燃料电池电化学阻抗谱检测装置及检测方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池电化学阻抗谱检测装置及检测方法。


背景技术：

2.氢燃料电池作为绿色环保的新技术，是当今新能源领域的研究热点。现在作为新能源汽车重要技术方向，质子交换膜燃料电池。
3.由于内阻综合反映氢燃料电池内部湿度，温度，健康状态。对燃料电池内阻进行实时监测是保障氢燃料电池安全，高效运行具有重要意义，但是氢燃料电池属于非线性和时变系统，一般难以精确测量出电池的阻抗参数。并且电池的内阻抗属于毫欧数量级，加大了电池的测量精度难度。目前国内外主流的内阻检测方法是交流阻抗谱方法，是采用小幅值交流电压和电流对燃料电池扰动，进行燃料电池内阻测试，获得交流阻抗数据。对于交流阻抗方法，扰动采用正弦波，优点是容易产生和分析；缺点是大部分是采用外加激励源实现扰动，并且在测试过程中需要从低频到高频进行扫频，测试各个频率端的内阻抗得到阻抗谱，执行时间较长、效率较低不能实时反应阻抗状态。目前也有比较创行的方案是采用发三角形波扰动，并且发10hz,100hz,1000hz频率，通过检测电压电流进行fft分析得出不同频率的内阻抗从而获得阻抗谱；但是这种方案在高频段由于幅值衰减厉害，导致高频端误差比较大的问题；并且也需要发出几段不同频率的三角形波，还是存在发波时间较长的问题。即采用发三角形波扰动的方法，存在检测精度较低，效率也较低的问题。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种检测效率更高的燃料电池电化学阻抗谱检测装置。
5.为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池电化学阻抗谱检测装置，包括多个并联的boost电路、电流检测模块、及用于检测电堆两端的电压大小的电压检测模块，全部所述boost电路均与电堆相连接，每个所述boost电路能产生一个激励源，所述电流检测模块的数量与boost电路的数量相同，全部所述电流检测模块分别用于检测全部boost电路与电堆相连接段的电流大小。
6.进一步地，所述燃料电池电化学阻抗谱检测装置，还包括dfft模块，全部所述电流检测模块和电压检测模块均与dfft模块相连接。
7.进一步地，所述燃料电池电化学阻抗谱检测装置，还包括存储器，所述电流检测模块和电压检测模块均与存储器相连接，所述dfft模块与存储器相连接。
8.进一步地，所述燃料电池电化学阻抗谱检测装置，还包括电流a/d转换模块，所述电流检测模块通过电流a/d转换模块与存储器相连接。
9.进一步地，所述燃料电池电化学阻抗谱检测装置，还包括电压a/d转换模块，所述电压检测模块通过电压a/d转换模块与存储器相连接。
10.进一步地，所述燃料电池电化学阻抗谱检测装置，还包括运算控制单元及与运算控制单元相连接的脉冲宽度调制单元，全部所述电流检测模块均与运算控制单元相连接，所述脉冲宽度调制单元与全部所述boost电路相连接。
11.进一步地，全部所述电流检测模块均与电流a/d转换模块相连接，所述电流a/d转换模块与运算控制单元相连接。
12.如上所述，本发明涉及的燃料电池电化学阻抗谱检测装置，具有以下有益效果：
13.本燃料电池电化学阻抗谱检测装置的工作原理为：全部boost电路同时向电堆发不同频率段的波，全部电流检测模块分别检测全部boost电路与电堆相连接段的电流值，以得到不同频率段的电流值；电压检测模块通过对电堆两端的电压进行检测获得全部boost电路发出波叠加形成的电压值，以得到不同频率段的电压值，根据不同频率段的电流值及不同频率段的电压值计算出不同频率段的阻抗值，根据获得不同频率段的阻抗值既能绘制生成阻抗谱。本检测装置，利用boost电路产生激励源，且利用多个boost电路产生不同频率段的波，此种方式发波时间较短，能大大提高对电堆阻抗检测的效率，可以实现真正意义上对电堆阻抗的实时检测，并且能更加准确的得出燃料电池的阻抗谱，方便实时准确地检测燃料电池的健康状态，进而大大提高燃料电池使用的安全系数，特别在氢燃料电池新能源汽车上能够大大提高安全系数。
14.本发明要解决的另一个技术问题在于提供一种检测效率更高、精度更高的检测方法。
15.为实现上述目的，本发明提供一种采用所述燃料电池电化学阻抗谱检测装置的检测方法，包括如下步骤：
16.全部boost电路同时向电堆发不同频率段的方波，全部电流检测模块分别检测全部boost电路与电堆相连接段的电流值，再对获得的电流值进行dfft分析计算得到不同频率段的电流值；电压检测模块通过对电堆两端的电压进行检测获得全部boost电路发出方波叠加形成的电压值，再对获得的电压值进行dfft分析计算得到不同频率段的电压值，根据不同频率段的电流值及不同频率段的电压值计算出不同频率段的阻抗值。
