一种在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置及测量方法，其中装置包括：可控交流源，用于施加正弦交变信号；电池电压信号前级测量电路，由电压信号选通电路择一连通一个单电池；电流传感器和与电流传感器连接的电池电流信号前级测量电路；依次连接的信号调理放大电路、多路独立同步模数转换电路、数字信号处理器和上位机，信号调理放大电路分别连接至电池电压信号前级测量电路和电池电流信号前级测量电路，上位机连接可控交流源和电压信号选通电路。与现有技术相比，本发明专利技术通过设计的电池电流信号前级测量电路和电压信号选通电路，利用半导体器件，实现了燃料电池阻抗谱测量装置的小型化，提高了燃料电池阻抗谱测量装置的可靠性。置的可靠性。置的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置及测量方法


[0001]本专利技术涉及氢燃料电池阻抗在线测量领域，尤其是涉及一种在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置及测量方法。

技术介绍

[0002]随着能源危机和环境保护问题得到社会各界的重视，清洁能源，可再生能源技术得到了深入研究和广泛应用。其中，质子交换膜燃料电池由于其能量密度高，效率高，无污染物排放等优点，被认为具备替代内燃机并大量用于未来新能源汽车的潜力。然而，目前制约质子交换膜燃料电池广泛用于汽车领域的问题仍然较多，而燃料电池的耐久性和寿命问题是其中的一个主要方面。由于燃料电池系统是一个复杂的电化学系统，系统运行控制变量多且相互耦合，在操作不当或管理不足等情况下，燃料电池容易发生水淹，膜干，气体饥饿等故障，进而导致性能衰退，寿命缩短等后果。而车用燃料电池的运行条件恶劣，工况复杂多变，使得问题更加恶化。为了尽可能延长燃料电池的寿命，一般会在燃料电池系统中安装电池状态检测模块，实现对燃料电池运行状态的实时监测，并根据测量结果，诊断燃料电池状态，以此控制运行条件，避免故障的发生。但燃料电池结构相对复杂，难以直接在电池内部安装传感器直接检测系统内部的运行指标。
[0003]为了实现对燃料电池健康状态的间接检测，一般通过测量燃料电池电压和阻抗，并以此分析评估燃料电池的工作状态。其中，电化学阻抗谱技术能够通过阻抗谱的方式反映燃料电池内部状态，进而能根据对阻抗谱数据的分析实现对燃料电池总体特性的描述和拟合，因此得到了业界的高度关注。在实验室环境中，可以通过电化学工作站或其他专用阻抗测量设备采集全频段(0.001Hz～100kHz)范围的阻抗谱数据。然而在车载环境下，专用阻抗测量设备存在着体积大，易损坏，测量周期长等缺陷，不适合用于对车用燃料电池系统进行实时检测。此外，车用燃料电池多为多片燃料电池单体串联组成，而电化学工作站等仪器多为单片燃料电池阻抗测量设计，并不适应对燃料电池系统的实际测量需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了提供一种在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置及测量方法，通过设计的电池电流信号前级测量电路和电压信号选通电路，利用半导体器件，实现了燃料电池阻抗谱测量装置的小型化，提高了燃料电池阻抗谱测量装置的可靠性。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置，包括：
[0007]可控交流源，连接至燃料电池的两端，用于施加正弦交变信号；
[0008]电池电压信号前级测量电路，通过电压信号选通电路连接至燃料电池各单电池的两端，并由电压信号选通电路择一连通一个单电池；
[0009]电流传感器和与电流传感器连接的电池电流信号前级测量电路，所述电流传感器连接于燃料电池的输出干路上，用于测量燃料电池的干路电流；
[0010]依次连接的信号调理放大电路、多路独立同步模数转换电路、数字信号处理器和上位机，所述信号调理放大电路分别连接至电池电压信号前级测量电路和电池电流信号前级测量电路，所述上位机连接可控交流源和电压信号选通电路。
[0011]所述装置还包括负载，该负载连接燃料电池的两端。
[0012]所述负载为电子负载。
[0013]所述上位机为计算机。
[0014]一种如上述的在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置的测量方法，包括：
[0015]步骤S1：可控交流源产生指定频率的正弦交变信号施加于燃料电池的两端；
[0016]步骤S2：选择需要测量的单电池；
[0017]步骤S3：分别由电池电压信号前级测量电路和电池电流信号前级测量电路同时测得电压信号和电流信号，并将滤波后的数据保存入内存中，直至达到预设采样上限后执行步骤S4；
