一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统及其方法技术方案

本发明专利技术提出一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统及其方法，该系统包括：包括微控制器、交流电流激励信号模块、采样电路和与燃料电池电堆电路串联的隔直电容；交流电流激励信号模块用于向燃料电池电堆发送激励电流信号；采样电路用于采集燃料电池电堆与隔直电容的交流电流I及总交流电压U

【技术实现步骤摘要】
一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统及其方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池测试领域，具体涉及一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统及其方法。

技术介绍

[0002]燃料电池可以通过化学反应将化学能转化为电能，且具有无污染、无腐蚀、低噪声、低温正常运行、效率高等优点，在新能源汽车、移动电源、分布式发电等领域具有较广泛的应用。在实际运行过程中，燃料电池电堆易发生水淹或者膜干等水管理故障时，影响燃料电池电堆的输出性能。电化学阻抗谱是电化学分析的重要工具，燃料电池电堆的交流阻抗与其水管理状态密切相关，且具有一定的对应关系。因此，准确测量燃料电池电堆在一定频率范围内的交流阻抗并绘制电化学阻抗谱，可以用于正确诊断燃料电池电堆的水管理状态，从而及时调整燃料电池电堆的操作条件，避免燃料电池电堆长时间处于水淹或者膜干故障状态，以提升电堆的使用性能和寿命。
[0003]电化学阻抗谱法的原理是向燃料电池电堆注入小幅值扰动信号，其大小为燃料电池工作电流的5%～10%，与之不同的是信号形式为正弦交流。测量燃料电池电堆输出的交流电压信号和交流电流信号，然后计算得到交流阻抗。测量一定频率范围内的电堆交流阻抗值，可以获得电化学阻抗谱。
[0004]然而，国内外现有的电化学工作站或者燃料电池交流阻抗检测仪，通常只适用于测量小功率的燃料电池电堆，例如燃料电池单体或者几个单体串联组成的电堆。对于车用等大功率燃料电池电堆，串联的单体数量一般为几百个，电堆功率为百kW级，利用现有电化学阻抗谱法很难准确可靠地测量电化学阻抗谱。
[0005]因此需要提出一种新的检测方法来解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统及其方法，来解决现有技术中采用电化学阻抗谱法，难以准确可靠地测量大功率燃料电池电堆的电化学阻抗谱的问题。
[0007]本专利技术提供一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统，包括微控制器、交流电流激励信号模块、采样电路和与燃料电池电堆电路串联的隔直电容；所述交流电流激励信号模块用于向燃料电池电堆发送激励电流信号；所述采样电路用于采集燃料电池电堆与隔直电容的交流电流I及总交流电压U
总
；所述微控制器用于根据所述隔直电容的电容值、交流电流I及总交流电压U
总
计算出燃料电池电堆的交流阻抗Z。
[0008]进一步地，所述采样电路包括交流电流信号采集模块、交流电压信号采集模块和直流电流信号采集模块；所述交流电流信号采集模块包括依次连接的电流传感器、第一I/V变换电路、有源
带通滤波电路、第一放大电路、第一电压抬升电路以及第一A/D转换器；所述交流电压信号采集模块包括依次连接的电压传感器、低通滤波电路、第二放大电路、第二电压抬升电路以及第二A/D转换器；所述直流电流信号采集模块用于采集燃料电池电堆的直流电流，并将所述直流电流发送至所述微控制器，所述微控制器用于根据所述直流电流控制所述交流电流激励信号模块的激励电流信号大小。
[0009]进一步地，所述交流阻抗Z的计算公式为：
[0010]其中，Z
C
为接入的隔直电容的电容值。
[0011]进一步地，所述交流电流激励信号模块包括依次连接的DDS信号发生器、第三放大电路、滤波电路和功率运放模块。
[0012]进一步地，所述隔直电容由若干个隔直电容单体通过串联和/或并联的方式组合形成，当待测频段不同时，所述隔直电容的电容值不同。
[0013]本专利技术还提供一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法，包括以下步骤：将预先配置的隔直电容串联至燃料电池电堆的测量回路；向燃料电池电堆发送激励电流信号，并采集燃料电池电堆与隔直电容的交流电流I及总交流电压U
总
；根据所述隔直电容的电容值、交流电流I及总交流电压U
总
计算出燃料电池电堆的交流阻抗Z。
[0014]进一步地，上述大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法还包括：测量指定频率范围内不同频率点的燃料电池电堆的交流阻抗Z；根据多组交流阻抗Z数据绘制奈奎斯特曲线，得到燃料电池电堆的交流阻抗谱。
