一种产生扰动信号用于检测燃料电池电化学阻抗的设备的制作方法

1.本发明属于燃料电池、电化学阻抗检测和电力电子硬件领域，尤其涉及一种产生扰动信号用于检测燃料电池电化学阻抗的设备。


背景技术：

2.本发明提出的设备主要应用于燃料电池电化学阻抗频谱的检测，设备用于产生检测所需的电流扰动信号于燃料电池输出端。完整的阻抗频谱检测流程的后续的步骤为获得燃料电池的输出电压反馈和计算出阻抗。现有的用于产生扰动的硬件设备方案可以分为：线性设备、将检测功能集成于大功率dc/dc变换器和专用电化学阻抗dc/dc变换器。
3.线性设备将功率半导体器件运行在线性区，接在燃料电池输出的两端，通过控制电压的调控，从而产生通过线性设备的扰动电流信号，作用于燃料电池输出端，用于启动燃料电池电化学阻抗的检测。线性设备类似于一个可编程负载，有较大的功率损耗，需要较大的散热器件。燃料电池的输出一般通过一个大功率dc/dc接到负载，在大功率dc/dc变换器的方案中，大功率dc/dc变换器的控制回路中引入扰动信号，从而控制大功率dc/dc变换器在燃料电池输出端的直流功率输出上产生交流扰动信号，用于燃料电池电化学阻抗检测。专用电化学阻抗dc/dc变换器的方案是设计额外的一个专门用于产生扰动信号的dc/dc变换器接在燃料电池的输出端，与大功率dc/dc变换器分开。
4.应用于燃料电池电化学内阻抗频谱检测的扰动信号为交流信号，扰动信号的形式可以是正弦或方波等，包含高频和低频的信号，从而获得完整的阻抗频谱信息。在产生电流扰动信号后，需要获取燃料电池的反馈电压信号，并且计算出不同频率的扰动信号对应的燃料电池的内阻，获得内阻抗的频谱，而该频谱信息可应用于用于燃料电池状态的判定，如故障或寿命衰减。
5.现有的硬件方案中，线性设备的会产生较大的功率损耗，特别是用于大功率的燃料电池电堆上时，因此需要一个高成本和大体积的散热方案。而大功率dc/dc变换器的方案在实际应用中，可能需要对原有的大功率dc/dc变换器进行软硬件的整改后才能使用，而一般工程中，大功率dc/dc由供应商提供，并不一定能开放软硬件整改。专用电化学阻抗dc/dc方案中，额外的一个dc/dc变换器需要比较大的成本和复杂的设计，并且需要额外一个负载，需要较大散热器，集成度会降低。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种产生扰动信号用于检测燃料电池电化学阻抗的设备。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种产生扰动信号用于检测燃料电池电化学阻抗的设备，包括燃料电池电化学电源、dc/dc变换器以及负载，所述燃料电池电化学电源的输出端与dc/dc变换器的输入端相连，所述dc/dc变换器的输出端与负载的输入端相连，所述燃料电池电化学电源的输出端与
扰动信号检测装置的输入端相连，所述扰动信号检测装置的输出端与dc/dc变换器的输出端相连，所述dc/dc变换器的输出端与储能设备相连；
9.所述扰动信号检测装置包括若干电感和电力电子开关器件，所述电感与电力电子开关器件相连，它们连接构成半桥式电路或桥式电路，所述电力电子开关器件由pwm信号控制。
10.优选地，所述的一种产生扰动信号用于检测燃料电池电化学阻抗的设备，所述半桥式电路包括两个电力电子开关器件和电感，所述电力电子开关器件和另一电力电子开关器件相串联连接，所述电感连接至串联的电力电子开关器件之间。
11.优选地，所述的一种产生扰动信号用于检测燃料电池电化学阻抗的设备，其特征在于：所述桥式电路包括四个电力电子开关器件和两个电感，其中两个电力电子开关器件相串联，一电感连接至串联的电力电子开关器件之间，另外两个电力电子开关器件也相串联，另一电感连接至另一串联的电力电子开关器件之间，同时串联的两个电力电子开关器件与另一串联的电力电子开关器件相并联，两个电感与燃料电池电化学电源相连。
12.借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
13.本发明为高集成度的设备，由一个电感和两个电力电子半导体组成，结构简单，利用系统中的固定电压，即现有的大功率dc/dc变换器的输出端电压来调制出扰动信号，无需额外负载。本发明的功率损耗低，也不会改动大功率dc/dc变换器的软硬件，而且只有扰动信号相关的交流信号会通过此硬件，降低了功率损耗，可以使用额定值较低的器件，提高了集成度，达到减低成本的目的。
14.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
16.图1是本发明的连接结构图；
17.图2是本发明的扰动信号检测装置的一连接电路；
18.图3是本发明的扰动信号检测装置的另一连接电路；
19.图4a是本发明的扰动信号检测装置的输入侧波形图；
20.图4b是本发明的燃料电池电化学电源输出电流及叠加的扰动电流的波形图；
21.图4c是本发明的燃料电池电化学电源输出电压及叠加的扰动电压的波形图；
22.图5a是本发明基于simulink的仿真图中的装置电流波形图；
23.图5b是本发明基于simulink的仿真图中电源电流波形图；
24.图5c是本发明基于simulink的仿真图中装置的pwm控制信号的波形图；
25.图5d是本发明基于simulink的仿真图中dc/dc变换器固定电压的波形图。
具体实施方式
