第一组信号选通模块是用于隔离或接通第一单片信号线和N+1个电压测量接触点；第二组信号选通模块是用于隔离或接通第二单片信号线和N+1个电压测量接触点。

一种示例性的实施例中，所述燃料电池堆分为M组燃料电池组，第一组信号选通模块包括M个，分别与第1到M组燃料电池组一一对应，第二组信号选通模块包括M个，分别与第1到M组燃料电池组一一对应，其中，M为大于或等于1的整数。

一种示例性的实施例中，同一时刻，第一组信号选通模块最多接通一个电压测量接触点与第一单片信号线，隔离其余电压测量接触点与第一单片信号线；同一时刻，第二组信号选通模块最多接通一个电压测量接触点与第二单片信号线，隔离其余电压测量接触点与第二单片信号线。

以第1和第M+1个信号选通模块为例进行说明，其它信号选通模块的情况可以类推。

假设第1、M+1个信号选通模块所对应的第1个燃料电池组包含三个单片，则共有4个测量接触点；当第二电压测量接触点位于第1组燃料电池组中时(即：是所述4个测量接触点之一)，单片机发送给第1个信号选通模块的控制信号，会让第1个信号选通模块将第二电压测量接触点和第二单片信号线连通，将第1组中其它的电压测量接触点和第二单片机信号线隔离；如果第二电压测量接触点不位于第1组燃料电池组中，则单片机发送给第1 个信号选通模块的控制信号，会让第1个信号选通模块将第1组中各电压测量接触点和第二单片信号线都隔离；

类似地，当第一电压测量接触点位于第1组燃料电池组中时(即：是所述4个测量接触点之一)，单片机发送给第M+1个信号选通模块的控制信号，会让第M+1个信号选通模块将第一电压测量接触点和第一单片信号线连通；将第1组中其它的电压测量接触点和第一单片机信号线隔离；如果第一电压测量接触点不位于第1组燃料电池组中，则单片机发送给第M+1个信号选通模块的控制信号，会让第M+1个信号选通模块将第1组中各电压测量接触点和第一单片信号线都隔离。

本实用新型提出了一种用于质子交换膜燃料电池的阻抗测量系统，实现了对燃料电池堆的所有单片的选通，实现对选通的燃料电池单片施加宽频率范围的电流或电压扰动，实现对选通的燃料电池单片电压和电流的同步信号处理和采集，实现对选通的燃料电池单片的阻抗测量，降低阻抗测量系统的功率消耗。本实用新型适用于单片或多片的燃料电池堆的所有单片的阻抗测量，但不仅限于燃料电池。只要是电化学反应装置，本实用新型都能实现电化学装置的阻抗测量。在实际应用时，存在将燃料电池堆的多个电气连接的燃料电池单片作为一个整体单片的情形，本实用新型同样能够实现所有整体单片的阻抗测量。

实施例二

图3所示为一种用于质子交换膜燃料电池的阻抗测量系统。

其中，典型的氢质子交换膜燃料电池单片结构和工作原理如图1所示，燃料电池单片由双极板、阴极气体扩散层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极气体扩散层构成，分别简称BP(Bipolar Plates)、CGDL (Cathode Gas Diffusion Layer)、CCL(Cathode Catalyst Layer)、PEM(Polymer Electrolyte Membrane)、ACL(Anode CatalystLayer)和AGDL(Anode Gas Diffusion Layer)，其中①为阴极侧空气流道，②和④为冷却介质流道，③为阳极侧氢气流道，⑤为双极板与阴极气体扩散层的接触界面，⑥为阴极气体扩散层与催化剂层的接触界面，⑦为阳极气体扩散层与催化剂层的接触界面，⑧为双极板与阳极气体扩散层的接触界面。阳极催化剂层、阴极催化剂层和质子交换膜统称膜电极，简称MEA(Membrane Electrode Assembly)。

