通过阻抗谱表征电系统的特性的方法技术方案

本发明专利技术涉及通过阻抗谱更精确地表征电系统的特性的方法。所述方法包括：对所述电系统施加包括正弦扰动的序列的输入信号，以扫描频率的源系列(A)；响应于针对所施加的各个扰动的所述输入信号，测量所述电系统的输出信号；以及针对各个所施加的扰动、估计所述电系统的阻抗的特征量，其特征在于，施加所述扰动的序列，以轮流地扫描从所述源系列(A)得到的频率的多个子系列(A1、...、An)，所述多个子系列的各个子系列与相同的多个子系列的至少一个其它子系列交织。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电系统的一般领域，并且更具体地涉及通过阻抗谱表征所述电系统的特性的方法。电系统可以是诸如燃料电池、电解器、一次或可再充电电池的电化学设备或任何其它类型的电系统。
技术介绍
阻抗谱是在许多
中使用的特征化技术。作为说明，阻抗谱使用在例如腐蚀的领域中，以估计金属件的腐蚀速率、电极沉积，或确定诸如燃料电池的电化学设备的健康状态。在后者的情况中，如在Fouquet等人的、在2006年在期刊Power Sources (159， 905-913)中出版的标题为“Model based PEM fuel cell state-of-health monitoring via ac impedance measurements”的文章中所描述的，阻抗谱技术可以用于检测燃料电池的充液和排液。如图1所示，电流ie施加到电池1，电流ie具有在极化点(polarization point) 周围的正弦扰动的序列(sequence)(图2)。电流ie由有源负载2施加，有源负载2传输直流，直流上叠加有所述扰动。其频率由阻抗分析设备3控制。扰动具有低的幅度并且扫描大的频率范围。在电池的端子处测量响应于这些扰动的电压。阻抗分析器3根据阻抗的实部给出在阻抗的虚部的奈奎斯特平面(Nyquist plane)中的演变。通常施加扰动以扫描从高频到低频的大的频率范围，这些频率对数地间隔。频率范围可以从几个毫赫到数十千赫。因而，高频部分被很快地扫描，而对于低频，测量时间变为不可忽略。例如，从 IOkHz扫描到500Hz，一秒就足够了(大约每十倍频一百个点)。而对于低于IHz的频率的测量，则需要数分钟。实验数据的开发需要电池保持稳定达施加所述扰动所需的时间，S卩，极化电流的平均值和响应电压的平均值在时间上保持恒定。但是，该假设不能被验证，特别是在电系统的劣化或临时故障期间。作为示例，PEM 型燃料电池的排液和充液使得电池不稳定，这使得不能开发阻抗测量数据。当前的阻抗谱技术的缺点在于，在频率范围的扫描期间不能直接识别电系统稳定条件方面的变化。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提出一种通过阻抗谱更精确地表征电系统的特性的方法。本专利技术的次要目的是在扫描频率范围期间简单并且快速地核实所述系统的稳定性。为此，本专利技术涉及一种用于表征电系统的特性的方法，该方法包括以下步骤-在所述电系统的极化点周围对所述电系统施加包括正弦电流扰动或电压扰动的序列的输入信号，各个扰动具有属于频率的源系列(primary series)的不同频率；-响应于所述输入信号，针对各个所施加的扰动，测量所述电系统的输出信号；-针对各个所施加的扰动，估计所述电系统的阻抗的特征大小，阻抗的特征大小的所述估计的集合表征所述电系统的特性。根据本专利技术，施加所述扰动的序列，以依次扫描从所述源系列得到的频率的多个子系列，所述多个子系列中的各个子系列与同一所述多个子系列中的至少一个其它子系列交织。因而，频率的子系列被交织的事实相当于无论两个所考虑的子系列彼此是否相邻，都形成了两个所考虑的子系列之间的重叠区域。子系列的交织相当于反复进行频率的扫描。因而，在源系列中的频率的扫描期间， 会再次请求高频率的事实使得可以检测快速的物理现象。同样，再次请求低频率使得可以检测可识别的长时间的物理现象。因而，贯穿整个测量，可以识别慢速或快速的物理现象， 这使得能够更精确地表征电系统的特性。