一种大功率燃料电池阻抗测试用交流谐波发生装置的制作方法

1.本发明涉及燃料电池阻抗测试技术领域，尤其是涉及一种大功率燃料电池阻抗测试用交流谐波发生装置。


背景技术：

2.在燃料电池系统运行过程中，燃料电池阻抗可以有效反映其内部状态，为系统控制和故障诊断提供了基础条件。为了实现燃料电池阻抗的测量，需要有一个交流谐波发生装置。目前，在大功率燃料电池阻抗测试中，核心技术方案有以下两种：1、使用耗能式直流电子负载进行谐波注入。此种方式由于会消耗部分燃料电池发出的能量，仅可在实验室研发阶段使用，无应用于移动交通领域的可能性，且消耗的能量也是损失，导致燃料电池发电效率降低。2、使用直流dc/dc进行谐波注入。此种方式dc/dc一般为boost升压拓扑电路，存在大量的三角波干扰信号，注入的交流谐波正弦度差，用于阻抗测试中会降低测试精度。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大功率燃料电池阻抗测试用交流谐波发生装置，交流谐波质量高，能量利用率高，使用范围广，方便维修、更换。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.一种大功率燃料电池阻抗测试用交流谐波发生装置，包括测试回路、电压源u1、高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3、高频开关管q4和限流电感l；
6.滤波电容c1、隔离电容c2和待测燃料电池u2串联组成所述测试回路，隔离电容c2的两端分别连接待测燃料电池u2的负极和滤波电容c1的第二端，滤波电容c1的第一端连接待测燃料电池u2的正极；
7.高频开关管q1的两端分别连接电压源u1的负极和限流电感l的第一端，限流电感l的第二端连接滤波电容c1的第二端，高频开关管q3的两端分别连接电压源u1的正极和滤波电容c1的第一端；
8.高频开关管q2的两端分别连接电压源u1的正极和限流电感l的第一端，限流电感l的第二端连接滤波电容c1的第二端，高频开关管q4的两端分别连接电压源u1的负极和滤波电容c1的第一端。
9.优选的，所述电压源u1的输出电压和输出电流是基于待测燃料电池u2的输出电压范围和输出电流范围确定的。
10.优选的，所述滤波电容c1的容抗是基于待测燃料电池u2的输出电压范围和输出电流范围确定的。
11.优选的，所述隔离电容c2的容抗是基于待测燃料电池u2的输出电压范围和输出电流范围确定的。
12.优选的，所述限流电感l的电感值是基于待测燃料电池u2的输出电压范围和输出
电流范围确定的。
13.优选的，所述大功率燃料电池阻抗测试用交流谐波发生装置还包括电阻r，所述电阻r的两端分别连接待测燃料电池u2的正极和滤波电容c1的第一端。
14.优选的，所述电阻r为电流测量精密电阻。
15.优选的，所述高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3和高频开关管q4的类型为sic mosfet。
16.优选的，所述高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3和高频开关管q4的类型为igbt。
17.优选的，所述高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3和高频开关管q4的开关频率不低于9khz。
18.优选的，所述电压源u1为锂电池。
19.优选的，所述大功率燃料电池阻抗测试用交流谐波发生装置还包括信号发生器，所述信号发生器与高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3和高频开关管q4通信连接，用于发送信号至各个高频开关管。，高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3和高频开关管q4基于接收到的信号进行通断。
20.优选的，所述信号发生器上集成有人机交互模块，包括输入单元和显示单元。
21.优选的，所述大功率燃料电池阻抗测试用交流谐波发生装置还包括外壳，滤波电容c1、隔直电容c2、高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3、高频开关管q4和限流电感l集成安装在外壳内。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.(1)交流谐波质量高：本技术的拓扑结构利用了电容的隔直流通交流的特性，保证了注入的谐波一定是交流信号，是实现交流谐波的最佳方式；
24.(2)能量利用率高：在本技术的拓扑结构中，在实现交流谐波注入时，谐波能量为双向转换，仅存在极少部分开关损耗，效率至少可到95％以上
25.(3)使用范围广：在本技术的拓扑中，仅实现交流谐波的注入，为此可以与任意直流dc/dc并联使用，现有的系统仅需安装本技术即可实现交流阻抗的测量，无需做其他大的变动；
26.(4)方便维修、更换：此模块为独立结构，与燃料电池系统其他部件无耦合关系，方便维修。
附图说明
27.图1为本发明的结构示意图；
28.图2为第一工作状态下的导通示意图；
29.图3为第二工作状态下的导通示意图；