阴极侧空气流道内空气流动方向、阳极侧氢气流道内氢气流动方向、阴极侧的双极板表面的冷却液流道内冷却液流动方向、阳极侧的双极板表面的冷却液流道内冷却液流动方向，取决于燃料电池单片结构设计。双极板和气体扩散层均是电子的良导体，根据燃料电池单片外电路电子流动方向可知，阴极侧的双极板电压高于阳极侧的双极板电压，使得阴极侧的双极板称为电池单片的正极、阳极侧的双极板称为电池单片的负极。燃料电池单片串联时，一个单片的阴极侧的双极板与另一个单片的阳极侧的双极板拼接在一起，通过结构设计和加工工艺，在双极板的一侧表面形成阴极侧空气流道，在双极板的另一侧表面形成阳极侧氢气流道，在双极板的中空流道内形成冷却液流道，同时满足电子传导、机械结构支撑、空气供给、氢气供给和单片电池冷却等功能。

如图3所示，质子交换膜燃料电池的阻抗测量系统由单片机(微型控制单元或微型处理芯片)、激励信号发生电路、信号选通电路组成，阻抗测量系统具备电源电压调理电路(将外界供电电压调整为阻抗测量系统内各电路和芯片所需要的工作电压)，阻抗测量系统具备通讯模块(实现阻抗测量系统与外界设备间进行信息交互传递)。单片机具有模拟信号采集、数字信号采集、数字信号输出、定时器、中断和信息通讯(CAN通讯、SCI通讯和SPI 通讯等)等基本功能，单片机具备浮点运算数据处理能力、具备数据存储功能，单片机内部可运行控制算法，某些单片机具有模拟信号输出功能。

燃料电池堆是由多片燃料电池单片串联而成的，记燃料电池单片数量为 N，第1片燃料电池单片的正极为燃料电池堆的对外输出电功率的正极，第1 片燃料电池单片的负极与第2片燃料电池单片的正极通过双极板(或导电线束)实现电连接。以此类推，第k+1片燃料电池单片的正极与第k片燃料电池单片的负极通过双极板(或导电线束)实现电连接，第k+1片燃料电池单片的负极与第k+2片燃料电池单片的正极通过双极板(或导电线束)实现电连接。第N片燃料电池单片的正极与第N-1片燃料电池单片的负极通过双极板(或导电线束)实现电连接，第N片燃料电池单片的负极为燃料电池堆的对外输出电功率的负极。燃料电池堆的正极和负极，分别与功率负载的正极和负极电连接。为测量N片燃料电池单片的全部单片电压，总共需要N+1 个电压测量接触点，按照从第1片燃料电池单片的正极到第N片燃料电池单片的负极的顺序，依次进行命名，分别记为单片电压信号端0、单片电压信号端1、单片电压信号端2到单片电压信号端N-1、单片电压信号端N。

阻抗测量系统中的信号选通电路，通过N+1根导电线束与燃料电池堆的 N+1个电压测量接触点依次进行电连接。单片机经由控制信号簇2(导电线束或印刷电路板铜线)对信号选通电路进行电连接和电信号控制，用于选通燃料电池堆的N+1个电压测量接触点中的任意两个(可相同、可不同)，并实现两个电压测量接触点(可相同、可不同)与激励信号发生电路进行两路电信号的电连接，与激励信号发生电路进行电连接的两个电信号分别记为单片信号1、单片信号2，优选的是燃料电池堆的任意一个单片的正极和相同单片的负极作为选通对象。其中选通是指，单片信号1与燃料电池堆的N+1个电压接触测量点中的任意一个电压接触测量点是电连接的，单片信号2与燃料电池堆的N+1个电压接触测量点中的任意一个电压接触测量点是电连接的，优选的电连接方式是可控光电耦合隔离式的，可控信号来自单片机的控制信号簇2。单片机经由控制信号簇2(导电线束或印刷电路板铜线)对信号选通电路进行电连接和电信号控制，可实现单片信号1与燃料电池堆的全部 N+1个电压测量接触点保持断开状态，可同时实现单片信号2与燃料电池堆的全部N+1个电压测量接触点保持断开状态，以保护阻抗测量系统和降低阻抗测量系统功耗。

