CN212364532U - 快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，包括：单片机；FPGA，所述FPGA的第一端通过COM接口与所述单片机电连接；电流控制模块，所述电流控制模块的第一端与所述FPGA的第二端电连接；输出控制模块，所述输出控制模块的第一端与所述FPGA的第三端电连接；第一信号采集模块，所述第一信号采集模块的第一端与所述FPGA的第四端电连接；第二信号采集模块，所述第二信号采集模块的第一端与所述FPGA的第五端电连接。本实用新型所提供的快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，能够快速测量出燃料电池的交流阻抗，测量精度高，测量频率范围宽，能够同时切换测量量程，能兼容测量大功率和小功率的燃料电池，适用于各种类型的燃料电池。

Description

快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器；它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池交流阻抗是燃料电池性能的关键数据，进行燃料电池的交流阻抗测试可以识别有问题的燃料电磁组件和其他在组装过程中产生的误差；有助于确定燃料电池系统中的运动阻力，欧姆电阻(例如：电解液，接触、渗透层电阻)，以及反应物的运输限制。

传统的交流阻抗测试仪中，一般是采用交流注入法，检测装置外接一个信号发生器注入燃料电池中，产生微弱的交流信号接入通用低速adc芯片，再通过单片机进行运算，计算出电池(电容)的交流阻抗。此装置接线复杂，而且无法测试高压及大功率电池，燃料电池能量密度大，交流成分叠加在直流电流上，对测试交流信号时形成干扰，且目前单片机程序是串行执行了，执行完一条才能执行下一条，从而限制了设备的数据采样速度；通用低速adc芯片不仅速度不快，精度相对来说也不高，一般测试方法已经无法满足燃料电池交流内置测试。

实用新型内容

本实用新型提供了一种快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，其目的是为了解决传统的交流阻抗测试仪的测量速度慢，测量频率范围窄和准确性不高，硬件接线复杂，成本高且无法测量大功率高压的燃料电池的交流阻抗，测量人员不易掌握的问题。

为了达到上述目的，本实用新型的实施例提供了一种快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，包括：

单片机；

FPGA，所述FPGA的第一端通过COM接口与所述单片机电连接；

电流控制模块，所述电流控制模块的第一端与所述FPGA的第二端电连接；

输出控制模块，所述输出控制模块的第一端与所述FPGA的第三端电连接；

第一信号采集模块，所述第一信号采集模块的第一端与所述FPGA的第四端电连接；

第二信号采集模块，所述第二信号采集模块的第一端与所述FPGA的第五端电连接；

燃料电池，所述燃料电池的第一端与所述电流控制模块的第二端电连接，所述燃料电池的第二端与所述输出控制模块的第二端电连接，所述燃料电池的第三端与所述第一信号采集模块的第二端电连接，所述燃料电池的第四端与所述第一信号采集模块的第三端电连接，所述燃料电池的第五端与所述第二信号采集模块的第二端电连接，所述燃料电池的第六端与所述第二信号采集模块的第三端电连接。

其中，所述电流控制模块包括：

DC_CTRL，所述DC_CTRL的第一端与所述FPGA的第二端电连接；

第一电子负载，所述第一电子负载的第一端通过标准接口与所述DC_CTRL的第二端电连接，所述第一电子负载的第二端与所述燃料电池的第一端电连接。

其中，所述输出控制模块包括：

AC_CTRL，所述AC_CTRL的第一端与所述FPGA的第三端电连接；

高速DAC芯片，所述高速DAC芯片的第一端与所述AC_CTRL的第二端电连接；

第一运算放大器，所述第一运算放大器的第一输入端与所述第一运算放大器的输出端电连接，所述第一运算放大器的第二输入端与所述高速DAC芯片的第二端电连接；

第二电子负载，所述第二电子负载的第一端与所述第一运算放大器的输出端电连接，所述第二电子负载的第二端与所述燃料电池的第二端电连接。

其中，所述第一信号采集模块包括：

AC_Itest，所述AC_Itest的第一端与所述FPGA的第四端电连接；

第一高速ADC芯片，所述第一高速ADC芯片的第一端与所述AC_Itest的第二端电连接；

第二运算放大器，所述第二运算放大器的输出端与所述第一高速ADC芯片的第二端电连接；

无感电流采样电阻，所述无感电流采样电阻的第一端与所述第二运算放大器的第一输入端电连接，所述无感电流采样电阻的第二端与所述第二运算放大器的第二输入端电连接，所述无感电流采样电阻的第三端与所述燃料电池的第三端电连接，所述无感电流采样电阻的第四端与所述燃料电池的第四端电连接。

