本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池的快速阻抗测量装置。本发明专利技术包括信号处理电路、数据采集卡、上位机和激励电流发生装置，上位机与数据采集卡、激励电流发生装置均相连，数据采集卡与信号处理电路相连，激励电流发生装置与燃料电池的负载并联，信号处理电路与质子交换膜燃料电池相连，用于采集燃料电池的输出电压与电流；上位机控制激励电流发生装置产生不同类型的激励电流，激励电流发生装置的激励电流叠加在质子交换膜燃料电池的输出电流上，信号处理电路采集燃料电池的输出电压与电流并通过数据采集卡发送给上位机，进而上位机实时计算燃料电池的阻抗。本发明专利技术具有快速、高准确度，实现了质子交换膜燃料电池的快速阻抗测量。量。量。
【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池的快速阻抗测量装置
[0001]本专利技术设计涉及燃料电池
的一种质子交换膜燃料电池的阻抗测量装置，特别涉及一种质子交换膜燃料电池的快速阻抗测量装置。
技术介绍
[0002]质子交换膜燃料电池是一种将氢能转化为电能的电化学装置，具有功率密度大、效率高、清洁、无污染、噪声低等优点。但是，质子交换膜燃料电池在实际运行过程中，由于功率状况复杂以及水热管理不足等问题，电堆容易处于故障状态，长时间工作于故障状态下会对电池内部的性能和结构产生恶劣的影响。
[0003]通过电化学阻抗谱的方式获取燃料电池的阻抗信息，根据阻抗信息的变化判断燃料电池所处的状态一种较为准确的故障诊断和状态监测的方法。但是，传统的阻抗测量方法是通过正弦波扫频的方式来进行的，一般需要5～10分钟才可以完成一次完整的阻抗谱测量，对于故障状态来说，这个时间已经足以对电堆产生不可逆的损伤，大大降低了电堆的使用寿命。
[0004]因此，实现快速的质子交换膜燃料电池的快速阻抗测量对于提高燃料电池的使用寿命和性能都有着非常重要的意义。
技术实现思路
[0005]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种质子交换膜燃料电池的快速阻抗测量装置，采用以下技术方案：
[0006]本专利技术包括信号处理电路、数据采集卡、上位机和激励电流发生装置，上位机与数据采集卡、激励电流发生装置均相连，数据采集卡与信号处理电路相连，激励电流发生装置与燃料电池的负载并联，信号处理电路与质子交换膜燃料电池相连，用于采集燃料电池的输出电压与电流；上位机控制激励电流发生装置产生两种类型的激励电流，激励电流发生装置的激励电流叠加在质子交换膜燃料电池的输出电流上，信号处理电路采集燃料电池的输出电压与电流并通过数据采集卡发送给上位机，进而上位机实时计算燃料电池的阻抗。
[0007]所述信号处理电路包含采样电阻、电压放大电路、分压电路和两个差分输入电路，第一差分输入电路的正相输入端和反相输入端分别与燃料电池的正极和负极相连，第一差分输入电路的输出端与分压电路相连，分压电路的输出与数据采集卡相连；
[0008]第二差分输入电路的正相输入端和反相输入端分别与采样电阻的两端相连，采样电阻的一端与燃料电池的正极相连，采样电阻的另一端与激励电流发生装置和燃料电池的负载的并联点相连，第二差分输入电路的输出端经电压放大电路后与数据采集卡相连。
[0009]所述激励电流发生装置包括单片机和动态负载，单片机与上位机相连，单片机与动态负载相连，动态负载与燃料电池的负载并联；
[0010]单片机通过产生不同类型的激励信号，控制动态负载拉载不同类型的激励电流并叠加在质子交换膜燃料电池的输出电流上。
[0011]当上位机控制激励电流发生装置产生伪随机二进制序列的激励电流时，上位机中计算得到阻抗谱；
[0012]当上位机控制激励电流发生装置产生单频的方波信号的激励电流时，上位机中计算得到对应频率的单频阻抗。
[0013]所述上位机中对燃料电池的输出电压与电流进行傅里叶变换后获得燃料电池的阻抗。
[0014]本专利技术的有益效果为：
[0015]本专利技术可以实现质子交换膜燃料电池的快速阻抗测量，包括阻抗谱的测量和单频阻抗的测量。本装置具有快速、高准确度的优点，能够在段时间内测量得到高精度的燃料电池阻抗，对于燃料电池状态监测和故障诊断具有重要意义。
附图说明
[0016]下面结合附图和具体试试方式来详细说明本专利技术。
[0017]图1为本专利技术的结构示意图。
[0018]图2为本专利技术的信号处理电路中的放大电路结构示意图。
[0019]图3为本专利技术实施例中的燃料电池电化学阻抗谱图。
[0020]图4为本专利技术实施例中的燃料电池单频阻抗与快速电化学阻抗对比图。
具体实施方式
