电化学储能装置的交流阻抗分析方法以及其工作状态的分析方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种电化学储能装置的交流阻抗分析方法，包括以下步骤：提供一集成DC/DC变换器，该集成DC/DC变换器包括第一DC/DC变换器、扰动源以及控制器，所述第一DC/DC变换器与该扰动源并联；所述控制器开启所述扰动源，同时调控所述扰动源产生一电流扰动信号；利用该电流扰动信号对所述电化学储能装置的输出电流进行扰动；检测该电化学储能装置扰动后的输出电流以及输出电压；根据该电流扰动信号以及所述扰动后的输出电流以及输出电压计算与该电流扰动信号的频率对应的阻抗，以及改变所述电流扰动信号的频率，重新对所述电化学储能装置的输出电流进行扰动，以获得该电化学储能装置的交流阻抗频谱。

【技术实现步骤摘要】
电化学储能装置的交流阻抗分析方法以及其工作状态的分析方法
本专利技术涉及一种电化学储能装置的交流阻抗分析方法以及其工作状态的监测方法。
技术介绍
氢氧质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，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(GasDiffusionLayer，简称GDL)、膜电极组件(MembraneElectrodeAssemblies，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。请参阅图1，一种典型的燃料电池系统100包括燃料电池电堆10、氢气系统12、空气系统14、冷却系统16、回收系统18以及DC/DC控制器19。其中，空气系统14包括空压机142、散热器144、增湿器146以及第一流量控制阀148。所述回收系统18包括冷凝器182以及第二流量控制阀184。环境空气经由空压机142压缩后进入散热器144，由散热器144冷却后进入增湿器146进行增湿，增湿后进入燃料电池电堆10，燃料电池电堆10阴极侧的氧气和来自阳极侧的氢离子发生化学反应，在输出电能的同时产生水(气态或液态)。因此在参与反应后的阴极空气中氧气含量下降，水含量(湿度)增加。在燃料电池电堆10出口的空气经冷凝器182回收水分后，通过第二流量控制阀184排入空气环境中。其中，可通过空压机142、第一流量控制阀148以及第二流量控制阀的协调控制来控制进入燃料电池电堆10的空气流量和空气压力，可以通过散热器144调整进气温度，通过增湿器146来控制进气湿度。根据PEMFC的工作原理和性能特点可知，由于燃料电池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。如何准确获悉燃料电池单片工作状态，判断燃料电池单片是否处于非正常工作状态如膜干或水淹，来及时调整燃料电池供气系统和增湿系统控制环节，以改善燃料电池性能，是燃料电池系统控制的一个挑战。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，如各个元件的工作条件(温度、湿度等)。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，如日本KIKUSUI菊水公司和英国Solarton公司生产开发的产品，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大客车系统的要求，自然而然很难实现大规模的实车应用。
技术实现思路
有鉴于此，确有必要提供一种简单有效且成本较低的电化学储能装置的交流阻抗分析方法以及其工作状态的监测方法。一种电化学储能装置的交流阻抗分析方法，包括以下步骤：提供一集成DC/DC变换器，该集成DC/DC变换器包括第一DC/DC变换器、扰动源以及控制器，所述第一DC/DC变换器与该扰动源并联，所述第一DC/DC变换器的输入端与电化学储能装置的输出端连接，所述扰动源包括开关器件，该第一DC/DC变换器的输出端与负载连接，用以调控所述电化学储能装置的输出以满足负载输出，所述控制器选择性地开启或关断所述扰动源；所述控制器开启所述扰动源，同时调控所述扰动源产生一电流扰动信号；利用该电流扰动信号对所述电化学储能装置的输出电流进行扰动；检测该电化学储能装置扰动后的输出电流以及输出电压；根据该电流扰动信号以及所述扰动后的输出电流以及输出电压计算与该电流扰动信号的频率对应的阻抗，以及改变所述电流扰动信号的频率，重新对所述电化学储能装置的输出电流进行扰动，以获得该电化学储能装置的交流阻抗频谱。