其中，所述第二信号采集模块包括：

AC_Vtest，所述AC_Vtest的第一端与所述FPGA的第五端电连接；

第二高速ADC芯片，所述第二高速ADC芯片的第一端与所述AC_Vtest的第二端电连接；

第三运算放大器，所述第三运算放大器的输出端与所述第二高速ADC芯片的第二端电连接，所述第三运算放大器的第一输入端与所述燃料电池的第五端电连接，所述第三运算放大器的第二输入端与所述燃料电池的第六端电连接。

本实用新型的上述方案有如下的有益效果：

本实用新型的上述实施例所述的快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，能够快速测量出燃料电池的交流阻抗，测量精度高，能够同时切换测量量程，能兼容测量大功率和小功率的燃料电池，具备单独频率测试及多频率自动测试的功能，测量频率范围能达到0.01Hz～20KHZ交流信号，多频测试功能的结果还能通过上位机软件描绘出科尔-科尔曲线对燃料电池进行阻抗分析，实现了激励源与检测功能设备于一体，大大节约了设备成本，测量装置简化，人工测试一键化操作。

附图说明

图1是本实用新型的具体电路示意图。

【附图标记说明】

1-单片机；2-FPGA；3-电流控制模块；4-输出控制模块；5-第一信号采集模块；6-第二信号采集模块；7-燃料电池；8-DC_CTRL；9-第一电子负载；10-AC_CTRL；11-高速DAC芯片；12-第一运算放大器；13-第二电子负载；14-AC_Itest；15-第一高速ADC芯片；16-第二运算放大器；17-无感电流采样电阻；18-AC_Vtest；19-第二高速ADC芯片；20-第三运算放大器。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型针对现有的交流阻抗测试仪的测量速度慢，测量频率范围窄和准确性不高，硬件接线复杂，成本高且无法测量大功率高压的燃料电池的交流阻抗，测量人员不易掌握的问题，提供了一种快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构。

如图1所示，本实用新型的实施例提供了一种快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，包括：单片机1；FPGA2，所述FPGA2的第一端通过COM接口与所述单片机1电连接；电流控制模块3，所述电流控制模块3的第一端与所述FPGA2的第二端电连接；输出控制模块4，所述输出控制模块4的第一端与所述FPGA2的第三端电连接；第一信号采集模块5，所述第一信号采集模块5的第一端与所述FPGA2的第四端电连接；第二信号采集模块6，所述第二信号采集模块6的第一端与所述FPGA2的第五端电连接；燃料电池7，所述燃料电池7的第一端与所述电流控制模块3的第二端电连接，所述燃料电池7的第二端与所述输出控制模块4的第二端电连接，所述燃料电池7的第三端与所述第一信号采集模块5的第二端电连接，所述燃料电池7的第四端与所述第一信号采集模块5的第三端电连接，所述燃料电池7的第五端与所述第二信号采集模块6的第二端电连接，所述燃料电池7的第六端与所述第二信号采集模块6的第三端电连接。

本实用新型的上述实施例所述的快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，采用M4系列所述单片机1、所述FPGA2、所述高速DAC芯片11、所述第一高速ADC芯片15和所述第二高速ADC芯片19的架构，能够快速准确的测量出所述燃料电池7的交流阻抗，首先通过所述单片机1从人机窗口处获取相关测量参数，然后所述单片机1把获取的相关参数通过所述高速DAC芯片11激励出不同频率的交流信号，将不同频率的交流信号给所述第二电子负载13，从而产生大电流交流信号，将大电流交流信号注入所述燃料电池7，所述FPGA2再把得到的参数分别配置到所述第一高速ADC芯片15和所述第二高速ADC芯片19上，从而所述第一高速ADC芯片15和所述第二高速ADC芯片19按照相应参数进行数据发射和信号采集，所述FPGA2可以并行处理，即信号的发射以及采集可以同时进行，采集到的数据通过所述FPGA2回传到所述单片机1，通过所述无感电流采样电阻17采集的数据采样频率范围宽，所述单片机1把获得的数据通过FFT算法处理，便得到了对应的交流阻抗值，最后再把结果显示到人机界面上，从而用户能够快速测量到当前所述燃料电池7的交流阻抗，所述快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，能够快速准确的测量出0.01Hz-20KHz频率的大功率燃料电池的交流阻抗，并且能够绘制出科尔-科尔曲线来分析交流阻抗特性，测量频率为0.01Hz-20KHz，测量所述燃料电池7的电压范围为0V-1000V，直流范围为0A-600A，所述无感电流采样电阻17测量精度达3％，测量装置简化，人工测试一键化操作。