17.进一步地，至少一路boost电路发10hz方波，至少一路boost电路发50hz方波，至少一路boost电路发100hz方波，至少一路boost电路发500hz方波，至少一路boost电路发1000hz方波，至少一路boost电路发5000hz方波。
18.进一步地，将电流检测模块获得的电流值中的直流量进行滤除后，再将电流值进行dfft分析计算；将电压检测模块获得的电压值中的直流量进行滤除后，再将电压值进行dfft分析计算。
19.如上所述，本发明涉及的检测方法，具有以下有益效果：
20.本检测方法，利用boost电路作为激励源，节约了发波时间，进而大大提高了检测效率；同时，采用方波进行检测，避免了采用三角形波的高频幅值衰减严重导致采样精度差，进而保证本检测方法的精度更高。
附图说明
21.图1为本发明实施例中燃料电池电化学阻抗谱检测装置的结构示意图。
22.元件标号说明
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boost电路
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电流检测模块
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电压检测模块
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电堆
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dfft模块
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存储器
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电流a/d转换模块
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电压a/d转换模块
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运算控制单元
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10
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脉冲宽度调制单元
[0033]
11
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分析判断模块
[0034]
12
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vcu模块
[0035]
13
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fcs模块
具体实施方式
[0036]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0037]
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0038]
如图1所示，本实施例提供一种燃料电池电化学阻抗谱检测装置，包括多个并联的boost电路1、电流检测模块2、及用于检测电堆4两端的电压大小的电压检测模块3，全部boost电路1均与电堆4相连接，每个boost电路1能产生一个激励源，电流检测模块2的数量与boost电路1的数量相同，全部电流检测模块2分别用于检测全部boost电路1与电堆4相连接段的电流大小。本燃料电池电化学阻抗谱检测装置的工作原理为：全部boost电路1同时向电堆4发不同频率段的波，全部电流检测模块2分别检测全部boost电路1与电堆4相连接段的电流值，以得到不同频率段的电流值；电压检测模块3通过对电堆4两端的电压进行检测获得全部boost电路1发出波叠加形成的电压值，以得到不同频率段的电压值，根据不同频率段的电流值及不同频率段的电压值计算出不同频率段的阻抗值，根据获得不同频率段的阻抗值既能绘制生成阻抗谱。本检测装置，利用boost电路1产生激励源，且利用多个boost电路1产生不同频率段的波，此种方式发波时间较短，能大大提高对电堆4阻抗检测的效率，可以实现真正意义上对电堆4阻抗的实时检测，并且能更加准确的得出燃料电池的阻抗谱，方便实时准确地检测燃料电池的健康状态，进而大大提高燃料电池使用的安全系数，特别在氢燃料电池新能源汽车上能够大大提高安全系数。
[0039]
本实施例中燃料电池电化学阻抗谱检测装置，还包括dfft模块5、存储器6、电流a/
