電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法以及其工作狀態(tài)的分析方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法，包括以下步驟：提供一集成DC/DC變換器，該集成DC/DC變換器包括第一DC/DC變換器、擾動(dòng)源以及控制器，所述第一DC/DC變換器與該擾動(dòng)源并聯(lián)；所述控制器開啟所述擾動(dòng)源，同時(shí)調(diào)控所述擾動(dòng)源產(chǎn)生一電流擾動(dòng)信號(hào)；利用該電流擾動(dòng)信號(hào)對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出電流進(jìn)行擾動(dòng)；檢測(cè)該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置擾動(dòng)后的輸出電流以及輸出電壓；根據(jù)該電流擾動(dòng)信號(hào)以及所述擾動(dòng)后的輸出電流以及輸出電壓計(jì)算與該電流擾動(dòng)信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)的阻抗，以及改變所述電流擾動(dòng)信號(hào)的頻率，重新對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出電流進(jìn)行擾動(dòng)，以獲得該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗頻譜。
【專利說明】電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法以及其工作狀態(tài)的分 析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法以及其工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池 （Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡(jiǎn)稱 PEMFC) 是一種電化學(xué)裝置，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)能量轉(zhuǎn)換受到卡諾循環(huán)限制，而 氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池能量轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)限制，理論上其能量轉(zhuǎn)換效率更高。由于 參與反應(yīng)的物質(zhì)為氫氣和空氣，反應(yīng)產(chǎn)物為水，沒有產(chǎn)生有害排放物，因此受到人們的青 睞，逐漸應(yīng)用于備用電站、交通運(yùn)輸和移動(dòng)電源等領(lǐng)域。
[0003] 質(zhì)子交換膜燃料電池輸出特性為直流，其單片輸出電壓小于IV，典型為0. 7V，為 了能夠提供更高的電壓，需要將很多燃料電池單片串聯(lián)在一起，形成燃料電池電堆，其輸出 功率相應(yīng)提高。燃料電池單片由陽極氣體擴(kuò)散層（Gas Diffusion Layer，簡(jiǎn)稱⑶L)、膜電 極組件（Membrane Electrode Assemblies,簡(jiǎn)稱MEA)和陰極氣體擴(kuò)散層組成。
[0004] 燃料電池電堆是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，在電堆外圍有許多附件系統(tǒng)輔助 燃料電池電堆進(jìn)行工作，包括空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)和控 制系統(tǒng)等。空氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)為電堆提供適量的氧化劑即空氣，需要根據(jù)工況調(diào)節(jié)進(jìn)入電堆的 空氣的溫度、壓力和流量；氫氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)為電堆供應(yīng)氫氣，需要根據(jù)工況調(diào)節(jié)進(jìn)入電堆的氫 氣壓力和流量；冷卻系統(tǒng)則通過冷卻劑循環(huán)的方式使電堆溫度保持合適水平，保證電堆穩(wěn) 定可靠運(yùn)行；功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)則通過調(diào)節(jié)燃料電池電堆輸出電壓或輸出電流的方式使燃料電 池系統(tǒng)輸出特性能滿足負(fù)載需求；增濕系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)進(jìn)入電堆的空氣的濕度，過干或過濕 對(duì)質(zhì)子交換膜和電堆都有不利的影響，因此需要對(duì)進(jìn)入電堆的空氣進(jìn)行濕度控制；控制系 統(tǒng)是整個(gè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的"大腦"，尤其對(duì)電堆外圍的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，使得 電堆處于最佳工作狀態(tài)，保證電堆長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。
[0005] 請(qǐng)參閱圖1，一種典型的燃料電池系統(tǒng)100包括燃料電池電堆10、氫氣系統(tǒng)12、空 氣系統(tǒng)14、冷卻系統(tǒng)16、回收系統(tǒng)18以及DC/DC控制器19。其中，空氣系統(tǒng)14包括空壓機(jī) 142、散熱器144、增濕器146以及第一流量控制閥148。所述回收系統(tǒng)18包括冷凝器182 以及第二流量控制閥184。環(huán)境空氣經(jīng)由空壓機(jī)142壓縮后進(jìn)入散熱器144,由散熱器144 冷卻后進(jìn)入增濕器146進(jìn)行增濕，增濕后進(jìn)入燃料電池電堆10,燃料電池電堆10陰極側(cè)的 氧氣和來自陽極側(cè)的氫離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在輸出電能的同時(shí)產(chǎn)生水（氣態(tài)或液態(tài)）。因此 在參與反應(yīng)后的陰極空氣中氧氣含量下降，水含量（濕度）增加。在燃料電池電堆10出口 的空氣經(jīng)冷凝器182回收水分后，通過第二流量控制閥184排入空氣環(huán)境中。其中，可通過 空壓機(jī)142、第一流量控制閥148以及第二流量控制閥的協(xié)調(diào)控制來控制進(jìn)入燃料電池電 堆10的空氣流量和空氣壓力，可以通過散熱器144調(diào)整進(jìn)氣溫度，通過增濕器146來控制 進(jìn)氣濕度。
[0006] 根據(jù)PEMFC的工作原理和性能特點(diǎn)可知，由于燃料電池電堆內(nèi)部反應(yīng)生成的水 (氣態(tài)或者液態(tài)）需要經(jīng)過陰極反應(yīng)通道帶出，如果生成的液態(tài)水不及時(shí)排除，生成的水會(huì) 阻礙流道，即所謂的水淹現(xiàn)象，導(dǎo)致電堆性能下降，影響燃料電池的使用。為了提高排水能 力，需要提高空氣的流量或流速以便順利吹除液態(tài)水。在怠速或小負(fù)荷時(shí)，由于生成的水量 偏小，如果一直保持較大的空氣流量，則容易把流道和質(zhì)子交換膜表面水都吹干，導(dǎo)致膜過 干而性能下降；如果一直保持較小的空氣流量，則不容易吹走流道內(nèi)的液態(tài)水而導(dǎo)致水淹。
