一种阻抗测量方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了阻抗测量方法和系统，所述燃料电池堆由多片燃料电池单片串联而成，所述阻抗测量方法包括以下步骤：步骤一：根据外部指令确定配置参数；步骤二：根据所述用于确定待测燃料电池组的参数将所述待测燃料电池组的两端分别与激励信号发生电路电连接；步骤三：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，以控制所述激励信号发生电路产生激励信号，并向所述待测燃料电池组施加所述激励信号；步骤四：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；重复步骤三和步骤四，直到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所述待测燃料电池组的阻抗。

An impedance measurement method and system

【技术实现步骤摘要】
一种阻抗测量方法和系统
本专利技术涉及电化学领域，尤其涉及电化学领域中的阻抗测量方法和系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种阻抗测量方法，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。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种阻抗测量方法，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，包括：所述阻抗测量方法包括以下步骤：步骤一：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；其中，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；步骤二：根据所述用于确定待测燃料电池组的参数将所述待测燃料电池组的两端分别与激励信号发生电路电连接；步骤三：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，以控制所述激励信号发生电路产生激励信号，并向所述待测燃料电池组施加所述激励信号；步骤四：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；重复步骤三和步骤四，直到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所述待测燃料电池组的阻抗。一种示例性的实施例中，上述方法还具有下面特点：其中,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；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；根据所述用于确定待测燃料电池组的参数将所述待测燃料电池组的两端分别与激励信号发生电路电连接，包括：根据待测燃料电池组ID以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阻抗测量方法，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，/n所述阻抗测量方法包括以下步骤：/n步骤一：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；其中，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；/n步骤二：根据所述用于确定待测燃料电池组的参数将所述待测燃料电池组的两端分别与激励信号发生电路电连接；/n步骤三：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，以控制所述激励信号发生电路产生激励信号，并向所述待测燃料电池组施加所述激励信号；/n步骤四：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；/n重复步骤三和步骤四，直到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所述待测燃料电池组的阻抗。/n

【技术特征摘要】
1.一种阻抗测量方法，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，
所述阻抗测量方法包括以下步骤：
步骤一：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；其中，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；
步骤二：根据所述用于确定待测燃料电池组的参数将所述待测燃料电池组的两端分别与激励信号发生电路电连接；
步骤三：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，以控制所述激励信号发生电路产生激励信号，并向所述待测燃料电池组施加所述激励信号；
步骤四：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；
重复步骤三和步骤四，直到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所述待测燃料电池组的阻抗。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
其中,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；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；
根据所述用于确定待测燃料电池组的参数将所述待测燃料电池组的两端分别与激励信号发生电路电连接，包括：
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；
向信号选通电路发送选通控制信号以将所述第一电压测量接触点和第二电压测量接触点分别与激励信号发生电路电连接。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，向信号选通电路发送选通控制信号以将所述第一电压测量接触点和第二电压测量接触点分别与激励信号发生电路电连接，包括：
向信号选通电路发送所述选通控制信号以分别通过第一单片信号线和第二单片信号线将所述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所述的方法，其特征在于，
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闭环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闭环控制来调整激励控制信号。


5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，
其中，所述激励信号发生电路包括激励信号发生模块、电压信号采集电路和电流信号采集电路；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；
所述激励信号发生电路反馈的信号包括所述电压信号采集电路采集的电压信号和所述电流信号采集电路采集的电流信号；
所述电压信号采集电路采集的是所述第一单片信号线和第二单片信号线之间的电压；
所述电流信号采集电路采集的是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。


6.一种阻抗测量系统，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单片机、激励信号发生电路；
所述单片机，用于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；其中，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪坡，李建秋，侯之超，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