其中，所述电流控制模块3包括：DC_CTRL8，所述DC_CTRL8的第一端与所述FPGA2的第二端电连接；第一电子负载9，所述第一电子负载9的第一端通过标准接口与所述DC_CTRL8的第二端电连接，所述第一电子负载9的第二端与所述燃料电池7的第一端电连接。

本实用新型的上述实施例所述的快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，所述DC_CTRL8用于控制负载产生0A-600A的直流电流，使所述燃料电池7正常工作起来。

其中，所述输出控制模块4包括：AC_CTRL10，所述AC_CTRL10的第一端与所述FPGA2的第三端电连接；高速DAC芯片11，所述高速DAC芯片11的第一端与所述AC_CTRL10的第二端电连接；第一运算放大器12，所述第一运算放大器12的第一输入端与所述第一运算放大器12的输出端电连接，所述第一运算放大器12的第二输入端与所述高速DAC芯片11的第二端电连接；第二电子负载13，所述第二电子负载13的第一端与所述第一运算放大器12的输出端电连接，所述第二电子负载13的第二端与所述燃料电池7的第二端电连接。

本实用新型的上述实施例所述的快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，所述AC_CTRL10用于激励所述第二电子负载13产生0.01Hz～20KHz的交流电流的编程电压，由所述单片机1配置所述FPGA2控制所述高速DAC芯片11输出。

其中，所述第一信号采集模块5包括：AC_Itest14，所述AC_Itest14的第一端与所述FPGA2的第四端电连接；第一高速ADC芯片15，所述第一高速ADC芯片15的第一端与所述AC_Itest14的第二端电连接；第二运算放大器16，所述第二运算放大器16的输出端与所述第一高速ADC芯片15的第二端电连接；无感电流采样电阻17，所述无感电流采样电阻17的第一端与所述第二运算放大器16的第一输入端电连接，所述无感电流采样电阻17的第二端与所述第二运算放大器16的第二输入端电连接，所述无感电流采样电阻17的第三端与所述燃料电池7的第三端电连接，所述无感电流采样电阻17的第四端与所述燃料电池7的第四端电连接。

本实用新型的上述实施例所述的快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，所述无感电流采样电阻17用于采集低频到高频模拟信号，有优秀的高频响应性能。

其中，所述第二信号采集模块6包括：AC_Vtest18，所述AC_Vtest18的第一端与所述FPGA2的第五端电连接；第二高速ADC芯片19，所述第二高速ADC芯片19的第一端与所述AC_Vtest18的第二端电连接；第三运算放大器20，所述第三运算放大器20的输出端与所述第二高速ADC芯片19的第二端电连接，所述第三运算放大器20的第一输入端与所述燃料电池7的第五端电连接，所述第三运算放大器20的第二输入端与所述燃料电池7的第六端电连接。