[0007] 在燃料電池控制系統(tǒng)中，基于現(xiàn)有的傳感器配置，包括陰陽極進(jìn)口溫度和壓力傳 感器、陰陽極出口溫度和壓力傳感器、陰極進(jìn)出口濕度傳感器，通常采用集總參數(shù)模型對(duì)燃 料電池電堆內(nèi)部工作狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，但由于燃料電池電堆由許多單片串聯(lián)而成，受電堆供 氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，每個(gè)燃料電池單片進(jìn)氣壓力、溫度、濕度和進(jìn)氣組分都有所差異，單片 供氣狀態(tài)差異和溫度差異導(dǎo)致單片電壓出現(xiàn)不一致性，當(dāng)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理和單片數(shù)量增 加時(shí)，單片電壓不一致性更加明顯。由于不能實(shí)時(shí)觀測(cè)燃料電池單片的工作狀態(tài)，尤其不能 及時(shí)有效判斷單片是否出現(xiàn)水淹或膜干現(xiàn)象，因此通過對(duì)燃料電池供氣系統(tǒng)和增濕系統(tǒng)的 控制實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)燃料電池內(nèi)部工作狀態(tài)難以避免出現(xiàn)局部燃料電池單片出現(xiàn)水淹或膜干現(xiàn) 象，這對(duì)燃料電池系統(tǒng)性能提升是非常不利的。
[0008] 如何準(zhǔn)確獲悉燃料電池單片工作狀態(tài)，判斷燃料電池單片是否處于非正常工作狀 態(tài)如膜干或水淹，來及時(shí)調(diào)整燃料電池供氣系統(tǒng)和增濕系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)，以改善燃料電池性 能，是燃料電池系統(tǒng)控制的一個(gè)挑戰(zhàn)。
[0009] 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，通過不斷地深入研究，人們發(fā)現(xiàn)燃料電池的性能特性可以 用等效電路的方式進(jìn)行研究，燃料電池的工作狀態(tài)與等效電路中阻抗元之間具有一定的對(duì) 應(yīng)關(guān)系。根據(jù)燃料電池等效電路與燃料電池性能之間的關(guān)系，以及燃料電池等效電路電阻 元、電容元與燃料電池電堆不同組件所處狀態(tài)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過實(shí)時(shí)獲取燃料電池等 效電路中電阻元和電容元的阻抗值變化，就可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃料電池單片工作狀態(tài)和燃料電 池電堆整體工作狀態(tài)，如各個(gè)元件的工作條件（溫度、濕度等）。為獲取燃料電池等效電路 中電阻和電容參數(shù)，需要進(jìn)行交流阻抗研究，目前市場(chǎng)上的商業(yè)化交流阻抗分析設(shè)備，如日 本KIKUSn菊水公司和英國(guó)Solarton公司生產(chǎn)開發(fā)的產(chǎn)品，其價(jià)格都在十萬元人民幣以 上，其工作電壓范圍和電流范圍都無法滿足現(xiàn)有燃料電池大客車系統(tǒng)的要求，自然而然很 難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的實(shí)車應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 有鑒于此，確有必要提供一種簡(jiǎn)單有效且成本較低的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗 分析方法以及其工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法。
[0011] 一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法，包括以下步驟：
[0012] 提供一集成DC/DC變換器，該集成DC/DC變換器包括第一 DC/DC變換器、擾動(dòng)源以 及控制器，所述第一 DC/DC變換器與該擾動(dòng)源并聯(lián)，所述第一 DC/DC變換器的輸入端與電化 學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出端連接，所述擾動(dòng)源包括開關(guān)器件，該第一 DC/DC變換器的輸出端與負(fù) 載連接，用以調(diào)控所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出以滿足負(fù)載輸出，所述控制器選擇性地開啟 或關(guān)斷所述擾動(dòng)源；
[0013] 所述控制器開啟所述擾動(dòng)源，同時(shí)調(diào)控所述擾動(dòng)源產(chǎn)生一電流擾動(dòng)信號(hào)；
[0014] 利用該電流擾動(dòng)信號(hào)對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出電流進(jìn)行擾動(dòng)；
[0015] 檢測(cè)該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置擾動(dòng)后的輸出電流以及輸出電壓；
[0016] 根據(jù)該電流擾動(dòng)信號(hào)以及所述擾動(dòng)后的輸出電流以及輸出電壓計(jì)算與該電流擾 動(dòng)信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)的阻抗，以及
[0017] 改變所述電流擾動(dòng)信號(hào)的頻率，重新對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出電流進(jìn)行擾 動(dòng)，以獲得該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗頻譜。
[0018] 一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置工作狀態(tài)的分析方法，包括以下步驟：
[0019] 提供一典型交流阻抗頻譜，該典型交流阻抗頻譜包括多個(gè)反映理想電化學(xué)儲(chǔ)能裝 置中各個(gè)部件工作狀態(tài)的典型頻率阻抗對(duì)應(yīng)值；
[0020] 采用上述的交流阻抗頻譜分析的方法獲得該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置實(shí)際交流阻抗頻譜， 其中，所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置與所述理想電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的類型相同，以及
[0021] 將所述實(shí)際交流阻抗頻譜與所述典型交流阻抗頻譜進(jìn)行比較來分析所述電化學(xué) 儲(chǔ)能裝置中各個(gè)部件的工作狀態(tài)。
