一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法，涉及燃料电池检测领域，该系统包括：阻抗测算组；所述阻抗测算组包括：交流激励单元、电流传感器以及阻抗巡检单元；交流激励单元用于向燃料电池电堆施加多频复合正弦波激励信号；电流传感器设置在所述燃料电池电堆的输出干路上，用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电流；阻抗巡检单元用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压，并根据所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗，基于计算得到的燃料电池阻抗对预先构建的燃料电池等效电路模型的参数进行辨识。本发明专利技术提出的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统体积小，经济性好，适合于车载燃料电池系统。料电池系统。料电池系统。

【技术实现步骤摘要】
一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池检测
，特别涉及一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法。

技术介绍

[0002]近些年来，能源危机和环境污染问题日益严重，世界各国开始广泛关注和研究可再生能源，在诸多可再生能源中，氢能作为一种清洁的二次能源，被视为未来最有可能替代传统化石燃料的能源之一。燃料电池作为氢能的载体因其高效、无污染的优势受到广泛关注。然而，燃料电池仍然存在可靠性不足和耐久性差等问题，尤其是在一些较为复杂的应用场景中，可能会有多种故障产生。这些故障不仅降低了电池的性能，也会大大缩短其使用寿命。因此，对燃料电池进行实时状态监测和操作条件调整以保障燃料电池安全平稳运行、提高燃料电池使用寿命至关重要。
[0003]由于燃料电池的结构特性，其内部参数很难进行直接测量，仅仅依靠单电池电压以及电堆端口的温度、湿度、压力、流量等指标进行状态监测和故障诊断，存在较大的难度。燃料电池的阻抗可以作为间接反映燃料电池内部各项参数变化的标志，特别是燃料电池在不同激励频率下的在线阻抗谱数据，能提供关于燃料电池状态的大量信息。通过阻抗谱对燃料电池等效电路模型参数进行辨识，并利用模型参数机理解释燃料电池电化学行为，可进行更加准确的燃料电池故障诊断。然而，基于电化学阻抗谱的故障诊断技术目前为止主要还是应用在科研工作中，并没有在车载燃料电池系统上被广泛使用，主要是因为存在以下三方面的不足：一是传统的电化学阻抗谱测量方法所需时间很长，往往需要几分钟甚至十几分钟；二是目前阻抗谱测量多使用专用仪器设备实现，其体积较大，价格昂贵，且精密易损，难以集成在车载燃料电池系统中；三是现有的阻抗数据诊断分析方法多依赖于上位机软件实现，缺乏对阻抗数据的在线诊断分析方法，无法满足车载应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法，用以解决现有技术中燃料电池阻抗测量系统计算时间长、体积大以及无法满足车载应用的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，包括：阻抗测算组；所述阻抗测算组包括：
[0007]交流激励单元，用于向燃料电池电堆施加多频复合正弦波激励信号；所述多频复合正弦波激励信号是将不同频率的正弦波信号进行相位优化合成得到的；
[0008]电流传感器，设置在所述燃料电池电堆的输出干路上，用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电流；
[0009]阻抗巡检单元，分别与所述燃料电池电堆和所述电流传感器连接，用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压，并根据所述输出电压和所述输出电流计算燃料
电池阻抗，基于计算得到的燃料电池阻抗对预先构建的燃料电池等效电路模型的参数进行辨识；参数辨识后的燃料电池等效电路模型用于拟合燃料电池阻抗。
[0010]可选地，还包括与所述阻抗测算组无线通信的云计算平台；所述云计算平台用于接收和存储所述燃料电池等效电路模型的参数以及拟合的燃料电池阻抗；并基于拟合的燃料电池阻抗，采用聚类算法进行燃料电池健康状态评估和故障诊断。
[0011]可选地，所述交流激励单元包括：
[0012]Flash存储器，用于存储多频复合正弦波激励信号；
[0013]正弦脉宽调制单元，与所述Flash存储器连接，用于控制所述多频复合正弦波激励信号的输出；
[0014]全桥拓扑电路，与所述正弦脉宽调制单元，用于将输出后的多频复合正弦波激励信号施加到所述燃料电池电堆上。
[0015]可选地，所述阻抗巡检单元包括：
[0016]继电器开关，与所述燃料电池电堆连接，用于选择巡检通道，采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压；
[0017]第一差动放大器，与所述继电器开关的输出端连接，用于消除共模电压；
[0018]第二差动放大器，与所述电流传感器的输出端连接，用于消除共模电流；
[0019]模数转换器，分别与所述第一差动放大器的输出端和所述第二差动放大器的输出端连接，用于将模拟信号转换为数字信号；
[0020]数字信号处理器，与所述模数转换器的输出端连接，用于根据转换后的输出电压和输出电流计算燃料电池阻抗，并基于计算得到的燃料电池阻抗对预先构建的燃料电池等效电路模型的参数进行辨识。
[0021]本专利技术还提供了一种车载燃料电池交流阻抗在线测量方法，所述方法应用于上述的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，所述方法包括：