一种电化学储能装置工作状态的分析方法，包括以下步骤：提供一典型交流阻抗频谱，该典型交流阻抗频谱包括多个反映理想电化学储能装置中各个部件工作状态的典型频率阻抗对应值；采用上述的交流阻抗频谱分析的方法获得该电化学储能装置实际交流阻抗频谱，其中，所述电化学储能装置与所述理想电化学储能装置的类型相同，以及将所述实际交流阻抗频谱与所述典型交流阻抗频谱进行比较来分析所述电化学储能装置中各个部件的工作状态。本专利技术实施例提供的分析方法中通过所述集成DC/DC变换器中的扰动源在所述电化学储能装置的输出端施加不同频率的电流扰动信号，并通过检测所述电化学储能装置输出端的电流和电压即可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学储能装置的交流阻抗分析方法，包括以下步骤：提供一集成DC/DC变换器，该集成DC/DC变换器包括第一DC/DC变换器、扰动源以及控制器，所述第一DC/DC变换器与该扰动源并联，所述第一DC/DC变换器的输入端与电化学储能装置的输出端连接，所述扰动源包括开关器件，该第一DC/DC变换器的输出端与负载连接，用以调控所述电化学储能装置的输出以满足负载输出，所述控制器选择性地开启或关断所述扰动源；所述控制器开启所述扰动源，同时调控所述扰动源产生一电流扰动信号；利用该电流扰动信号对所述电化学储能装置的输出电流进行扰动；检测该电化学储能装置扰动后的输出电流以及输出电压；根据该电流扰动信号以及所述扰动后的输出电流以及输出电压计算与该电流扰动信号的频率对应的阻抗，以及改变所述电流扰动信号的频率，重新对所述电化学储能装置的输出电流进行扰动，以获得该电化学储能装置的交流阻抗频谱。

【技术特征摘要】
1.一种电化学储能装置的交流阻抗分析方法，包括以下步骤：提供一集成DC/DC变换器，该集成DC/DC变换器包括第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器以及控制器，所述第一DC/DC变换器与该第二DC/DC变换器并联，所述第一DC/DC变换器与所述第二DC/DC变换器分别独立运作，所述第一DC/DC变换器的输入端与电化学储能装置的输出端连接，所述第二DC/DC变换器包括开关器件，该第一DC/DC变换器的输出端与负载连接，用以调控所述电化学储能装置的输出以满足负载输出，所述控制器选择性地开启或关断所述第二DC/DC变换器；所述控制器开启所述第二DC/DC变换器，同时调控所述第二DC/DC变换器产生一电流扰动信号；利用该电流扰动信号对所述电化学储能装置的输出电流进行扰动；检测该电化学储能装置扰动后的输出电流以及输出电压；根据该电流扰动信号以及所述扰动后的输出电流以及输出电压计算与该电流扰动信号的频率对应的阻抗，以及改变所述电流扰动信号的频率，重新对所述电化学储能装置的输出电流进行扰动，以获得该电化学储能装置的交流阻抗频谱。2.如权利要求1所述的电化学储能装置的交流阻抗分析方法，其特征在于，所述电流扰动信号产生的过程包括以下步骤：S11，判断是否要进行交流阻抗分析，如果是，执行步骤S12，如果否，则不导通所述第二DC/DC变换器；S12，选定要进行交流阻抗分析的频率；S13，选择对应该频率的电流扰动信号的幅值；S14，根据所述频率和幅值确定所述电流扰动信号；S15，检测所述电化学储能装置的输出电流以及所述第二DC/DC变换器的输入端电流，以及S16，判断所述第二DC/DC变换器的输入端电流是否达到所述电流扰动信号的幅值，如果否，所述控制器调控所述第二DC/DC变换器中开关器件的导通与关断时间来达到预定的所述电流扰动信号的幅值。3.如权利要求2所述的电化学储能装置的交流阻抗分析方法，其特征在于，在所述步骤S12中，进一步判断要进行所述交流阻抗分析的频率是否为单一频率，如果是则执行所述步骤S13-S16，如果有多个频率时，执行下列步骤：S12a，确定每个频率对应的电流扰动信号的幅值；S12b，形成多个电流扰动信号；S12c，将该多个电流扰动信号叠加合成为一混合扰动电流信号，以及S12d，执行所述步骤S15-S16。4.如权利要求1所述的电化学储能装置的交流阻抗分析方法，其特征在于，所述电流扰动信号为一小幅值的正弦电流扰动信号，该幅值的大小为所述电化学储能装置输出电流的1％到10％。5.如权利要求1所述的电化学储能装置的交流阻抗分析方法，其特征在于，扰...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪坡，李建秋，徐梁飞，欧阳明高，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11