[0021]下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。
[0022]如图1所示，本专利技术包括信号处理电路、数据采集卡、上位机和激励电流发生装置，上位机与数据采集卡、激励电流发生装置均相连，数据采集卡与信号处理电路相连，激励电流发生装置与燃料电池的负载并联，信号处理电路与质子交换膜燃料电池相连，用于采集燃料电池的输出电压与电流；上位机控制激励电流发生装置产生两种类型的激励电流，激励电流发生装置的激励电流叠加在质子交换膜燃料电池的输出电流上，信号处理电路采集燃料电池的输出电压与电流并通过数据采集卡发送给上位机，进而上位机实时计算燃料电池的阻抗。
[0023]整体上，该快速阻抗测量装置通过电子负载并联在燃料电池输出回路上，通过微小的扰动电流来测量阻抗，最大程度上降低了对燃料电池正常工作的影响；细节上，采用采样电阻而不是具有滞后效应的霍尔传感器，可以最大程度上降低电流检测的滞后，提高阻抗计算的精度。
[0024]信号处理电路包含采样电阻、电压放大电路、分压电路和两个差分输入电路，第一差分输入电路的正相输入端和反相输入端分别与燃料电池的正极和负极相连，第一差分输入电路的输出端与分压电路相连，分压电路的输出与数据采集卡的一个端口相连；
[0025]第二差分输入电路的正相输入端和反相输入端分别与采样电阻的两端相连，采样电阻的一端与燃料电池的正极相连，即第二差分输入电路的正相输入端与燃料电池的正极相连，采样电阻的另一端与激励电流发生装置和燃料电池的负载的并联点相连，第二差分输入电路的输出端经电压放大电路后与数据采集卡的另一个端口相连。
[0026]如图2所示，电压放大电路包含差分放大电路、电源滤波转换电路、负压转换电路
和单端输出电路；差分输入电路与差分放大电路相连，电源滤波转换电路、负压转换电路和单端输出电路均与差分放大电路相连，电源滤波转换电路还与负压转换电路相连。电源滤波转换电路和负压转换电路分别为差分放大电路提供供电所需的正压和负压，当电压信号从差分输入电路输入差分放大电路时，输入信号被放大若干倍后通过单端输出电路输出，放大倍数可通过差分放大电路的调节电阻调整。
[0027]激励电流发生装置包括单片机和动态负载，单片机与上位机相连，单片机与动态负载相连，动态负载与燃料电池的负载并联；
[0028]单片机通过产生不同类型的激励信号，控制动态电子负载拉载不同类型的激励电流并叠加在质子交换膜燃料电池的输出电流上。
[0029]当上位机控制激励电流发生装置产生伪随机二进制序列的激励电流时，即激励信号的类型为伪随机二进制序列，上位机中计算得到完整的阻抗谱，实现阻抗谱的快速测量；
[0030]当上位机控制激励电流发生装置产生单频的方波信号的激励电流时，即激励信号的类型为单频的方波信号，上位机中计算得到对应频率的单频阻抗，实现单频阻抗的快速测量。
[0031]上位机中对燃料电池的输出电压与电流进行傅里叶变换后获得燃料电池的阻抗。阻抗计算公式为：
[0032][0033]其中，Z(jω)是燃料电池的阻抗，U(jω)是输出电压的傅里叶变换形式，I(jω)是输出电流的傅本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池的快速阻抗测量装置，其特征在于：包括信号处理电路、数据采集卡、上位机和激励电流发生装置，上位机与数据采集卡、激励电流发生装置均相连，数据采集卡与信号处理电路相连，激励电流发生装置与燃料电池的负载并联，信号处理电路与质子交换膜燃料电池相连，用于采集燃料电池的输出电压与电流；上位机控制激励电流发生装置产生两种类型的激励电流，激励电流发生装置的激励电流叠加在质子交换膜燃料电池的输出电流上，信号处理电路采集燃料电池的输出电压与电流并通过数据采集卡发送给上位机，进而上位机实时计算燃料电池的阻抗。2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池的快速阻抗测量装置，其特征在于：所述信号处理电路包含采样电阻、电压放大电路、分压电路和两个差分输入电路，第一差分输入电路的正相输入端和反相输入端分别与燃料电池的正极和负极相连，第一差分输入电路的输出端与分压电路相连，分压电路的输出与数据采集卡相连；第二差分输入电路的正相输入端和反相输入端分别与采样电阻的两端相连，采样...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈剑，蒋鹏坤，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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