[0022]将不同频率的正弦波信号合成并进行相位优化，得到多频复合正弦波激励信号；
[0023]构建燃料电池等效电路模型；
[0024]将所述多频复合正弦波激励信号施加到燃料电池电堆，并采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压和输出电流；
[0025]基于所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗；
[0026]基于计算的燃料电池阻抗对所述燃料电池等效电路模型的参数进行辨识；
[0027]通过参数辨识后的燃料电池等效电路模型拟合燃料电池阻抗。
[0028]可选地，在通过参数辨识后的燃料电池等效电路模型拟合燃料电池阻抗之后，还包括：
[0029]存储所述燃料电池等效电路模型的参数以及拟合的燃料电池阻抗；并基于拟合的燃料电池阻抗，采用聚类算法进行燃料电池健康状态评估和故障诊断。
[0030]可选地，将不同频率的正弦波信号合成并进行相位优化，得到多频复合正弦波激励信号，具体包括：
[0031]对不同频率的正弦波信号进行复合；
[0032]对复合后的正弦波信号，通过全局搜索算法进行迭代优化初始相位，确定使峰值因子CF最小的各个频率点的相位值为最终优化后的相位值。
[0033]可选地，所述燃料电池等效电路模型为二阶RC模型，由一个欧姆电阻与两个RC环节串联组成。
[0034]可选地，基于所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗，具体包括：
[0035]通过正交型数字锁相放大器对所述输出电压和所述输出电流分别进行实时计算，将时域信号转换为频域信号，得到不同频率下所述输出电流对应的电流幅值和电流相位及所述输出电压对应的电压幅值和电压相位；
[0036]基于所述电流幅值、所述电流相位、所述电压幅值和所述电压相位计算出不同频率下燃料电池阻抗。
[0037]可选地，基于计算的燃料电池阻抗对所述燃料电池等效电路模型的参数进行辨识，具体包括：
[0038]基于计算的燃料电池阻抗，通过阻抗谱曲线的圆弧特征计算所述燃料电池等效电路模型的参数初值；
[0039]基于所述参数初值，使用Nelder
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Mead单纯形算法对所述燃料电池等效电路模型的参数进行辨识。
[0040]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0041](1)本专利技术提出的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，其阻抗测算组采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，其特征在于，包括：阻抗测算组；所述阻抗测算组包括：交流激励单元，用于向燃料电池电堆施加多频复合正弦波激励信号；所述多频复合正弦波激励信号是将不同频率的正弦波信号进行相位优化合成得到的；电流传感器，设置在所述燃料电池电堆的输出干路上，用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电流；阻抗巡检单元，分别与所述燃料电池电堆和所述电流传感器连接，用于采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压，并根据所述输出电压和所述输出电流计算燃料电池阻抗，基于计算得到的燃料电池阻抗对预先构建的燃料电池等效电路模型的参数进行辨识；参数辨识后的燃料电池等效电路模型用于拟合燃料电池阻抗。2.根据权利要求1所述的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，其特征在于，还包括与所述阻抗测算组无线通信的云计算平台；所述云计算平台用于接收和存储所述燃料电池等效电路模型的参数以及拟合的燃料电池阻抗；并基于拟合的燃料电池阻抗，采用聚类算法进行燃料电池健康状态评估和故障诊断。3.根据权利要求1所述的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，其特征在于，所述交流激励单元包括：Flash存储器，用于存储多频复合正弦波激励信号；正弦脉宽调制单元，与所述Flash存储器连接，用于控制所述多频复合正弦波激励信号的输出；全桥拓扑电路，与所述正弦脉宽调制单元，用于将输出后的多频复合正弦波激励信号施加到所述燃料电池电堆上。4.根据权利要求1所述的车载燃料电池交流阻抗在线测量系统，其特征在于，所述阻抗巡检单元包括：继电器开关，与所述燃料电池电堆连接，用于选择巡检通道，采集所述燃料电池电堆或单个燃料电池的输出电压；第一差动放大器，与所述继电器开关的输出端连接，用于消除共模电压；第二差动放大器，与所述电流传感器的输出端连接，用于消除共模电流；模数转换器，分别与所述第一差动放大器的输出端和所述第二差动放大器的输出端连接，用于将模拟信号转换为数字信号；数字信号处理器，与所述模数转换器的输出端连接，用于根据转换后的输出电压和输出电流计算燃料电池阻抗，并基于计算得到的燃料电池阻抗对预先构建的燃料电池等效电路模型的参数进行辨识。5.一种车载燃料电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1
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4任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马天才，徐欣茹，林维康，杨彦博，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：