[0022] 本發(fā)明實(shí)施例提供的分析方法中通過所述集成DC/DC變換器中的擾動(dòng)源在所述 電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出端施加不同頻率的電流擾動(dòng)信號(hào)，并通過檢測(cè)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置 輸出端的電流和電壓即可獲得該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的電化學(xué)交流阻抗頻譜，根據(jù)該交流阻抗 頻譜可分析出該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的工作狀態(tài)，從而可對(duì)該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的工作條件進(jìn)行 調(diào)節(jié)以使該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置可以保持在較好的工作狀態(tài)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能框圖。
[0025] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的電化學(xué)儲(chǔ)能單體的等效電路圖。
[0026] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例圖3等效電路對(duì)應(yīng)的電化學(xué)交流阻抗譜圖。
[0027] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的第二DC/DC變換器的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0029] 圖7為本發(fā)明某一實(shí)施例提供的擾動(dòng)源的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0030] 圖8為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的擾動(dòng)源的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0031] 圖9為本發(fā)明又一實(shí)施例提供的擾動(dòng)源的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0032] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例提供的集成DC/DC變換器中第一 DC/DC變換器的工作過程 圖。
[0033] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例提供的電化學(xué)交流阻抗頻譜分析方法中電流擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生 方法的流程圖。
[0034] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例提供的電化學(xué)交流阻抗頻譜分析方法中分析計(jì)算交流阻抗 方法的流程圖。
[0035] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例提供的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置工作狀態(tài)分析方法的流程圖。
[0036] 圖14為本發(fā)明實(shí)施例1提供的燃料電池電堆輸出端電流經(jīng)擾動(dòng)的極化曲線圖。
[0037] 圖15為本發(fā)明實(shí)施例1提供的燃料電池電堆輸出端電流經(jīng)信號(hào)擾動(dòng)的輸出電流 和響應(yīng)輸出電壓的信號(hào)圖。
[0038] 圖16為本發(fā)明實(shí)施例1提供的燃料電池電堆的電化學(xué)交流阻抗頻譜圖。主要元 件符號(hào)說明
[0039] 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng) 20
[0040] 電化學(xué)儲(chǔ)能裝置 22
[0041] 控制系統(tǒng) 24
[0042] 集成DC/DC變換器 200
[0043] 第一 DC/DC 變換器 202
[0044] 第二 DC/DC 變換器 204
[0045] 第一電壓傳感器 206
[0046] 第二電壓傳感器 208
[0047] 第一電流傳感器 210
[0048] 第二電流傳感器 212
[0049] 第三電流傳感器 214
[0050] 第四電流傳感器 216
[0051] 控制器 218
[0052] 電壓巡檢裝置 220
[0053] 如下【具體實(shí)施方式】將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。

【具體實(shí)施方式】
[0054] 下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)、集成DC/DC變換 器、交流阻抗頻譜分析的方法以及電化學(xué)儲(chǔ)能裝置工作狀態(tài)的分析方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說 明。
[0055] 請(qǐng)參閱圖2,本發(fā)明實(shí)施例首先提供一種電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)20,該電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng) 20包括電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22、控制系統(tǒng)24以及集成DC/DC變換器200。所述控制系統(tǒng)24通 過調(diào)控保證所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22電能的穩(wěn)定輸出，所述集成DC/DC變換器200與所述電 化學(xué)儲(chǔ)能裝置22連接，并對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22輸出的電能進(jìn)行調(diào)控以滿足負(fù)載的需 求。
[0056] 所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22可包括一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能單體，該電化學(xué)儲(chǔ)能單體 通過化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能。該電化學(xué)儲(chǔ)能單體包括正極、負(fù)極以及設(shè)置在正極與負(fù)極之間 的電介質(zhì)隔板。請(qǐng)參閱圖3,該電化學(xué)儲(chǔ)能單體的性能特性可以用等效電路來等效，具體地， 該電化學(xué)儲(chǔ)能單體的等效電路包括能斯特電壓E N_st、陽極雙電層電容Cdl,A和陽極電阻Ra、 陰極雙電層電容C dl，eA和陰極電阻ReA以及質(zhì)子交換膜電阻Ι?Ω，其中，陽極雙電層電容C dl，A 和陽極電阻RA并聯(lián)組成陽極RC電路，陰極雙電層電容CdliCA和陰極電阻RCA并聯(lián)組成陰極 RC電路，斯特電壓ENemst、陰極RC電路、質(zhì)子交換膜電阻以及陽極RC電路串聯(lián)。請(qǐng)參閱 圖4,該電化學(xué)儲(chǔ)能單體等效電路相對(duì)應(yīng)的交流阻抗譜與該電話學(xué)儲(chǔ)能單體等效電路的各 個(gè)參數(shù)具有如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系：
[0057] Z(c〇)^Ra+ . -+ :( 1 -； 1 + /uRΛCiJ/ A \ + ju R( iC dl (.,
