[發明專利]一種在線車載氫燃料電池阻抗譜測量裝置及測量方法

在審

• 申請號: 202011252065.7
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112285587A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 馬天才;康嘉駿;林維康;張召麗;宋凱航
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01R31/389
• 分類號: G01R31/389;G01R31/378;G01R31/3842;G01R31/392
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔡彭君

本發明涉及一種在線車載氫燃料電池阻抗譜測量裝置及測量方法，其中裝置包括：可控交流源，用于施加正弦交變信號；電池電壓信號前級測量電路，由電壓信號選通電路擇一連通一個單電池；電流傳感器和與電流傳感器連接的電池電流信號前級測量電路；依次連接的信號調理放大電路、多路獨立同步模數轉換電路、數字信號處理器和上位機，信號調理放大電路分別連接至電池電壓信號前級測量電路和電池電流信號前級測量電路，上位機連接可控交流源和電壓信號選通電路。與現有技術相比，本發明通過設計的電池電流信號前級測量電路和電壓信號選通電路，利用半導體器件，實現了燃料電池阻抗譜測量裝置的小型化，提高了燃料電池阻抗譜測量裝置的可靠性。

技術領域

本發明涉及氫燃料電池阻抗在線測量領域，尤其是涉及一種在線車載氫燃料電池阻抗譜測量裝置及測量方法。

背景技術

隨著能源危機和環境保護問題得到社會各界的重視，清潔能源，可再生能源技術得到了深入研究和廣泛應用。其中，質子交換膜燃料電池由于其能量密度高，效率高，無污染物排放等優點，被認為具備替代內燃機并大量用于未來新能源汽車的潛力。然而，目前制約質子交換膜燃料電池廣泛用于汽車領域的問題仍然較多，而燃料電池的耐久性和壽命問題是其中的一個主要方面。由于燃料電池系統是一個復雜的電化學系統，系統運行控制變量多且相互耦合，在操作不當或管理不足等情況下，燃料電池容易發生水淹，膜干，氣體饑餓等故障，進而導致性能衰退，壽命縮短等后果。而車用燃料電池的運行條件惡劣，工況復雜多變，使得問題更加惡化。為了盡可能延長燃料電池的壽命，一般會在燃料電池系統中安裝電池狀態檢測模塊，實現對燃料電池運行狀態的實時監測，并根據測量結果，診斷燃料電池狀態，以此控制運行條件，避免故障的發生。但燃料電池結構相對復雜，難以直接在電池內部安裝傳感器直接檢測系統內部的運行指標。

為了實現對燃料電池健康狀態的間接檢測，一般通過測量燃料電池電壓和阻抗，并以此分析評估燃料電池的工作狀態。其中，電化學阻抗譜技術能夠通過阻抗譜的方式反映燃料電池內部狀態，進而能根據對阻抗譜數據的分析實現對燃料電池總體特性的描述和擬合，因此得到了業界的高度關注。在實驗室環境中，可以通過電化學工作站或其他專用阻抗測量設備采集全頻段(0.001Hz～100kHz)范圍的阻抗譜數據。然而在車載環境下，專用阻抗測量設備存在著體積大，易損壞，測量周期長等缺陷，不適合用于對車用燃料電池系統進行實時檢測。此外，車用燃料電池多為多片燃料電池單體串聯組成，而電化學工作站等儀器多為單片燃料電池阻抗測量設計，并不適應對燃料電池系統的實際測量需求。

發明內容

本發明的目的就是為了提供一種在線車載氫燃料電池阻抗譜測量裝置及測量方法，通過設計的電池電流信號前級測量電路和電壓信號選通電路，利用半導體器件，實現了燃料電池阻抗譜測量裝置的小型化，提高了燃料電池阻抗譜測量裝置的可靠性。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種在線車載氫燃料電池阻抗譜測量裝置，包括：

可控交流源，連接至燃料電池的兩端，用于施加正弦交變信號；

電池電壓信號前級測量電路，通過電壓信號選通電路連接至燃料電池各單電池的兩端，并由電壓信號選通電路擇一連通一個單電池；

電流傳感器和與電流傳感器連接的電池電流信號前級測量電路，所述電流傳感器連接于燃料電池的輸出干路上，用于測量燃料電池的干路電流；

依次連接的信號調理放大電路、多路獨立同步模數轉換電路、數字信號處理器和上位機，所述信號調理放大電路分別連接至電池電壓信號前級測量電路和電池電流信號前級測量電路，所述上位機連接可控交流源和電壓信號選通電路。

所述裝置還包括負載，該負載連接燃料電池的兩端。

所述負載為電子負載。

所述上位機為計算機。

一種如上述的在線車載氫燃料電池阻抗譜測量裝置的測量方法，包括：