一种燃料电池内阻的在线辨识方法及系统与流程

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种燃料电池内阻的在线辨识方法及系统。

背景技术：

燃料电池在实际的工作中，质子交换膜的湿润度直接影响燃料电池的工作状态。“水淹”和“膜干”是影响燃料电池效率、功率以及寿命的关键因素。质子交换膜的湿润程度与其内阻直接相关，通过在线辨识燃料电池电堆内阻，可推算出质子交换膜的湿润情况，为系统的精确控制提供依据，同时还可估算整车燃料电池寿命。目前燃料电池内阻检测主要有以下方法：

(1)现有技术1：采用独立的dcdc燃料电池内阻检测装置，该方式检测精度高，但是只能离线检测，无法进行实时在线辨识，同时该独立检测装置也增加了系统成本；

(2)现有技术2：叠加高频三角波或方波等电流指令，通过fft(fastfouriertransform，快速傅里叶变换)提取出叠加频率的1、3、5、7次等奇数次谐波，可同时计算出多种频率下的燃料电池阻抗，但是采用该方法，导致dcdc控制器很难激励出三角波或方波等电流信号，并且由于高次谐波幅值较低，计算出来的阻抗误差大；

(3)现有技术3：叠加高频交流电流指令，通过fft可提取出电堆两端电压和电流的幅值和相位，该方法运算量大，耗费mcu资源。

因此，现有的燃料电池内阻检测技术存在着无法实时在线辨识，并且运算量大，耗费mcu资源，以及计算出来的阻抗误差较大的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种燃料电池内阻的在线辨识方法及系统，旨在解决现有的燃料电池内阻检测技术存在着无法实时在线辨识，并且运算量大，耗费mcu资源，以及计算出来的阻抗误差较大的问题。

