本发明专利技术涉及燃料电池的内阻检测，具体地指一种燃料电池在线电化学阻抗谱检测系统及方法。该系统的激励源集成于Boost电路中，整个过程不需要激励源产生三角波，只通过控制Boost电路来控制燃料电池电流产生一个直流电流和轻微的不影响电池工作的三角波两者叠加组成的电流，再等燃料电池工作稳定后，采样燃料电池的电压和电流，进行傅里叶分析，得到各个频率下的燃料电池的内阻值，得到电池的电化学阻抗谱。该系统给定的三角波采用选择的方式依次给定三种频率的三角波方便测量，在电流的控制方面选择预测控制来控制电池的电流。整个系统克服了激励源的设计和采用正弦波扫频时间长的缺点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池的内阻检测，具体地指一种燃料电池在线电化学阻抗谱检测 系统及方法。
技术介绍
燃料电池作为一种绿色环保的新技术，是当今新能源领域的研究热点。质子交换 膜燃料电池以其清洁环保、节能高效等优点倍受关注。由于内阻能综合反应燃料电池内部 湿度、温度及健康状态，则对各单片燃料电池内阻进行监测是保障燃料电池安全、高效运行 的关键。所以内阻是反应燃料电池性能的重要指标，设计燃料电池内阻在线测试系统具有 重要意义，但燃料电池内阻具有明显的非线性和时变特性，一般难以精确测量，因而电池内 阻监测就成了电池监测系统中的重要环节。尤其在线监测时电池端存在充电电压纹波和负 载变动时的变化，而电池的内阻都在毫欧的数量级，要从电池测出其内阻具有一定的难度。目前，国内外采用的燃料电池内阻检测方法主要是断流法和交流阻抗谱法。由于 断流法会对燃料电池系统产生较大的扰动，一般用于较为简单的系统中，而对于要求较高 的领域，它并不适用。而交流阻抗法是一种利用小幅度交流电压或电流对燃料电池扰动，进 行电化学测试，从而获得的交流阻抗数据。对于交流阻抗法来说，扰动波形一般为正弦波因 为这种波形较为规则，容易产生和进行分析，对于后续的研究来说较为方便。但是，一般的 交流阻抗法往往需要设计独立的激励源来产生扰动波形施加到燃料电池两端，在测试时需 要变换激励源的频率进行从低到高的频率扫描，测量各个频率下的内阻来得到阻抗谱，而 激励源的设计往往比较困难，且扫频方式的扫描频率较多，测试时间长，这为内阻检测系统 的设计增加了难度。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种燃料电池在线电化学阻抗 谱检测系统及方法，该系统的激励源集成于Boost电路中，整个过程不需要外加激励源来产 生正弦波信号，只需对Boost电路的纹波进行调制，产生一个由直流电流和微弱的不影响电 池工作的三角波叠加而成的信号，等燃料电池工作稳定后，采样燃料电池的电压和电流，进 行傅里叶分析，得到各个频率下的燃料电池的内阻值，从而分析此时燃料电池的健康状况。实现本专利技术目的采用的技术方案是一种燃料电池在线电化学阻抗谱检测系统，该 系统包括： Boost电路，用于接入燃料电池；电压检测模块，用于检测所述燃料电池的电压电流检测模块，用于检测所述燃料电池的电流;以及 FPGA单元，用于根据所述燃料电池的电压、电流计算各个频率所对应的内阻值。 在上述技术方案中，所述FPGA单元包括：第一A/D转换模块，与所述电压检测模块连接，用于将所述燃料电池的电压转换为 电压数字信号；第二A/D转换模块，与所述电流检测模块连接，用于将所述燃料电池的电流转换为 电流数字信号；RAM，分别与所述第一、第二A/D转换模块连接，用于存储所述电压、电流数字信号； 以及 FFT模块，与所述RAM连接，用于根据所述存储的电压、电流数字信号，通过傅里叶 变换计算出各个频率的燃料电池的内阻的实部和虚部，得到各个频率所对应的内阻值。进一步地，所述燃料电池在线电化学阻抗谱检测系统还包括： 显示模块，与所述FFT模块连接，用于显示FFT模块计算出的内阻值。在上述技术方案中，所述FPGA单元包括： 预测控制器，与所述第一A/D转换和第二A/D模块连接，用于预测控制输出占空比； 以及 PWM模块，与所述预测控制器连接，用于根据所述占空比产生PWM波。 进一步地，所述燃料电池在线电化学阻抗谱检测系统还包括： M0S管驱动电路，所述M0S管驱动电路分别与所述P丽模块和Boost电路中的M0S管 连接，用于根据所述PWM波驱动所述M0S管。 