应该指出，在前面所描述的现有技术的解决方案中，当单调地扫描源系列的频率时，不能获得这样的精度。事实上，扫描了高频率之后，请求中间频率和低频率也不能检测快速的物理现象。相反地，当已经扫描了低频率之后请求高频率时，不再可能识别慢的物理现象。优选地，第一子系列的至少一个频率位于与第一子系列交织的第二子系列的两个连续的频率之间。优选地，所述多个子系列中的各个子系列与同一所述多个子系列中的全部其它子系列相交织。施加所述扰动的序列，以单调地或随机地扫描各个子系列的频率。施加所述扰动的序列，以单调地或随机地扫描所述多个子系列中的这些频率子系列，所述子系列根据预定的顺序进行排列。可以根据各个子系列的最大频率的升序或降序排序这些子系列。另选地，这些子系列的顺序可以取决于各个子系列的最小频率。优选地，根据本专利技术的方法包括由以下步骤组成的后续步骤-计算针对所述多个子系列中的第一子系列的第一频率的阻抗的所述特征大小的估计与针对同一所述多个子系列的第二子系列中的、其间具有所述第一频率的两个连续频率的所述特征大小的估计的、针对相同第一频率通过插值所获得的值之间的偏差；-当所计算出的偏差超过预定的阈值偏差时，检测到电系统的不稳定性。因而，根据本专利技术的方法使得可以简单并快速地验证电系统在源系列的频率范围的扫描期间的稳定性。当所计算出的偏差超过阈值偏差时在位于该重叠区域中的阻抗的值中所检测出的中断直接表示所研究的电系统的不稳定性。因此，可以简单地并快速地验证电系统的稳定性。所述电系统可以是任何电化学设备，诸如电解器或燃料电池。本专利技术还涉及用于控制电系统的方法，该方法包括以下步骤-执行根据任何一个前述的特征的特征化方法，以通过阻抗的特征大小的所述估计的集合来表征所述电系统的特性；接着-测量在所述电系统的阻抗的特征大小的所述估计中的至少一个估计和所述大小的至少一个参考值之间的偏差；接着-当所测量出的偏差超过预定的阈值偏差时，对所述电系统施加命令。本专利技术的其它优点和特征将在下面的非限制性的详细描述中出现。附图说明我们现在将参照附图描述作为非限制性示例的本专利技术的实施方式，在附图中图1 (已经描述了)是连接到电流源和阻抗分析器的燃料电池的示意图；图2(已经描述了)是示出了在极化点周围对图1的燃料电池施加电流扰动的曲线图；图3A和图;3B是示出了作为所施加的扰动的函数的阻抗在电系统的稳定(图3A) 和不稳定(图3B)的情况下的演变的曲线图；图4是扰动序列扫描的频率的交织的示例。具体实施例方式在说明书的其余部分中，电系统是质子交换膜型的燃料电池。但是，电系统不限于燃料电池，而可以是电解器、一次或可再充电电池、任何其它类型的电化学设备、以及可以接收或馈送电能的任何电系统。燃料电池连接到使得燃料电池可以施加电流的电力设备，诸如有功负载(active load)或作为与应用的接口的静止转换器。有功负载具有至少覆盖待研究的系列频率的带觅ο电池连接到阻抗分析设备。所述阻抗分析设备可以是商用的阻抗分析器，其上可以搭载或者不搭载包括用于产生和获取电流和/或电压的同步卡的计算机。正弦电流扰动的序列在极化点周围施加到燃料电池。极化点优选地在扰动序列的整个施加长度上保持恒定。各个扰动优选地包括抑制任何瞬时状态的多个周期，然后包括用以计算阻抗的多个周期。各个扰动具有不同的频率，使得扰动序列扫描频率的源系列(primary series)A， A = {fi; f2，. . .，fN}。更准确地说，扰动系列包括针对系列A的各个频率的至少一个扰动。频率的源系列A的范围从几个毫赫到数十千赫，并且包括待扫描的N个频率，例如大约100个频率。扰动的幅度对于电池的响应足够低，以保持线性。为此，幅度大致低于所考虑的工作点处的电流的值的10%，并优选地在所述值的百分率的附近。阻抗分析设备给出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·图尔平，A·拉库通德赖尼比，
申请(专利权)人：赫利恩公司，图卢兹国立综合科技研究院，国家科研中心，V·普利波托，
类型：发明
国别省市：