本发明第一方面提供了一种燃料电池内阻的在线辨识方法，dcdc变换器接燃料电池，所述燃料电池通过所述dcdc变换器给负载提供电能，所述在线辨识方法包括：

控制所述燃料电池输出电流跟随指令；

采样所述燃料电池两端的电压信号和电流信号；

根据所述电压信号和所述电流信号，调节所述dcdc变换器的开关信号占空比；

计算得到所述燃料电池的内阻。

优选地，所述控制所述燃料电池输出电流跟随指令之前还包括：

控制所述燃料电池的控制器下发恒定直流指令。

优选地，所述控制所述燃料电池输出电流跟随指令具体包括：

在所述恒定直流指令的基础上，叠加高频交流正弦电流指令，以控制所述燃料电池输出所述电流跟随指令。

优选地，所述采样所述燃料电池两端的电压信号和电流信号具体包括：

通过lpf低通滤波器获取反馈电流中的直流分量；

通过bpf高通滤波器获取反馈电流中的高频分量。

优选地，所述根据所述电压信号和所述电流信号，调节所述dcdc变换器的开关信号占空比具体包括：

采用pi调节器对采样到的所述电流信号的直流分量进行控制；

采用pr调节器对采样到的所述电流信号的高频交流分量进行控制；

将所述pi调节器和所述pr调节器的输出结果作为所述dcdc变换器的开关信号占空比。

优选地，所述计算得到燃料电池的内阻具体包括：

通过广义二阶积分器的带通滤波器函数滤除掉所述电压信号和所述电流信号中的直流分量、高频噪声分量；

通过其90°移相函数，构造虚拟移相电压和移相电流；

提取交流信号的幅值和相位；

计算出所述燃料电池的内部阻抗。

优选地，所述通过广义二阶积分器的带通滤波器函数滤除掉所述电压信号和所述电流信号中的直流分量、高频噪声分量采用的传递函数为：

其中，所述为谐振频率。

优选地，所述通过其90°移相函数，构造虚拟移相电压和移相电流采用的传递函数为：

其中，所述为谐振频率。

优选地，所述计算出所述燃料电池的内部阻抗采用以下联合公式：

z＝r+jx；

逐步增大高频电流指令信号的频率，直至内部阻抗的虚部|x|≈0时，rm≈r。

本发明第二方面提供了一种燃料电池内阻的在线辨识系统，dcdc变换器接燃料电池，所述燃料电池通过所述dcdc变换器给负载提供电能，所述在线辨识系统包括：

电流跟随控制模块，用于控制所述燃料电池输出电流跟随指令；

采样模块，用于采样所述燃料电池两端的电压信号和电流信号；

占空比调节模块，用于根据所述电压信号和所述电流信号，调节所述dcdc变换器的开关信号占空比；

内阻计算模块，用于计算得到所述燃料电池的内阻。

本发明提供的一种燃料电池内阻的在线辨识方法及系统，dcdc变换器接燃料电池，燃料电池通过dcdc变换器给负载提供电能，通过控制燃料电池输出电流跟随指令，并采样燃料电池两端的电压信号和电流信号，根据电压信号和电流信号，调节dcdc变换器的开关信号占空比，最终计算得到燃料电池的内阻。由此保证了系统无静差实时跟踪交流、直流电流指令，并且对电压信号和电流信号进行处理后，可有效提取高频电压、电流信号的幅值和相位，同时计算出相应的内阻，该方式不需要增加额外的装置设备，无需复杂的fft变换，节省mcu的存储资源和运算开销，并且可在线实时辨识，计算出来的燃料电池的内部阻抗精确度较高，解决了现有的燃料电池内阻检测技术存在着无法实时在线辨识，并且运算量大，耗费mcu资源，以及计算出来的阻抗误差较大的问题。

附图说明

图1是本发明提供的一种燃料电池内阻的在线辨识方法的步骤流程示意图。

图2是对应图1中步骤s102的具体步骤流程示意图。

图3是对应图1中步骤s103的具体步骤流程示意图。

图4是对应图1中步骤s104的具体步骤流程示意图。

图5是燃料电池的内部等效电路的示例电路图。

图6是dcdc变换器的内部等效电路的示例电路图。

图7是dcdc变换器的电流环控制框架图。

图8是广义二阶积分器电压、电流信号处理框架图。

图9是本发明提供的一种燃料电池内阻的在线辨识系统的模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

上述的一种燃料电池内阻的在线辨识方法及系统，燃料电池电堆通过boost升压dcdc变换器给后级负载提供能量，dcdc变换器接收fcu(燃料电池控制器)下发的电流指令，工作于恒流模式。dcdc变换器内部mcu通过在fcu的电流指令基础上，叠加高频正弦电流指令，然后采样燃料电池电堆两端电压信号及电堆输出电流信号，通过广义二阶积分器(sogi)，计算出高频正弦电压、电流信号的幅值和相位，得到燃料电池的阻抗。相比于传统燃料电池内阻检测，该方式不需要增加额外的装置设备，无需复杂的fft变换，节省mcu的存储资源和运算开销，并且可在线实时辨识。

图1示出了本发明提供的一种燃料电池内阻的在线辨识方法的步骤流程，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

上述燃料电池内阻的在线辨识方法，dcdc变换器接燃料电池，燃料电池通过dcdc变换器给负载提供电能，该在线辨识方法包括以下步骤：

s101.控制燃料电池输出电流跟随指令；

燃料电池输出电流跟随指令，是为了保证系统无静差实时跟踪交流电流信号和直流电流信号。

s102.采样燃料电池两端的电压信号和电流信号；

采样燃料电池两端的电压信号和电流信号，是为了后续计算出高频正弦电压、电流信号的幅值和相位。至于采样的方式，不作限定。

s103.根据电压信号和电流信号，调节dcdc变换器的开关信号占空比；

s104.计算得到燃料电池的内阻。

具体地，上述在线辨识方法中，在步骤s101之前还包括：

控制燃料电池的控制器下发恒定直流指令。

由于dcdc变换器接燃料电池，当dcdc变换器接收到燃料电池的控制器下发的恒定直流指令时，则dcdc变换器工作于恒流模式。

并且，上述步骤s101具体包括：

在恒定直流指令的基础上，叠加高频交流正弦电流指令，以控制燃料电池输出电流跟随指令。

图2示出了对应图1中步骤s102的具体步骤流程，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

作为本发明一实施例，上述步骤s102中具体包括：

s1021.通过lpf低通滤波器获取反馈电流中的直流分量；

s1022.通过bpf高通滤波器获取反馈电流中的高频分量。

图3示出了对应图1中步骤s103的具体步骤流程，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

作为本发明一实施例，上述步骤s103中具体包括：

s1031.采用pi调节器对采样到的电流信号的直流分量进行控制；

s1032.采用pr调节器对采样到的电流信号的高频交流分量进行控制；

s1033.将pi调节器和pr调节器的输出结果作为dcdc变换器的开关信号占空比。

图4示出了对应图1中步骤s104的具体步骤流程，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

作为本发明一实施例，上述步骤s104具体包括：

s1041.通过广义二阶积分器的带通滤波器函数滤除掉电压信号和电流信号中的直流分量、高频噪声分量；

s1042.通过其90°移相函数，构造虚拟移相电压和移相电流；

s1043.提取交流信号的幅值和相位；

s1044.计算出燃料电池的内部阻抗。

以下结合图5-图8对上述一种燃料电池内阻的在线辨识方法进行阐述：

燃料电池的内部等效电阻rm与质子交换膜水含量密切相关，通过测量内部等效电阻rm的大小，即可估算出燃料电池内部质子交换膜水含量。当燃料电池输出交流电流频率越高时，等效电容cd1的阻抗越小，当输出交流电流频率足够高时，其等效电路如图5所示，此时通过测量燃料电池两端高频电压及电流幅值即可计算出内部等效电阻rm的大小。