[0058] Z(0) = Rfi+RA+RcA = Rinternal°
[0059] 其中，Ζ(ω)是燃料電池等效電路的阻抗，該阻抗依賴于角頻率ω，Rintonal是該電 化學(xué)電池單體輸出信號(hào)為直流信號(hào)時(shí)表現(xiàn)出的總內(nèi)阻。
[0060] 通過在所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22工作過程中檢測(cè)上述等效電路中的各個(gè)阻抗即可 判斷電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22中各個(gè)元件的工作環(huán)境狀態(tài)（如溫度、濕度等），從而可動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié) 所述工作環(huán)境狀態(tài)以有效地提高該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的功效。優(yōu)選地，該電化學(xué)儲(chǔ)能單體 可以為燃料電池、鋰離子電池以及超級(jí)電容器中的至少一種。本發(fā)明實(shí)施例中所述電化學(xué) 儲(chǔ)能單體為燃料電池，對(duì)應(yīng)地，所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22為多個(gè)燃料電池串聯(lián)的燃料電池電 堆。
[0061] 所述控制系統(tǒng)24根據(jù)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的類型來確定。如當(dāng)所述電化學(xué)儲(chǔ) 能裝置22為鋰離子電池組時(shí)，該控制系統(tǒng)24可以鋰離子電池管理單元，用于檢測(cè)鋰離子電 池組或各個(gè)鋰離子電池的溫度、電氣參數(shù)來對(duì)該鋰離子電池的一致性進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明實(shí) 施例中，該控制系統(tǒng)24對(duì)應(yīng)所述燃料電池電堆，該控制系統(tǒng)24可包括氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、 冷卻系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、溫度濕度檢測(cè)系統(tǒng)以及工作條件調(diào)節(jié)系統(tǒng)。所述工作條件調(diào)節(jié)系統(tǒng)利 用其它系統(tǒng)檢測(cè)到的工作條件參數(shù)對(duì)所述燃料電池電堆的工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0062] 請(qǐng)參閱圖5,所述集成DC/DC變換器200包括第一 DC/DC變換器202、第二DC/DC 變換器204、第一電壓傳感器206、第二電壓傳感器208、第一電流傳感器210、第二電流傳感 器212、第三電流傳感器214、第四電流傳感器216以及控制器218,所述第一 DC/DC變換器 202與所述第二DC/DC變換器204并聯(lián)，所述第一 DC/DC變換器202的輸入端接所述電化學(xué) 儲(chǔ)能裝置22的輸出端，所述第一 DC/DC變換器202的輸出端接負(fù)載，所述第一電壓傳感器 206并聯(lián)在所述第一 DC/DC變換器202的輸入端，用于檢測(cè)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出 電壓，所述第二電壓傳感器208并聯(lián)在所述第一 DC/DC變換器202的輸出端，用于檢測(cè)該第 一 DC/DC變換器202的輸出電壓，所述第一電流傳感器210串聯(lián)在所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22 的輸出端，用于檢測(cè)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出電流，所述第二電流傳感器212串聯(lián)在 所述第二DC/DC變換器204的輸入端，用于檢測(cè)該第二DC/DC變換器204輸入端的電流，所 述第三電流傳感器214串聯(lián)在所述第一 DC/DC變換器202的輸出端，用于檢測(cè)該第一 DC/DC 變換器202輸出端的電流，所述第四電流傳感器216串聯(lián)在所述第二DC/DC變換器204的 輸出端，用于檢測(cè)該第二DC/DC變換器204輸出端的電流，所述控制器218接收所述第一電 壓傳感器206、第一電流傳感器210、第二電壓傳感器208以及第三電流傳感器214采集到 的信號(hào)，并通過所述第一 DC/DC變換器202調(diào)控所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出，此外，該控 制器218控制所述第二DC/DC變換器204的開啟或關(guān)斷，并在所述第二DC/DC變換器開啟 的狀態(tài)下控制所述第二DC/DC變換器204以電流擾動(dòng)的方式調(diào)控所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22 輸出端的電流來獲得該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的電化學(xué)交流阻抗頻譜。
[0063] 所述第一 DC/DC變換器202和第二DC/DC變換器204可以為任意類型的DC/DC變 換器，如可以為升壓型DC/DC變換器、降壓型DC/DC變換器以及升降壓型DC/DC變換器中的 至少一種。優(yōu)選地，所述第一 DC/DC變換器202為適用于車載功率需求的DC/DC變換器，更 為優(yōu)選地，所述第一 DC/DC變換器202為適用于車載功率需求的大功率DC/DC變換器。該 第一 DC/DC變換器202的功率優(yōu)選大于等于20千瓦。本發(fā)明實(shí)施例中，所述第一 DC/DC變 換器202的功率為20千瓦至80千瓦。該第一 DC/DC變換器202用于調(diào)控所述電化學(xué)儲(chǔ)能 裝置22的輸出以滿足負(fù)載的需求。
[0064] 所述第二DC/DC變換器204作為一信號(hào)擾動(dòng)源，以電流擾動(dòng)模式調(diào)節(jié)所述電化學(xué) 儲(chǔ)能裝置22的輸出電流來檢測(cè)該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的電化學(xué)交流阻抗頻譜。該第二DC/ DC變換器204優(yōu)選為高頻DC/DC變換器。采用高頻DC/DC變換器更利于檢測(cè)該電化學(xué)儲(chǔ)能 裝置22的電化學(xué)交流阻抗頻譜且可減小該第二DC/DC變換器204的電流擾動(dòng)對(duì)所述負(fù)載 輸出的干擾或影響。該高頻DC/DC變換器的頻率優(yōu)選為0. 1Hz至1kHz。
[0065] 請(qǐng)參閱圖6,本發(fā)明實(shí)施例中，該第二DC/DC變換器204選用Boost型升壓DC/DC 變換器，該第二DC/DC變換器204包括電感L1、二極管D1、開關(guān)器件G1以及電容C1。其中， 所述電感L1的一端作為所述第二DC/DC變換器204的正向輸入端，另一端接所述二極管D1 的陽極，所述二極管D1的陰極作為該第二DC/DC變換器204正向輸出端。所述開關(guān)器件G1 具有門極、集電極以及發(fā)射極，門極與所述控制器218連接，所述集電極與所述二極管D1的 陽極連接，所述發(fā)射極同時(shí)作為所述第二DC/DC變換器204負(fù)向輸入端和負(fù)向輸出端。所 述電容C1的一端接所述二極管D1的陰極，另一端接所述開關(guān)器件G1的發(fā)射極。該開關(guān)器 件G1優(yōu)選為IGBT。