本实用新型的上述实施例所述的快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，所述第一运算放大器12、所述第二运算放大器16和所述第三运算放大器20，用于激励信号的控制以及电压电流采集的信号调理，所述燃料电池7的交流内阻采集：测试者通过人机界面设置测试参数，选择测试模式(定频，扫频，单次，多次)；所述单片机1将配置参数写入所述FPGA2，所述FPGA2并行控制设定及回读，反应时间快，所述FPGA2控制所述高速DAC芯片11、所述第一电子负载9和所述第二电子负载13拉载所述燃料电池7工作的直流及注入交流电流，一般交流电流最大为直流电流的十分之一，所述燃料电池7充分反应，通过所述无感电流采样电阻17采集不同频率电流的模拟量信号，通过所述第三运算放大器20采集交流电压信号，通过所述第二运算放大器16和所述第三运算放大器20反馈到所述第一高速ADC芯片15和所述第二高速ADC芯片19，所述第一高速ADC芯片15和所述第二高速ADC芯片19将采集到的不同频率电流的模拟量信号和采集到的交流电压信号传输到所述FPGA2，所述FPGA2通过COM接口和所述单片机1交互，所述单片机1通过FFT算法，傅立叶变换等一系列复杂计算出所述燃料电池7的交流电阻R、电抗XL、阻抗Z和相移θ，巧妙的利用所述FPGA2的特性，能够驱动高速高精度的所述第一高速ADC芯片15和所述第二高速ADC芯片19，所述无感电流采样电阻17能过滤高频信号叠加的震荡信号，测量频率范围宽，从而快速准确的测量出所述燃料电池7的交流阻抗，适用于各种类型的所述燃料电池7。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，其特征在于，包括：

单片机；

FPGA，所述FPGA的第一端通过COM接口与所述单片机电连接；

电流控制模块，所述电流控制模块的第一端与所述FPGA的第二端电连接；

输出控制模块，所述输出控制模块的第一端与所述FPGA的第三端电连接；

第一信号采集模块，所述第一信号采集模块的第一端与所述FPGA的第四端电连接；

第二信号采集模块，所述第二信号采集模块的第一端与所述FPGA的第五端电连接；

燃料电池，所述燃料电池的第一端与所述电流控制模块的第二端电连接，所述燃料电池的第二端与所述输出控制模块的第二端电连接，所述燃料电池的第三端与所述第一信号采集模块的第二端电连接，所述燃料电池的第四端与所述第一信号采集模块的第三端电连接，所述燃料电池的第五端与所述第二信号采集模块的第二端电连接，所述燃料电池的第六端与所述第二信号采集模块的第三端电连接。

2.根据权利要求1所述的快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，其特征在于，所述电流控制模块包括：

DC_CTRL，所述DC_CTRL的第一端与所述FPGA的第二端电连接；

第一电子负载，所述第一电子负载的第一端通过标准接口与所述DC_CTRL的第二端电连接，所述第一电子负载的第二端与所述燃料电池的第一端电连接。

3.根据权利要求2所述的快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，其特征在于，所述输出控制模块包括：

AC_CTRL，所述AC_CTRL的第一端与所述FPGA的第三端电连接；

高速DAC芯片，所述高速DAC芯片的第一端与所述AC_CTRL的第二端电连接；

第一运算放大器，所述第一运算放大器的第一输入端与所述第一运算放大器的输出端电连接，所述第一运算放大器的第二输入端与所述高速DAC芯片的第二端电连接；

第二电子负载，所述第二电子负载的第一端与所述第一运算放大器的输出端电连接，所述第二电子负载的第二端与所述燃料电池的第二端电连接。

4.根据权利要求3所述的快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，其特征在于，所述第一信号采集模块包括：

AC_Itest，所述AC_Itest的第一端与所述FPGA的第四端电连接；

第一高速ADC芯片，所述第一高速ADC芯片的第一端与所述AC_Itest的第二端电连接；

第二运算放大器，所述第二运算放大器的输出端与所述第一高速ADC芯片的第二端电连接；

无感电流采样电阻，所述无感电流采样电阻的第一端与所述第二运算放大器的第一输入端电连接，所述无感电流采样电阻的第二端与所述第二运算放大器的第二输入端电连接，所述无感电流采样电阻的第三端与所述燃料电池的第三端电连接，所述无感电流采样电阻的第四端与所述燃料电池的第四端电连接。

5.根据权利要求4所述的快速测量燃料电池阻抗的拓扑结构，其特征在于，所述第二信号采集模块包括：

AC_Vtest，所述AC_Vtest的第一端与所述FPGA的第五端电连接；

第二高速ADC芯片，所述第二高速ADC芯片的第一端与所述AC_Vtest的第二端电连接；

第三运算放大器，所述第三运算放大器的输出端与所述第二高速ADC芯片的第二端电连接，所述第三运算放大器的第一输入端与所述燃料电池的第五端电连接，所述第三运算放大器的第二输入端与所述燃料电池的第六端电连接。

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