如图6所示，dcdc变换器的内部等效电路包括功率晶体管mos1、储能电感l1以及二极管d1。当功率晶体管mos1导通时，电源向储能电感l1进行储能，则流经储能电感l1的电流增加；当功率晶体管mos1截止时，则流经储能电感l1的电流减小，并且储能电感l1释放能量，与输入电压一起顺极性经二极管d1向负载供电。

又如图7所示，irefdc为fcu(燃料电池控制器)下发的直流电流指令，irefac为mcu(dcdc变换器的控制器)内部给定的高频交流正弦电流指令。mcu采样燃料电池堆电流，通过lpf低通滤波器获取反馈电流中的直流分量，通过bpf高通滤波器获取反馈电流中的高频分量。

直流电流通过pi调节器进行控制，高频交流电流通过pr调节器进行控制，两个调节器输出结果作为dcdc变换器的开关信号占空比，从而使得燃料电池输出的能量经dcdc变换器进行变换后，输出至负载(图7采用锂电池表示)进行供电。

采样燃料电池电堆两端电压信号和电流信号，分别通过h(s)带通滤波器和q(s)90°移相器后，计算出对应的电压、电流的幅值。

由图8所示，以下公式4-1为h(s)传递函数，正弦信号经过h(s)后，在谐振频率处，能够无静差跟踪输入：

公式4-2为q(s)传递函数，正弦信号经过q(s)后，在谐振频率处，输出信号滞后输入信号π/2：

根据注入信号的频率，计算传递函数离散域相关系数。

通过以下联立公式(4-3)～(4-9)即可计算出燃料电池阻抗：

z＝r+jx(4-6)

逐步增大高频电流指令信号的频率，直至内部阻抗的虚部|x|≈0时，此时rm≈r。

因此，上述一种燃料电池内阻的在线辨识方法的优点体现在：

1)利用独立的电流调节器，保证系统无静差实时跟踪交、直流电流指令；

2)利用广义二阶积分器对电压电流信号进行处理，可有效提取高频电压、电流信号的幅值和相位。

上述在线辨识方法利用燃料电池电堆相匹配的dcdc变换器，通过内部电流调节器，可分别激励出dcdc变换器正常工作时的直流电流信号，和用于内阻检测的高频正弦电流信号，通过广义二阶积分器实时计算出高频电压电流的幅值和相位，同时计算出相应的内阻。

图9示出了本发明提供的一种燃料电池内阻的在线辨识系统的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

本发明还提供了一种燃料电池内阻的在线辨识系统，dcdc变换器接燃料电池，燃料电池通过dcdc变换器给负载提供电能，该在线辨识系统包括：

电流跟随控制模块100，用于控制燃料电池输出电流跟随指令；

采样模块200，用于采样燃料电池两端的电压信号和电流信号；

占空比调节模块300，用于根据电压信号和电流信号，调节dcdc变换器的开关信号占空比；

内阻计算模块400，用于计算得到燃料电池的内阻。

因此，相比于传统燃料电池内阻检测，该在线辨识系统不需要增加额外的装置设备，无需复杂的fft变换，节省mcu的存储资源和运算开销，可进行在线实时辨识。

综上，本发明实施例提供的一种燃料电池内阻的在线辨识方法及系统，dcdc变换器接燃料电池，燃料电池通过dcdc变换器给负载提供电能，通过控制燃料电池输出电流跟随指令，并采样燃料电池两端的电压信号和电流信号，根据电压信号和电流信号，调节dcdc变换器的开关信号占空比，最终计算得到燃料电池的内阻。由此保证了系统无静差实时跟踪交流、直流电流指令，并且对电压信号和电流信号进行处理后，可有效提取高频电压、电流信号的幅值和相位，同时计算出相应的内阻，该方式不需要增加额外的装置设备，无需复杂的fft变换，节省mcu的存储资源和运算开销，并且可在线实时辨识，计算出来的燃料电池的内部阻抗精确度较高，解决了现有的燃料电池内阻检测技术存在着无法实时在线辨识，并且运算量大，耗费mcu资源，以及计算出来的阻抗误差较大的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。