[0066] 該第二DC/DC變換器204的工作過程如下：當(dāng)所述開關(guān)器件G1導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓 Uin產(chǎn)生的電流流經(jīng)電感L1，根據(jù)電感的物理特性，流經(jīng)電感L1的電流線性增加，電能存儲(chǔ) 與電感L1中，電感L1和開關(guān)器件G1形成導(dǎo)通回路，此時(shí)，二極管D1的陽極接在輸入電源 的負(fù)極、陰極接在輸出電源的正極，二極管D1反向截止；當(dāng)所述開關(guān)器件G1由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān) 斷時(shí)，根據(jù)電感的物理特性，流經(jīng)電感L1的電流不能產(chǎn)生突變，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的 方向與輸入電壓U in的方向相同，存儲(chǔ)在電感L1中的電能不斷釋放，通過二極管D1向電容 C1充電和向負(fù)載提供能量，此時(shí)，電感L1、二極管D1、電容C1和負(fù)載形成回路。當(dāng)周期性控 制開關(guān)器件G1的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)能量由U in向Uo的傳遞。所述控制器218可通過 控制該開關(guān)器件G1在不同時(shí)刻的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)電流擾動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生。
[0067] 所述第一電壓傳感器206以及第一電流傳感器210是實(shí)現(xiàn)測(cè)量所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝 置22整體的電氣參數(shù)的部件。
[0068] 所述第四電流傳感器216可與所述第二電流傳感器212配合來監(jiān)測(cè)所述第二DC/ DC變換器204的效率，同時(shí)可監(jiān)測(cè)所述第二DC/DC變換器輸出端電流變化，并傳輸?shù)剿隹?制器218來判斷該電流變化是否會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生較大影響。
[0069] 所述控制器218接收上述各個(gè)傳感器傳送的數(shù)據(jù)，并根據(jù)負(fù)載需求以及交流阻抗 頻譜分析的需求來調(diào)控所述第一 DC/DC變換器202以及第二DC/DC變換器204。
[0070] 該集成DC/DC變換器200在正常工作狀態(tài)下，所述第一 DC/DC變換器202導(dǎo)通，第 二DC/DC變換器204斷開，所述控制器218根據(jù)所述第一電壓傳感器206、第二電壓傳感器 208、第一電流傳感器210、第三電流傳感器214采集到的數(shù)據(jù)，通過所述第一 DC/DC變換器 202實(shí)現(xiàn)對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22輸出的調(diào)節(jié)以滿足負(fù)載的需求。
[0071] 當(dāng)要對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的交流阻抗頻譜進(jìn)行分析時(shí)，所述第一DC/DC變換 器202以及第二DC/DC變換器204同時(shí)導(dǎo)通，所述控制器218依然采用上述正常工作狀態(tài)的 過程，通過所述第一 DC/DC變換器202對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)以滿足負(fù) 載需求。同時(shí)所述控制器218接收所述第二電流傳感器212以及第三電流傳感器214(也 可同時(shí)接收所述第四電流傳感器216)采集到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)控制所述第二DC/DC變 換器204以電流擾動(dòng)的方式對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出電流進(jìn)行調(diào)控來獲得該電化 學(xué)儲(chǔ)能裝置22的電化學(xué)交流阻抗頻譜。
[0072] 進(jìn)一步地，當(dāng)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置包括多個(gè)所述電化學(xué)儲(chǔ)能單體時(shí)，該集成DC/DC 變換器200可進(jìn)一步包括一電壓巡檢裝置220，該電壓巡檢裝置220可采集每個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能 單體的電壓，并傳輸?shù)剿隹刂破?18中。采用該電壓巡檢裝置220可獲得該電化學(xué)儲(chǔ)能 裝置22中每個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能單體的電化學(xué)交流阻抗頻譜。
[0073] 此外，所述擾動(dòng)源也可以不限于所述第二DC/DC變換器204,只要能產(chǎn)生擾動(dòng)電流 信號(hào)的電路均可以用來作為所述擾動(dòng)源。該類可用的擾動(dòng)源與所述第一 DC/DC變換器202 并聯(lián)。該類擾動(dòng)源包括開關(guān)器件，通過導(dǎo)通或關(guān)斷所述開關(guān)器件來產(chǎn)生所需的電流擾動(dòng)信 號(hào)。請(qǐng)進(jìn)一步參閱圖7,本發(fā)明某一實(shí)施例提供一種擾動(dòng)源204a，該擾動(dòng)源204a包括電感 Lla、電容Cla、開關(guān)器件Gla以及二極管Dla，其中，所述電感Lla的一端接正輸入端，另一 端接開關(guān)器件Gla的發(fā)射極，電容Cla并聯(lián)在輸入端，二極管Dla的陰極接所述開關(guān)器件 Gla的發(fā)射極、陽極接負(fù)向輸入端，所述開關(guān)器件Gla的基極接所述控制器218,集電極接輸 出端。所述開關(guān)器件Gla優(yōu)選為IGBT。
[0074] 請(qǐng)參閱圖8,本發(fā)明另一實(shí)施例提供一種擾動(dòng)源204b，該擾動(dòng)源204b包括電阻 Rlb、R2b、變壓器Tib以及開關(guān)器件6訃、6213、6313、6413。所述變壓器1'113包括初級(jí)線圈以及 次級(jí)線圈，所述初級(jí)線圈的一端接正向輸入端，另一端與電阻Rib串聯(lián)后接負(fù)向輸入端，所 述次級(jí)線圈的一端與電阻R2b串聯(lián)后接開關(guān)器件Gib的發(fā)射極，另一端接開關(guān)器件G2b的 發(fā)射極。所述開關(guān)器件Gib、G2b、G3b以及G4b組成橋式電路，具體地，所述開關(guān)器件Gib、 G2b、G3b以及G4b的基極均與所述控制器218連接，開關(guān)器件Gib的發(fā)射極與開關(guān)器件G3b 的集電極連接，開關(guān)器件Gib的集電極與開關(guān)器件G2b的集電極連接并作為正向輸出端，開 關(guān)器件G2b的發(fā)射極與開關(guān)器件G4b的集電極連接，開關(guān)器件G3b的發(fā)射極與開關(guān)器件G4b 的發(fā)射極連接并作為負(fù)向輸出端。所述開關(guān)器件Glb、G2b、G3b以及G4b優(yōu)選為IGBT。