一种信号选通电路的实施方案如图4所示。燃料电池堆是由N片燃料电池单片串联而成的，第1片燃料电池单片的正极为燃料电池堆的正极，第 N片燃料电池单片的负极为燃料电池对的负极，共有N+1个电压测量接触点，燃料电池堆的正极和负极分别于功率负载的正极和负极进行电连接。信号选通电路是由2M块信号选通模块组合而成，将燃料电池堆的所有单片分成数量为M组的燃料电池组，每组燃料电池组所包含的燃料电池单片是紧密串联在一起的，每组燃料电池组所包含的燃料电池单片数量是任意的。信号选通模块1和信号选通模块M+1都需要连接到燃料电池堆的第1片燃料电池单片的正极，信号选通模块M和信号选通模块2M都需要连接到燃料电池堆的第 N片燃料电池单片的负极。每个信号选通模块都与单片机之间通过控制信号进行连接，当信号选通模块所连接的燃料电池堆的电压测量接触点的数量不同时，每个信号选通模块的控制信号所包含的控制信号线束的数量是不同的，并取决于所选择的信号选通模块的功能配置。单片机通过控制信号M+1、控制信号M+2到控制信号2M对信号选通模块M+1、信号选通模块M+2到信号选通模块2M进行控制，使其选择燃料电池堆的N+1个电压测量接触点中的任意一个电压测量接触点与单片信号1是电导通的且导通阻抗低。只需要根据目标的燃料电池单片编号，选择导通相应的电压测量点(单片信号端) 即可。比如，目标的燃料电池单片编号为1，如果信号选通模块1选择导通单片信号端0，那么信号选通模块M+1就选择导通单片信号端1；目标的燃料电池单片编号为1，如果信号选通模块1选择导通单片信号端1，那么信号选通模块M+1就选择导通单片信号端0。这两种信号选通方式，使得单片电压信号采集结果互为正反。单片机通过控制信号1、控制信号2到控制信号 M对信号选通模块1、信号选通模块2到信号选通模块M进行控制，使其选择燃料电池堆的N+1个电压测量接触点中的任意一个电压测量接触点与单片信号2是电导通的且导通阻抗低。单片机与所有信号选通模块电连接的控制信号所包含的全部控制信号线束数量，随着燃料电池堆的单片数量增加而增加，在实际应用中，通常在阻抗测量系统尺寸、成本和可靠性等约束条件下，进行优化选择。

阻抗测量系统中的激励信号发生电路，通过单片信号1和单片信号2与燃料电池堆的N+1个电压测量接触点中的任意两个(可相同、可不同)进行电连接。激励信号发生电路、单片信号2、与单片信号2电连接的燃料电池堆的电压测量点、单片信号1、与单片信号1电连接的燃料电池堆的电压测量点、两个电压测量点之间的燃料电池组(至少由1片燃料电池单片组成)，形成了闭合的电回路。单片机经由控制信号簇1(导电线束或印刷电路板铜线)对激励信号发生电路进行电连接和电信号控制，在闭合的电回路中对两个电压测量点之间的燃料电池组施加电压或电流激励信号，激励信号可以是单频率正弦电流激励或正弦电压激励、多频率正弦电流激励或正弦电压激励等任意形式的，激励信号完全受到单片机控制。在激励信号发生电路中布置测量电路，专门用于测量单片信号1和单片信号2之间的电压差(也可以是单片信号2和单片信号1之间的电压差)，同时专门用于测量流经单片信号 1和单片信号2的电流，形成反馈信号簇1，并与单片机进行电压连接(导电线束或印刷电路板铜线)，反馈信号簇1优选是模拟电压信号。