26.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
27.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
29.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或竖直，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
31.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
32.实施例
33.如图1至图5d所示，一种产生扰动信号用于检测燃料电池电化学阻抗的设备，包括燃料电池电化学电源1、dc/dc变换器2以及负载3，所述燃料电池电化学电源1的输出端与dc/dc变换器2的输入端相连，所述dc/dc变换器2的输出端与负载3的输入端相连，所述燃料电池电化学电源1的输出端与扰动信号检测装置4的输入端相连，所述扰动信号检测装置4的输出端与dc/dc变换器2的输出端相连，所述dc/dc变换器2的输出端与储能设备5相连；所述扰动信号检测装置4包括若干电感和电力电子开关器件，所述电感与电力电子开关器件相连，它们连接构成半桥式电路或桥式电路，所述电力电子开关器件由pwm信号控制。
34.实施例一
35.如图2所示，所述半桥式电路包括两个电力电子开关器件和电感，所述电力电子开关器件和另一电力电子开关器件相串联连接，所述电感连接至串联的电力电子开关器件之间。
36.实施例二
37.如图3所示，所述桥式电路包括四个电力电子开关器件和两个电感，其中两个电力电子开关器件相串联，一电感连接至串联的电力电子开关器件之间，另外两个电力电子开
关器件也相串联，另一电感连接至另一串联的电力电子开关器件之间，同时串联的两个电力电子开关器件与另一串联的电力电子开关器件相并联，两个电感与燃料电池电化学电源1相连。
38.在上述的实施例一和实施例二中，所述电力电子开关器不做任何的限制，可以为mosfet，或为igbt等任何可实现该开关功能的电力电子器件均可。
39.本发明的工作原理如下：
40.具体工作时，扰动信号检测装置的输入和输出端分别连接于燃料电池电化学电源输出端和大功率dc/dc变换器输出端，即扰动信号检测装置并联于大功率dc/dc变换器上。
41.在实际运行中，大功率dc/dc变换器通过燃料电池电化学电源输的大功率直流输出，而扰动信号检测装置产生交流扰动信号，通过交流扰动部分功率，该交流电流扰动信号的幅值一般为直流电流输出数值的5％至10％。因此，在电化学频谱检测运行模式下，燃料电池电化学电源的输出为大功率直流上叠加交流扰动。燃料电池电化学电源的输出端连接到大功率变dc/dc换器，而该大功率dc/dc变换器的输出端与储能设备相连，而扰动信号检测装置利用储能设备中的固定电压调制出所需的交流扰动。
42.上述的储能设备中包括变换器，变换器与储能设备相连，确保输出电源的稳定性。储能设备为本领域技术人员已知的设备。
43.上述实施例一的中结构为例，扰动信号检测装置由电力电子开关器件(如mos管)和电感组成，利用大功率dc/dc变换器输出端固定的电压，在电源端调制出电流扰动信号，用于燃料电池电化学阻抗检测。图2所示为扰动信号检测装置的具体结构，是由一个电感和两个电力电子开关器件形成的半桥拓扑结构。
44.在运行中，通过闭环控制调节开关器件的门极pwm，使得电感上的电流为所需交流电流扰动。该装置只通过交流扰动电流，因为该扰动电流的幅值只为燃料电池直流输出的5％到10％，所以电感和电力电子开关器件的额定值可以选取的比较小，功率损耗也比较小，可以将所提出的器件做到比较高的集成度并且降低成本。两个电力电子开关器件的额定电压的选定则取决于大功率dc/dc变换器输出端固定电压的大小。
45.当所提出的扰动信号检测装置工作正常，并且使用正弦信号为扰动时，本发明中的扰动信号检测装置输入电流波形和燃料电池电化学电源输出端的电流波和电压波形，分别如图4a、4b和4c所示，交流信号可取不同的频率，用于检测不同频率下的内阻。所提出的扰动信号检测装置燃料电池电化学电源的输出端产生了电流扰动信号，叠加于燃料电池电化学电源的大功率直流输出电流上，而燃料电池输出端的电压波形会产生相应的交流电压反馈信号，叠加于大功率直流电压上。通过利用燃料电池电化学电源的交流电压和电流信号，可计算燃料电池电化学电源的内阻频谱，用于判别燃料电池的状态。
46.同时在闭环控制下，扰动信号检测装置在simulink中产生的仿真波形图有如图5a至图5d所示。可以从仿真波形图中看出，在闭环控制下，交流扰动可以随时启动并变换到不同的频率。由仿真图可以看出，闭环控制产生了pwm信号，控制电力电子开关器件的高速开通与关断，从而在电感上产生了交流扰动信号。
47.本发明中所提出的电力电子硬件设备也可以由其他拓扑结构替代，如实施例二，产生类似效果，所提出的硬件(扰动信号检测装置)只通过交流扰动部分，并且硬件的主要特点在于利用系统中的固定电压，即大功率dc/dc变换器的输出电压，来调制出燃料电池电
化学电源输出端的交流扰动信号，从而用于燃料电池电化学内阻检测。
48.同时本发明中所提出的硬件设备产生的交流扰动信号中的波形也可以是方波等交流信号。
49.以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。