30.图4为目标电流波形图。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明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，但本发明的保护范围不限于
下述的实施例。
32.实施例1：
33.一种大功率燃料电池阻抗测试用交流谐波发生装置，如图1所示，包括测试回路、电压源u1、高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3、高频开关管q4和限流电感l；
34.其中，滤波电容c1、隔离电容c2和待测燃料电池u2串联组成测试回路，隔离电容c2的两端分别连接待测燃料电池u2的负极和滤波电容c1的第二端，滤波电容c1的第一端连接待测燃料电池u2的正极；
35.高频开关管q1的两端分别连接电压源u1的负极和限流电感l的第一端，限流电感l的第二端连接滤波电容c1的第二端，高频开关管q3的两端分别连接电压源u1的正极和滤波电容c1的第一端；高频开关管q2的两端分别连接电压源u1的正极和限流电感l的第一端，限流电感l的第二端连接滤波电容c1的第二端，高频开关管q4的两端分别连接电压源u1的负极和滤波电容c1的第一端。
36.本技术的工作原理如下：
37.一种大功率燃料电池阻抗测试用交流谐波发生装置具有两种工作状态，在第一工作状态下，高频开关管q1和高频开关管q3导通，高频开关管q2和高频开关管q4关断，在第二工作状态下，高频开关管q1和高频开关管q3关断，高频开关管q2和高频开关管q4导通。
38.大功率燃料电池阻抗测试用交流谐波发生装置还包括信号发生器，信号发生器与高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3和高频开关管q4通信连接，用于发送信号至各个高频开关管。，高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3和高频开关管q4基于接收到的信号进行通断。
39.本技术中，高频开关管q1和高频开关管q3同步导通或关断，高频开关管q2和高频开关管q4同步关断或导通，使用信号发生器以spwm的方式来控制高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3和高频开关管q4的开启时间，通过第一工作状态和第二工作状态的高速转换即可产生正负变化的方波电流。
40.限流电感起到限流作用，在两侧大压差下进行最大电流限制，可以防止在高压差下的瞬时大电流，隔直电容用于隔绝电流的直流分量，滤波电容用于滤除注入谐波的高次分量，图4为目标电流波形，
41.在第一工作状态下，如图2所示，高频开关管q1和高频开关管q3导通，高频开关管q2和高频开关管q4关断，左侧电压源u1和右侧待测燃料电池u2为反串联结构；此工作状态下的稳定状态为隔直电容c2两端电压等于(电压源u1的电压-待测燃料电池u2的电压)。此工作状态下，电压源u1向待测燃料电池u2充电。信号发生器以正弦波的方式调节高频开关管q1和高频开关管q3的占空比进而调节充电电流以正弦方式变化。
42.在第二工作状态下，如图3所示，高频开关管q1和高频开关管q3关断，高频开关管q2和高频开关管q4导通，左侧电压源u1和右侧待测燃料电池u2为正向串联结构；此工作状态下的稳定状态为隔直电容c2两端电压等于(-电压源u1的电压 待测燃料电池u2的电压)。此工作状态下，待测燃料电池u2向电压源u1放电。信号发生器以正弦波的方式调节高频开关管q2和高频开关管q4的占空比进而调节放电电流以正弦方式变化。
43.大功率燃料电池阻抗测试用交流谐波发生装置还包括电阻r，电阻r的两端分别连接待测燃料电池u2的正极和滤波电容c1的第一端。本实施例中，电阻r为电流测量精密电
阻，可以通过电流测量精密电阻实现电流的准确测量。
44.具体进行测试时，电压源u1的输出电压和输出电流是基于待测燃料电池u2的输出电压范围和输出电流范围确定的。滤波电容c1的容抗是基于待测燃料电池u2的输出电压范围和输出电流范围确定的。隔离电容c2的容抗是基于待测燃料电池u2的输出电压范围和输出电流范围确定的。限流电感l的电感值是基于待测燃料电池u2的输出电压范围和输出电流范围确定的。
45.为了满足大功率燃料电池的阻抗测试需要，高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3和高频开关管q4的开关频率应不低于9khz。在选型时，高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3和高频开关管q4的类型可以为sic mosfet、igbt等。
46.本实施例中，电压源u1为锂电池，容量大、安全性高。
47.在信号发生器上还可以集成人机交互模块，包括输入单元和显示单元，更加便于操作人员进行操作，如设定几个高频开关管的通断时间。
48.此外，大功率燃料电池阻抗测试用交流谐波发生装置还包括外壳，滤波电容c1、隔直电容c2、高频开关管q1、高频开关管q2、高频开关管q3、高频开关管q4和限流电感l集成安装在外壳内，外壳可以保护部件，装置的集成度也更高。
49.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。