[0015]进一步地，上述大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法还包括：将燃料电池电堆对应的待测量频率段等分为若干个连续子频率段，并针对每个子频率段分别配置一个隔直电容，使每个隔直电容的电容值分别与一个子频率段匹配，在测量燃料电池电堆交流阻抗时，针对每个子频率段分别测量，且在每个子频率段测量时分别接入对应的隔直电容。
[0016]进一步地，针对每个子频率段分别配置一个隔直电容包括：以与待测燃料电池电堆的阻抗频率匹配为目标，确认不同的子频率段在测量时需接入的隔直电容的电容值；以所述电容值为目标值，利用若干个隔直电容单体通过串联和/或并联的方式组合形成隔直电容，使所述隔直电容的电容值为所述目标值。
[0017]进一步地，所述根据所述交流电流I及总交流电压U
总
计算出燃料电池电堆的交流阻抗Z包括：利用公式计算交流阻抗Z；其中，Z
C
为接入的隔直电容的电容值。
[0018]相比与现有技术，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术通过采用间接测量方案获得燃料电池电堆的交流阻抗，首先测量电堆与隔直电容输出的总交流电压，结合电堆输出的交流电流，计算出电堆与隔直电容的交流阻抗之和，然后再减去隔直电容的电容值即得到电堆的交流阻抗，通过简单可行的测量方案，相比现有的测量方法，可以提高测量精度；2、本专利技术通过在燃料电池电堆回路串联精确稳定的大容量隔直电容，同时将较大的频率段划分为多个连续的待测频率段，针对每个待测频率段分别配置对应的隔直电容，使得频率变化时大容量隔直电容的交流负载大小均与燃料电池交流阻抗幅值接近，燃料电池内阻相当于电源内阻，而大容量隔直电容相当于加在电源两端的负载，实现了信号功率最大，从而保证交流阻抗测量精度；另外本专利技术可隔断大功率燃料电池电堆的大直流工作电流，输出小交流电流信号和小交流电压信号，提高了交流阻抗测量精度；3、本专利技术的微控制器通过对可编程带通滤波器的可编辑ROM写入控制，可以改变滤波器的截止频率。由于交流电流激励信号的频率范围较大，使用可编程带通滤波器减小了滤波器的体积，同时针对不同的频率范围只需改变写入的控制字就可实现滤波效果，且为多个二阶滤波器组成，滤波效果更好。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统示意图；图2为本专利技术中交流电流激励信号模块的差分仪表放大电路图；图3为本专利技术中DDS信号发生器输出频率和赋值刷新程序流程图；图4为本专利技术中网卡驱动程序流程图；图5为本专利技术中电源模块转换示意图；图6为本专利技术中交流电流信号采集模块原理图；图7为本专利技术中双路ADS8412同步信号采集程序流程图；图8为本专利技术中交流电压信号采集模块结构示意图；图9为本专利技术中程控滤波模块结构电路图；图10为本专利技术一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测方法流程示意图。
具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统，其特征在于：包括微控制器、交流电流激励信号模块、采样电路和与燃料电池电堆电路串联的隔直电容；所述交流电流激励信号模块用于向燃料电池电堆发送激励电流信号；所述采样电路用于采集燃料电池电堆与隔直电容的交流电流I及总交流电压U
总
；所述微控制器用于根据所述隔直电容的电容值、交流电流I及总交流电压U
总
计算出燃料电池电堆的交流阻抗Z。2.根据权利要求1所述的大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统，其特征在于：所述采样电路包括交流电流信号采集模块、交流电压信号采集模块和直流电流信号采集模块；所述交流电流信号采集模块包括依次连接的电流传感器、第一I/V变换电路、有源带通滤波电路、第一放大电路、第一电压抬升电路以及第一A/D转换器；所述交流电压信号采集模块包括依次连接的电压传感器、低通滤波电路、第二放大电路、第二电压抬升电路以及第二A/D转换器；所述直流电流信号采集模块用于采集燃料电池电堆的直流电流，并将所述直流电流发送至所述微控制器，所述微控制器用于根据所述直流电流控制所述交流电流激励信号模块的激励电流信号大小。3.根据权利要求1所述的大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统，其特征在于，所述交流阻抗Z的计算公式为：；其中，Z
C
为接入的隔直电容的电容值。4.根据权利要求1所述的大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统，其特征在于：所述交流电流激励信号模块包括依次连接的DDS信号发生器、第三放大电路、滤波电路和功率运放模块。5.根据权利要求1所述的大功率燃料电池电堆交流阻抗检测系统，其特征在于：所述隔直电容由若干个隔直电容单体通过串联和/或并联的方式组合形成，当待测频段不同时，所述隔直电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨扬，谢长君，卢忠昌，刘芙蓉，黄亮，熊斌宇，杜帮华，朱文超，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：