一种激励信号发生电路的实施方案如图5所示。激励信号发生电路是由激励信号发生模块、电压信号采集电路、电流信号采集电路组成的，激励信号发生模块与单片机之间通过控制信号簇1进行电连接，激励信号发生模块与信号选通电路之间通过单片信号1、单片信号2进行电连接，电流信号采集电路与单片机之间通过电流反馈信号进行电连接，电压信号采集电路与单片机之间通过电压反馈信号进行电连接，激励信号发生电路与单片机之间的反馈信号簇1包括电压反馈信号和电流反馈信号。电压信号采集电路用于采集单片信号1与单片信号2之间的电压或者采集单片信号2与单片信号1 之间的电压。电流信号采集电路用于采集从单片信号1流经激励信号发生模块再返回到单片信号2的电流，也可是用于采集从单片信号2流经激励信号发生模块再返回到单片信号1的电流。流经单片信号1和单片信号2的电流，在电压信号采集电路一支、激励信号发生模块和电流信号采集电路一支中进行分流，通过设计电压信号采集电路输入阻抗可减少电压信号采集电路一支的电流分流值。

当激励信号发生电路与控制信号簇1之间，当存在较明显电压差异时，可以设置隔离电路，以提高单片机及相关电路可靠性和安全系数。

激励信号发生模块功能是，单片机经由控制信号簇1控制激励信号发生模块中的可控元器件，调控流经单片信号1、激励信号发生模块和电流信号采集电路的电流(电流也可以是反方向的)，或者调控单片信号1和单片信号2之间的电压(也可以是单片信号2和单片信号1之间的电压)。优选的，激励信号发生模块可以是低电压低功耗的DC/DC变换器，也可以是低电压低功率的可控电流电路(比如电子负载模拟电路)，也可以是低电压低功率的可控电压电路(比如电子负载模拟电路)，但不仅限于低电压，也不仅限于前述的几种可能电路范畴。

单片机经由通讯信号簇与外界进行信号传输，外界是指具有信息交互功能的个人电脑或控制器等。阻抗测量系统中的单片机，至少发挥下述功能中的一个。第一种功能是，根据通讯信号簇接收到的外界控制命令，解析需要选通的燃料电池堆的两个电压测量接触点，解析需要施加在燃料电池堆的两个电压测量接触点之间的燃料电池组两端的激励信号参数，经由控制信号簇 2对信号选通电路进行控制以快速准确地选通外界需要的两个电压测量接触点，经由控制信号簇1对激励信号发生电路进行控制以对燃料电池堆的两个电压测量接触点之间的燃料电池组施加外界需要的激励信号，经由反馈信号簇1同步获取流经燃料电池组的电流和燃料电池组的两端之间的电压，单片机将反馈信号进行必要的格式转换以供单片机内部进行数据处理，并将外界需要的反馈信号经由通讯信号簇并按照目标格式传输给外界。其中，单片机进行多个信号采集时，受单片机总线时钟频率和各子功能模块的时钟频率和信号采集配置模式以及单片机功能架构影响，不能严格实现物理上的不同信号间的无延迟采集，但只要多个信号采集的时间间隔对数据信号处理的结果的影响是可接受的(根据使用需要而进行限定)，就认为上述多个信号的采集时同步获取的。第二种功能是，单片机按照预先设置的硬件和软件配置，按照预先设置的周期和测量顺序，测量燃料电池堆的所有预设的燃料电池组 (两个电压测量接触点之间的燃料电池)的电压信号，电压测量方式与第一种功能中的描述相同(未启用激励信号发生的情况下)，并将电压信号按照预先设置的模式经由通讯信号簇不断地向外界进行信号传输。