[0075] 所述擾動(dòng)源204a、204b以及204均通過所述控制器218調(diào)控所述開關(guān)器件的導(dǎo)通 與關(guān)斷來產(chǎn)生所需頻率和幅值的電流擾動(dòng)信號(hào)。
[0076] 請(qǐng)參閱圖9,本發(fā)明實(shí)施例基于上述集成DC/DC變換器200,進(jìn)一步提供一種所述 電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的電化學(xué)交流阻抗頻譜的分析方法，包括以下步驟：
[0077] S1，導(dǎo)通所述第二DC/DC變換器204,同時(shí)所述控制器218調(diào)控所述第二DC/DC變 換器204產(chǎn)生一電流擾動(dòng)信號(hào)；
[0078] S2,利用該電流擾動(dòng)信號(hào)對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出電流進(jìn)行擾動(dòng)；
[0079] S3,檢測(cè)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22擾動(dòng)后的輸出電流以及輸出電壓；
[0080] S4,根據(jù)所述電流擾動(dòng)信號(hào)以及所述輸出電流以及輸出電壓計(jì)算與該電流擾動(dòng)信 號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)的阻抗，以及
[0081] S5,改變所述電流擾動(dòng)信號(hào)的頻率，重新對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出電流進(jìn)行 擾動(dòng)，以獲得該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的電化學(xué)交流阻抗頻譜。
[0082] 在上述電化學(xué)交流阻抗頻譜分析之前以及分析過程中，所述第一 DC/DC變換器 202始終正常工作輸出到負(fù)載，具體地，請(qǐng)參閱圖10,所述第一 DC/DC變換器202工作過程 包括以下步驟：
[0083] Sla，根據(jù)負(fù)載需求選擇所述第一 DC/DC變換器202的控制模式以及目標(biāo)輸出信號(hào) 值
[0084] Slb，檢測(cè)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出電流以及輸出電壓，以及所述第一 DC/DC 變換器202的輸出電流以及輸出電壓；
[0085] Slc，將步驟Sib檢測(cè)到的所述第一 DC/DC變換器202的輸出電流以及輸出電壓與 所述目標(biāo)輸出信號(hào)值進(jìn)行比較并判斷是否達(dá)到該目標(biāo)輸出信號(hào)值：
[0086] 如果是，則持續(xù)輸出以滿足負(fù)載需求；
[0087] 如果否，所述控制器218調(diào)控該第一 DC/DC變換器202中開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷 時(shí)間以使所述第一 DC/DC變換器202的輸出達(dá)到所述目標(biāo)輸出信號(hào)值。
[0088] 在上述步驟Sla中，所述控制模式根據(jù)負(fù)載的需求來選擇，該控制模式包括電流 輸出和電壓輸出。
[0089] 在上述步驟Sic中，當(dāng)沒有達(dá)到所述目標(biāo)輸出信號(hào)值時(shí)，所述控制器218可通過對(duì) 所述第一DC/DC變換器202中的開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行調(diào)控以使所述電化學(xué)儲(chǔ)能 裝置22輸出相應(yīng)的電流和電壓來滿足負(fù)載的需求。
[0090] 請(qǐng)參閱圖11，上述步驟S1具體包括以下步驟：
[0091] S11，判斷是否要進(jìn)行交流阻抗分析，如果是，導(dǎo)通所述第二DC/DC變換器204,同 時(shí)執(zhí)行步驟S12,如果否，則不導(dǎo)通所述第二DC/DC變換器204 ;
[0092] S12,選定要進(jìn)行交流阻抗分析的頻率；
[0093] S13,選擇對(duì)應(yīng)該頻率的電流擾動(dòng)信號(hào)的幅值；
[0094] S14,根據(jù)所述頻率和幅值確定所述電流擾動(dòng)信號(hào)；
[0095] S15,檢測(cè)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出電流以及所述第二DC/DC變換器204輸 入端的電流，以及
[0096] S16,判斷所述第二DC/DC變換器204輸入端的電流是否達(dá)到所述電流擾動(dòng)信號(hào)， 如果否，所述控制器218調(diào)控所述第二DC/DC變換器204中開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間來 達(dá)到預(yù)定的所述電流擾動(dòng)信號(hào)。
[0097] 在上述步驟S12中，可進(jìn)一步包括判斷要進(jìn)行交流阻抗分析的頻率是否為單一頻 率，如果是單一頻率，則執(zhí)行所述步驟S13-16,如果有多個(gè)頻率時(shí)，執(zhí)行下列步驟：
[0098] S12a，確定每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的電流擾動(dòng)信號(hào)的幅值；
[0099] S12b，形成多個(gè)電流擾動(dòng)信號(hào)；
[0100] S12c，將該多個(gè)電流擾動(dòng)信號(hào)疊加合成為一混合擾動(dòng)電流信號(hào)，以及
[0101] S12d，執(zhí)行所述步驟 S15-S16。
[0102] 在上述步驟S15中，檢測(cè)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出電流的目的在于，進(jìn)一步 確定該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22經(jīng)擾動(dòng)后的輸出電流的幅值是否與所述電流擾動(dòng)信號(hào)的幅值一 致，如果不一致可重新調(diào)整所述電流擾動(dòng)信號(hào)以使所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22經(jīng)擾動(dòng)后的輸 出電流的幅值與所述電流擾動(dòng)信號(hào)的幅值保持一致。
[0103] 在上述步驟S16中，可進(jìn)一步參考擾動(dòng)后的所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出電流以 保證所述電流擾動(dòng)信號(hào)的疊加整體不影響負(fù)載的需求。
[0104] 在上述步驟S1中，所述電流擾動(dòng)信號(hào)優(yōu)選為一小幅值的正弦電流擾動(dòng)信號(hào)，采用 小幅值的電流擾動(dòng)信號(hào)對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出電流進(jìn)行擾動(dòng)一方面可避免對(duì)負(fù) 載需求產(chǎn)生大的影響，另一方面也可以使得該擾動(dòng)信號(hào)與該集成DC/DC變換器200的整個(gè) 體系的響應(yīng)之間近似呈線性關(guān)系，從而使后續(xù)測(cè)量結(jié)果的數(shù)學(xué)處理變得簡(jiǎn)單。