d转换模块7及电压a/d转换模块8，全部电流检测模块2均与电流a/d转换模块7相连接，电压检测模块3与电压a/d转换模块8相连接，电流a/d转换模块7和电压a/d转换模块8均与存储器6相连接，存储器6又与dfft模块5相连接。全部电流检测模块2将相应的boost电路1与电堆4相连接段的电流值反馈给电流a/d转换模块7，电流a/d转换模块7将电流值的模拟信号转变为数字信号后发送给存储器6进行存储，电压检测模块3将检测到的电压值反馈给电压a/d转换模块8，电压a/d转换模块8将电压值的模拟信号转换为数字信号后、发送给存储器6进行存储，dfft模块5对存储器6中的电流值通过dfft分析计算得到不同频率段的电流值，且dfft模块5对存储器6中的电压值通过dfft分析计算得到不同频率段的电压值，进而通过阻抗计算方法计算出不同频率段的阻抗值，绘制生成阻抗谱。
[0040]
如图1所示，本实施例中燃料电池电化学阻抗谱检测装置，还包括运算控制单元9及与运算控制单元9相连接的脉冲宽度调制单元10，电流a/d转换模块7与运算控制单元9相连接，脉冲宽度调制单元10与全部所述boost电路1相连接。电流a/d转换模块7将各个boost电路1与电堆4连接段的电流值发送给运算控制单元9，运算控制单元9根据检测到的电流情况、包括波段宽度等，并根据设定的情况通过控制脉冲宽度调制单元10实现对各个boost电路1的调节，以保证各个boost电路1发出波的状态达到设定要求。
[0041]
同时，本实施例提供一种采用所述燃料电池电化学阻抗谱检测装置的检测方法，包括如下步骤：
[0042]
全部boost电路1同时向电堆4发不同频率段的方波，全部电流检测模块2分别检测全部boost电路1与电堆4相连接段的电流值，再对获得的电流值进行dfft分析计算得到不同频率段的电流值；电压检测模块3通过对电堆4两端的电压进行检测获得全部boost电路1发出方波叠加形成的电压值，再对获得的电压值进行dfft分析计算得到不同频率段的电压值，根据不同频率段的电流值及不同频率段的电压值计算出不同频率段的阻抗值。
[0043]
本检测方法，利用boost电路1作为激励源，节约了发波时间，进而大大提高了检测效率；同时，采用方波进行检测，避免了采用三角形波的高频幅值衰减严重导致采样精度差，进而保证本检测方法的精度更高。
[0044]
本实施例中检测方法，具体将电流检测模块2获得的电流值中的直流量进行滤除后，再将电流值进行dfft分析计算；并将电压检测模块3获得的电压值中的直流量进行滤除后，再将电压值进行dfft分析计算。
[0045]
本实施例中检测装置及检测方法，涉及到对氢燃料电池内阻检测，其利用boost电路1作为激励源，实现了对氢燃料电池的在线电化学阻抗谱检测，且采用多路boost电路1同时发方波，有利于提高检测精度。整个过程存在多个激励源集成在多项交错并联的boost电路1中，通过n路交错并联boost电路1，就可以产生n个激励源，只通过控制boost电路1控制燃料电池电流产生一个直流电流和轻微不影响控制的稳定性的方波两者叠加组成电流，再燃料电池稳定后，采样燃料电池的电压和电流进行dfft分析，得到各个频率下的燃料电池的内阻抗，绘制成电池的电化学阻抗谱。整个检测装置及方法，采用激励源设计，克服了现有技术中采用正弦波扫频时间长、三角形波的高频幅值衰减严重采样精度差、分时给出不同频率三角形波时间长等缺点。
[0046]
另外，从方波和三角形波的fft分析可以看方波的高频含量是三角形波的n/2倍。
[0047]
方波的fft：
[0048]
三角形波的fft：
[0049]
例如，本实施例可具体采用6路boost电路1发波，第一路boost电路1发10hz方波，第二路boost电路1发50hz方波，第三路boost电路1发100hz方波，第四路boost电路1发500hz方波，第五路boost电路1发1000hz方波，第六路boost电路1发5000hz方波。dc-dc是6路交错并联boost电路1，同时发波；通过不同路电流检测分别检测到电流，通过电路处理滤除直流量，然后a/d转换送入dsp通过dfft分析计算得到不同频率段电流值。电压采样得到6路方波叠加产生的电压值，通过电路处理滤除直流量，然后a/d转换送入dsp通过dfft分析计算的不同频率电压值。通过阻抗计算方法计算出不同频率段的阻抗值，绘制生成阻抗谱。
[0050]
另外，如图1所示，本实施例中燃料电池电化学阻抗谱检测装置，还包括与dfft模块5相连接的分析判断模块11，分析判断模块11与vcu模块12相连接，vcu模块12与fcs模块13相连接。本实施例中运算控制单元9、脉冲宽度调制单元10、电流检测模块2、电压检测模块3、a/d转换模块、存储器6、dfft模块5及分析判断模块11构成本检测装置的主控单元。
[0051]
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0052]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。