此外，本专利技术还提供一种根据通过上述系统实现燃料电池在线电化学阻抗谱检测 的方法，该方法包括： Boost电路的电压、电流经过电压检测模块、电流检测模块将调理后的电压电流信 号送入FPGA单元内的第一A/D转换模块、第二A/D转换模块进行模数转换，预测控制器将第 一A/D转换模块采集到的电压信号、第二A/D转换模块采集到的电流信号以及给定的电流信 号进行运算，经过ADMM优化算法计算出最优占空比输出，再将占空比输入给PWM模块;PWM模 块根据预测控制模块提供的占空比，产生一定周期和占空比的PWM波，用于驱动Boost电路 中的M0S管。 本专利技术利用预测控制器来控制Boost电路经过燃料电池的电流和电压，根据采集 得到的电压和电流信号，分离出电压电流信号的交流分量，利用FPGA内部的FFT核来根据分 离出的电池电流和电压交流分量进行FFT变换来计算出各个频率的电池内阻。由于FPGA芯 片具有尚速性和程序并彳丁执彳丁的特点，能够完成快速的运算，从而实现实时控制和显不;并 且电池电压电流的A/D转换均在FPGA内部完成，且整个系统只有FPGA-个芯片，可以有效地 降低系统的成本。本专利技术基于FPGA的内阻计算采用模块化的结构，集成了采集单元、控制单元和傅 里叶变换单元，集成度高、体积小，采用了IP核使得设计更加可靠;本专利技术基于FPGA的预测 控制具有高速的特点能够对燃料电池Boost电路进行实时的控制。【附图说明】 图1为本专利技术基于FPGA的内阻检测结构示意图。图2为本专利技术FPGA内部单元预测控制器结构示意图。 图3为本专利技术内部单元预测控制器电流给定示意图。【具体实施方式】 下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。如图1所示，本专利技术燃料电池在线电化学阻抗谱检测系统包括:Boost电路100和主 控单元300,下面分别进行说明：Boost电路100:燃料电池200接入Boost电路100电源输入端，Boost电路输出接入 负载104两端。 主控单元300包括：电压检测模块301、电流检测模块302、FPGA单元和显示模块 310。其中，电池两端电压送入电压检测模块301，电压检测模块301将燃料电池200的端电压101通过一系列的放大滤波将电压的交流量分离出来，利用程控放大器和8阶巴特沃兹滤波 器滤波并放大至〇~3V，使之符合FPGA引脚电压输入量程。由于分离的交流量还有一定的直 流偏置，因此在硬件上采用硬件调零的方法，使分离的交流量的直流偏置为零。由于整个硬 件电路有一定的时间延迟，会对交流电压量的相位有影响，需要在计算之前，先测量出来相 位延迟的大小用于后续的FFT计算。通过电池的电流送入电流检测模块302,电流检测模块302将燃料电池200的端电 流102通过差分放大器先进行放大，在经过滤波装置将电流的交流量分离出来。由于整个硬 件电路有一定的时间延迟，会对交流电流量的相位有影响，需要在计算之前，先测量出来相 位延迟的大小用于后续的FFT计算。FPGA单元包括：第一A/D转换模块303、第二A/D转换模块306、RAM304和FFT模块 305。第一A/D转换模块303与电压检测模块301连接，将燃料电池200的电压模拟信号转换为 电压数字信号;第二A/D转换模块306与电流检测模块302连接，将燃料电池200当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池在线电化学阻抗谱检测系统，其特征在于，包括：Boost电路，用于接入燃料电池；电压检测模块，用于检测所述燃料电池的电压；电流检测模块，用于检测所述燃料电池的电流；以及FPGA单元，用于根据所述燃料电池的电压、电流计算各个频率所对应的内阻值。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张立炎，牛慧娟，全书海，陈启宏，黄莎，龙容，石英，谢长君，黄亮，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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