一种单片机的基本原理如图6所示。单片机具有模拟信号采集、数字信号采集、数字信号输出、定时器、中断和信息通讯(CAN通讯、SCI通讯和 SPI通讯等)等基本功能，单片机具备浮点运算数据处理能力、具备数据存储功能，单片机内部可运行控制算法，某些单片机具有模拟信号输出功能。单片机由外部电源电路向单片机提供需求电压和电流，单片机由中央处理单元CPU进行指令操作，由寄存器进行单片机内子模块功能配置和配合指令操作等，由通用输入接口将数字信号输入给单片机，由通用输出接口实现单片机目标数字信号输出，由定时器实现预设时间周期的函数调用机制，用A/D 转换模块实现单片机模拟量输入转换，用D/A转换模块实现单片机预设模拟量输出转换，单片机功能现有已知技术已经非常强大和低成本，在阻抗测量系统中，只需要根据数据运算量和预期功能进行筛选即可，不在本专利技术保护范围内。

在本实用新型中，单片机必须采集来自激励信号发生电路的反馈信号簇 1所包含的信息，单片机必须经由控制信号簇1将控制信号传递给激励信号发生模块，单片机必须经由通讯信号簇实现与外界进行信息交互(包括通讯信号输出和通讯信号输入)，单片机必须经由控制信号1到控制信号2M实现对信号选通模块的控制，控制信号1到控制信号2M组成控制信号簇2。

当对燃料电池组施加电流激励信号时，根据外界通讯信号指令，设定目标电流激励信号波形，同时与单片机采集的激励信号发生电路反馈的实际电流信号进行做差比较，控制算法根据目标电流信号和实际电流信号差值调整控制信号，一种可行的控制算法是比例-积分-微分控制。

当对燃料电池组施加电流激励信号时，根据外界通讯信号指令，设定目标电压激励信号波形，同时与单片机采集的激励信号发生电路反馈的实际电压信号进行做差比较，控制算法根据目标电压信号和实际电压信号差值调整控制信号，一种可行的控制算法是比例-积分-微分控制。控制信号的输出形式，可以是模拟量信号，也可以是数字信号。

当对燃料电池组施加电流激励信号时，一种可行的电流激励信号波形是幅值为△I、频率为f、相位为θ的正弦波，燃料电池组必然产生频率为f的电压响应信号(幅值为△U、相位为θ-φ)，电流激励信号是指流经单片信号1、激励信号发生模块、电流信号采集电路和单片信号2的电流，电压响应信号是指单片信号1和单片信号2之间的电压(也可以是单片信号2和单片信号1之间的电压)。

当对燃料电池组施加电压激励信号时，一种可行的电压激励信号波形是幅值为△U、相位为θ、频率为f的正弦波，燃料电池组必然产生频率为f 的电流响应信号(幅值为△I、相位为θ+φ)，电压激励信号是指单片信号 1和单片信号2之间的电压(也可以是单片信号2和单片信号1之间的电压)，电流响应信号是指流经单片信号1、激励信号发生模块、电流信号采集电路和单片信号2的支路电流与流经单片信号1、电压信号采集电路和单片信号2 的支路电流的总电流。

本实用新型技术方案能够实现氢质子交换膜燃料电池堆的所有燃料电池单片的阻抗频谱测量，允许的燃料电池堆的燃料电池单片的数量范围更宽，同时避免采用功率负载对燃料电池堆施加激励信号所带来的技术复杂程度，对燃料电池单片或燃料电池单片组施加的激励信号控制精度高、控制技术难度低，技术实现成本低且可应用于交通运输领域的燃料电池系统。本实用新型所提出的阻抗测量系统，可以与质子交换膜燃料电池系统中单片电压巡检装置集成在一起。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本实用新型不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上仅为本实用新型的优选实施例，当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种阻抗测量系统，应用于测量燃料电池堆的阻抗，所述燃料电池堆由多片燃料电池单片串联而成，其特征在于，