[0105] 所述幅值的大小可以為所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22輸出電流的1%到10%。優(yōu)選地， 所述幅值為所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22輸出電流的5 %。
[0106] 在上述步驟S2中，當(dāng)給所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出電流施加所述電流擾動(dòng)信 號(hào)時(shí)，該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一與該電流擾動(dòng)信號(hào)相同頻率的響應(yīng)信號(hào)。利用該 響應(yīng)信號(hào)以及電流擾動(dòng)信號(hào)即可計(jì)算出所述對(duì)應(yīng)選定頻率的電化學(xué)交流阻抗。
[0107] 為了進(jìn)一步精確的獲得所述頻率對(duì)應(yīng)的電化學(xué)交流阻抗，請(qǐng)參閱圖12,所述步驟 S3進(jìn)一步包括：
[0108] S31，連續(xù)記錄一段時(shí)間的所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出電流以及所述第二DC/ DC變換器204的輸入端電流；
[0109] S32,根據(jù)上述時(shí)間段內(nèi)采集的電流判斷是否可以對(duì)所述電流擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣 分析計(jì)算交流阻抗，如果否，執(zhí)行所述步驟S31，如果是，則執(zhí)行步驟S33 ;
[0110] S33,繼續(xù)采集一段時(shí)間的所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出電流以及輸出電壓，以 及
[0111] S34,根據(jù)該輸出電流和輸出電壓計(jì)算所述頻率處的交流阻抗幅值和相位。
[0112] 在上述步驟S31中，由于電流擾動(dòng)信號(hào)施加到所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出電流 時(shí)，產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)會(huì)有一定的響應(yīng)時(shí)間，因此，需要預(yù)先記錄一段時(shí)間的所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝 置22的響應(yīng)輸出電流以及所述第二DC/DC變換器204的輸入端電流。該步驟S31中的時(shí) 間段跟所述頻率有關(guān)，高頻時(shí)，所述時(shí)間段可選取較多的周期（如10個(gè)周期），低頻時(shí)可選 取較少的周期（小于2個(gè)周期）。優(yōu)選地，所述步驟S31中的時(shí)間段為1個(gè)周期至10個(gè)周 期。
[0113] 進(jìn)一步地，在上述步驟S31中可同時(shí)采集所述第一 DC/DC變換器202的輸出電流 以確保滿足負(fù)載的需求。
[0114] 在上述步驟S32中，判斷是否已獲得對(duì)應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)，如果是即可開始進(jìn)行電化 學(xué)交流阻抗分析。
[0115] 在上述步驟S33中，繼續(xù)采集一段時(shí)間的輸出電壓和輸出電流的目的同樣是為了 滿足響應(yīng)同時(shí)減小功耗，優(yōu)選地，該時(shí)間段小于〇. 2秒。
[0116] 在上述步驟S33之后，可進(jìn)一步對(duì)所述步驟S33采集到的輸出電流和輸出電壓進(jìn) 行濾波以及傅立葉變換（FFT)處理。
[0117] 在所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的輸出端施加所述電流擾動(dòng)信號(hào)后的輸出電流為：
[0118] i = Ij+Δ I X sin (2 π f X t+Φ ^ ；
[0119] 其中，L是電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22輸出端基準(zhǔn)電流值，Λ I電流擾動(dòng)信號(hào)幅值，f為選 定的所述擾動(dòng)信號(hào)的頻率，t是時(shí)間，為該電流擾動(dòng)信號(hào)的初始相位。
[0120] 電流擾動(dòng)后響應(yīng)的輸出電壓為：
[0121] u = Δ UX sin (2 π f X t+Φ !+Φ)；
[0122] 其中，％是電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22輸出端基準(zhǔn)電壓值，AU為擾動(dòng)響應(yīng)信號(hào)幅值，f為 響應(yīng)信號(hào)頻率與擾動(dòng)信號(hào)頻率相同，Φ為響應(yīng)信號(hào)相對(duì)于所述電流擾動(dòng)信號(hào)的滯后相位。
[0123] 在選定的所述頻率f下的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的交流阻抗為：
[0124] Z(/) =-x cos ￠)+ /-sin ? ； AI ' AI
[0125] 其中，?為所述頻率f下的交流阻抗幅值，j為虛數(shù)單位。 Δ7
[0126] 通過改變所述頻率，即可得到不同頻率下的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的電化學(xué)交流阻 抗值，從而獲得該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22的電化學(xué)交流阻抗頻譜。當(dāng)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22 包括多個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能單體時(shí)，通過測(cè)量每個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能單體的輸出電壓和輸出電流，并利 用上述方法即可獲得每個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能單體的電化學(xué)交流阻抗頻譜。
[0127] 請(qǐng)參閱圖13,本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)一步提供一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22工作狀態(tài)的分析 方法，包括以下步驟：
[0128] T1，提供一典型交流阻抗頻譜，該典型交流阻抗頻譜包括多個(gè)反映理想電化學(xué)儲(chǔ) 能裝置中各個(gè)部件工作狀態(tài)的典型頻率阻抗對(duì)應(yīng)值；
[0129] T2,采用前述交流阻抗頻譜分析的方法獲得該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22實(shí)際交流阻抗 頻譜，其中，所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22與所述理想電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的類型相同，以及
[0130] T3,將所述實(shí)際交流阻抗頻譜與所述典型交流阻抗頻譜進(jìn)行比較來分析所述電化 學(xué)儲(chǔ)能裝置中各個(gè)部件的工作狀態(tài)。