[0018]步骤S4：分别将电压信号与电流信号在时域内的数据变换为频域内的数据，并根据所述指定频率从电压信号与电流信号的计算结果中取得对应频率的变换结果，其中，所述变换结果包括该频率下的信号幅值与相位角；
[0019]步骤S5：计算实际电流幅值，并根据电压信号与实际电流幅值之比得到阻抗模；
[0020]步骤S6：计算电压信号的相位角与电流信号的相位角之差，得到阻抗的相位角；
[0021]步骤S7：根据阻抗模和相位角计算得到阻抗实部和阻抗虚部；
[0022]步骤S8：判断是否还有需要测量的单电池，若为是，则返回步骤S2，反之，则完成测量任务。
[0023]所述步骤S4中，分别将电压信号与电流信号在时域内的数据变换为频域内的数据中所采用的变换方式包括快速傅里叶变换和互相关运算。
[0024]所述步骤S7具体包括：
[0025]步骤S71：根据阻抗模和相位角计算得到阻抗实部；
[0026]步骤S72：根据得到的阻抗实部代入阻抗模定义式中得到阻抗虚部。
[0027]所述步骤S5中，计算实际电流幅值的过程具体为：根据预配置的电流传感器信号幅值与实际电流大小的关系，基于采集得到的电流传感器信号幅值计算得到实际电流幅值。
[0028]所述步骤S3中的滤波过程采用低通滤波器。
[0029]所述正弦交变信号的频率为1-1000Hz。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0031]1)通过设计的电池电流信号前级测量电路和电压信号选通电路，利用半导体器件，实现了燃料电池阻抗谱测量装置的小型化，提高了燃料电池阻抗谱测量装置的可靠性。
[0032]2)实现了对车用燃料电池的电池单体巡检。
[0033]3)通过设计的阻抗谱计算方法，可以准确快速进行阻抗实部和虚部的计算。
[0034]4)便于上位机获取燃料电池的实时状态，有助于精确获取燃料电池阻抗，进行故障早期预警，提高燃料电池控制的精确性，改善燃料电池运行条件，延长燃料电池的总体寿命并提高可靠性。
附图说明
[0035]图1为本专利技术的结构示意图；
[0036]图2为本专利技术测量过程的主要部分的流程示意图；
[0037]其中：1、燃料电池，2、可控交流源，3、负载，4、电流传感器，5、电池电流信号前级测量电路，6、电池电压信号前级测量电路，7、电压信号选通电路，8、信号调理放大电路，9、多路独立同步模数转换电路，10、数字信号处理器。
具体实施方式
[0038]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0039]一种在线车载氢燃料电池1阻抗谱测量装置，如图1所示，包括：
[0040]可控交流源2，连接至燃料电池1的两端，用于施加正弦交变信号，例如为电流可控型DC-DC变换器；
[0041]电池电压信号前级测量电路6，通过电压信号选通电路7连接至燃料电池1各单电池的两端，并由电压信号选通电路7择一连通一个单电池；
[0042]电流传感器4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置，其特征在于，包括：可控交流源，连接至燃料电池的两端，用于施加正弦交变信号；电池电压信号前级测量电路，通过电压信号选通电路连接至燃料电池各单电池的两端，并由电压信号选通电路择一连通一个单电池；电流传感器和与电流传感器连接的电池电流信号前级测量电路，所述电流传感器连接于燃料电池的输出干路上，用于测量燃料电池的干路电流；依次连接的信号调理放大电路、多路独立同步模数转换电路、数字信号处理器和上位机，所述信号调理放大电路分别连接至电池电压信号前级测量电路和电池电流信号前级测量电路，所述上位机连接可控交流源和电压信号选通电路。2.根据权利要求1所述的在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置，其特征在于，所述装置还包括负载，该负载连接燃料电池的两端。3.根据权利要求2所述的在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置，其特征在于，所述负载为电子负载。4.根据权利要求1所述的在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置，其特征在于，所述上位机为计算机。5.一种如权利要求1-4中任一所述的在线车载氢燃料电池阻抗谱测量装置的测量方法，其特征在于，包括：步骤S1：可控交流源产生指定频率的正弦交变信号施加于燃料电池的两端；步骤S2：选择需要测量的单电池；步骤S3：分别由电池电压信号前级测量电路和电池电流信号前级测量电路同时测得电压信号和电流信号，并将滤波后的数据保存入内存中，直至达到预设采样上限后执行步骤S4；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：马天才，康嘉骏，林维康，张召丽，宋凯航，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：