所述阻抗测量系统包括电源电压调理电路、单片机和激励信号发生电路；

所述电源电压调理电路，用于将系统外部的供电电压调整为所述阻抗测量系统各模块需要的工作电压信号，并分别向所述单片机和所述激励信号发生电路输出各自所需要的工作电压信号；

所述单片机，用于接收所述电源电压调理电路输入的工作电压信号，根据外部指令确定配置参数，其中，所述配置参数包括用于确定待测燃料电池组的参数和激励信号参数；所述单片机还用于根据所述激励信号参数向激励信号发生电路发送激励控制信号，并接收激励信号发生电路反馈的信号；所述单片机还用于根据所反馈的信号调整激励控制信号，当所反馈的信号满足预设条件时，根据此刻激励信号发生电路所反馈的信号计算待测燃料电池组的阻抗；其中，所述待测燃料电池组是所述燃料电池堆中任一片燃料电池单片或者相邻的任意个数的燃料电池单片所形成的组；

所述激励信号发生电路，用于接收所述电源电压调理电路输入的工作电压信号，根据接收的激励控制信号产生激励信号，向待测燃料电池组施加所述激励信号，向所述单片机反馈信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

其中，所述燃料电池堆中设置有N+1个电压测量接触点，N为燃料电池堆中燃料电池单片的数量；其中，第1片燃料电池单片的正极、第N片燃料电池单片的负极、以及各相邻的两片燃料电池单片之间各自作为一个电压测量接触点。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述阻抗测量系统还包括信号选通电路；

所述信号选通电路，用于接收所述电源电压调理电路输入的工作电压信号；根据单片机发送的选通控制信号将待测燃料电池组的第一电压测量接触点和第二电压测量接触点与所述激励信号发生电路电连接。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述系统还包括：第一单片信号线，第二单片信号线，通过信号选通电路连接在激励信号发生电路和待测燃料电池组之间。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述激励信号发生电路包括激励信号发生模块、电压信号采集电路、电流信号采集电路；所述激励信号发生模块与电流信号采集电路串联后与所述电压信号采集电路并联；

所述激励信号发生模块，用于接收所述电源电压调理电路输入的工作电压信号，根据接收的激励控制信号产生激励信号；并通过信号选通电路施加在待测燃料电池组上；

所述电压信号采集电路，用于当所述激励信号发生模块在待测燃料电池组上施加激励信号后，采集第一单片信号线和第二单片信号线之间的电压，作为所述反馈的信号中的电压信号；其中，所述第一单片信号线传输的是从待测燃料电池组到激励信号发生电路的信号，所述第二单片信号线传输的是从激励信号发生电路到待测燃料电池组的信号；

所述电流信号采集电路，用于当所述激励信号发生模块在待测燃料电池组上施加激励信号后，采集流经第一单片信号线、激励信号发生模块、电流信号采集电路和第二单片信号线的支路电流以及流经第一单片信号线、电压信号采集电路和第二单片信号线的支路电流，作为所述反馈的信号中的电流信号。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述系统还包括：反馈信号线，连接在激励信号发生电路和单片机之间，用于传输激励信号发生电路反馈的电压信号或电流信号。

7.如权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述信号选通电路包括两组信号选通模块，第一组信号选通模块是用于隔离或接通第一单片信号线和N+1个电压测量接触点；第二组信号选通模块是用于隔离或接通第二单片信号线和N+1个电压测量接触点。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述燃料电池堆分为M组燃料电池组，第一组信号选通模块包括M个，分别与第1到M组燃料电池组一一对应，第二组信号选通模块包括M个，分别与第1到M组燃料电池组一一对应，其中，M为大于或等于1的整数。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，

同一时刻，第一组信号选通模块最多接通一个电压测量接触点与第一单片信号线，隔离其余电压测量接触点与第一单片信号线；

同一时刻，第二组信号选通模块最多接通一个电压测量接触点与第二单片信号线，隔离其余电压测量接触点与第二单片信号线。

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