[0131] 在上述步驟T1中，所述典型交流阻抗頻譜可通過多次測(cè)量與所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝 置22相同類型、性能較好且在一較理想的工作環(huán)境下的理想電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的電化學(xué)交 流阻抗獲得。該典型交流阻抗頻譜的獲得方法也可通過本發(fā)明實(shí)施例提供的所述分析方法 獲得。在該典型交流阻抗頻譜中，所述多個(gè)典型頻率阻抗對(duì)應(yīng)值可以反映該種類型的電化 學(xué)儲(chǔ)能裝置中各個(gè)部件的較佳工作狀態(tài)。
[0132] 在上述步驟T3中，通過將所述典型交流阻抗頻譜與所述實(shí)際交流阻抗頻譜進(jìn)行 比較，即可判斷所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22中各個(gè)部件的工作狀態(tài)，從而可以及時(shí)調(diào)整，使該 電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22保持在一個(gè)較佳的工作狀態(tài)。
[0133] 此外，在該分析方法中，也可僅檢測(cè)特定的與所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的各個(gè)部件工 作狀態(tài)相關(guān)頻率的交流阻抗。
[0134] 本發(fā)明實(shí)施例提供的集成DC/DC變換器不僅可以靈活調(diào)節(jié)電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸 出特性，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的工作狀態(tài)，具體地，通過所述第二DC/DC變換器 在所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出端施加不同頻率的電流擾動(dòng)信號(hào)，并通過檢測(cè)所述電化學(xué)儲(chǔ) 能裝置輸出端的電流和電壓即可獲得該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的電化學(xué)交流阻抗頻譜，根據(jù)該交 流阻抗頻譜可分析出該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的工作狀態(tài)，從而可對(duì)該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的工作條 件進(jìn)行調(diào)節(jié)以使該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置可以保持在較好的工作狀態(tài)。此外，該集成DC/DC變換 器成本低且利于車載，而且車載時(shí)可以大大的節(jié)省安裝空間。
[0135] 實(shí)施例1
[0136] 本發(fā)明實(shí)施例中所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置22為燃料電池電堆。請(qǐng)同時(shí)參閱圖14-15， 采用小幅值的擾動(dòng)電流對(duì)燃料電池電堆的輸出電流進(jìn)行擾動(dòng)，由于該電流擾動(dòng)信號(hào)幅值較 小，能夠保證該燃料電池電堆在工作點(diǎn)A附近表現(xiàn)出線性特性。根據(jù)上述公式計(jì)算即可得 到該燃料電池電堆的電化學(xué)交流阻抗頻譜，如圖16所示，其中，特定頻率可以反映燃料電 池電堆不同部件的工作狀態(tài)。
[0137] 具體地，頻率&代表了該燃料電池電堆的低頻交流阻抗，典型頻率為0. 1Hz，是燃 料電池電堆內(nèi)部質(zhì)量傳遞阻抗的表征，即燃料電池系統(tǒng)將反應(yīng)物傳輸?shù)酱呋瘎拥目炻?度。當(dāng)燃料電池電堆雙極板上的留到或者氣體擴(kuò)散層被液態(tài)水阻塞或者反應(yīng)氣體分壓降低 或過量空氣系數(shù)降低時(shí)，低頻交流阻抗都會(huì)有所增加。
[0138] 頻率代表了燃料電池電堆的中頻交流阻抗，典型頻率為4Hz，是燃料電池內(nèi)部催 化劑動(dòng)力學(xué)的表征。當(dāng)催化劑流失或催化劑失效（比如由C0導(dǎo)致的催化劑中毒）時(shí)，中頻 交流阻抗和低頻交流阻抗會(huì)有所增加。
[0139] 頻率f2代表了燃料電池電堆的高頻交流阻抗，典型頻率為1kHz，是燃料電池電堆 容性阻抗的表征。當(dāng)燃料電池電堆沒有進(jìn)行適度壓緊或者集流板隨時(shí)間不斷腐蝕，高頻交 流阻抗會(huì)有所增加。同時(shí)，該高頻高硫阻抗是質(zhì)子交換膜含水量的表征，具體來說就是，表 征了質(zhì)子交換膜處于飽和狀態(tài)或干化狀態(tài)，這兩種狀態(tài)都會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子傳遞阻抗增加。
[0140] 另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精 神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法，包括以下步驟： 提供一集成DC/DC變換器，該集成DC/DC變換器包括第一 DC/DC變換器、擾動(dòng)源以及控 制器，所述第一 DC/DC變換器與該擾動(dòng)源并聯(lián)，所述第一 DC/DC變換器的輸入端與電化學(xué)儲(chǔ) 能裝置的輸出端連接，所述擾動(dòng)源包括開關(guān)器件，該第一 DC/DC變換器的輸出端與負(fù)載連 接，用以調(diào)控所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出以滿足負(fù)載輸出，所述控制器選擇性地開啟或關(guān) 斷所述擾動(dòng)源； 所述控制器開啟所述擾動(dòng)源，同時(shí)調(diào)控所述擾動(dòng)源產(chǎn)生一電流擾動(dòng)信號(hào)； 利用該電流擾動(dòng)信號(hào)對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出電流進(jìn)行擾動(dòng)； 檢測(cè)該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置擾動(dòng)后的輸出電流以及輸出電壓； 根據(jù)該電流擾動(dòng)信號(hào)以及所述擾動(dòng)后的輸出電流以及輸出電壓計(jì)算與該電流擾動(dòng)信 號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)的阻抗，以及 改變所述電流擾動(dòng)信號(hào)的頻率，重新對(duì)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出電流進(jìn)行擾動(dòng)，以 獲得該電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗頻譜。
2. 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法，其特征在于，所述電流 擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的過程包括以下步驟： S11，判斷是否要進(jìn)行交流阻抗分析，如果是，執(zhí)行步驟S12,如果否，則不導(dǎo)通所述擾動(dòng) 源； 512, 選定要進(jìn)行交流阻抗分析的頻率； 513, 選擇對(duì)應(yīng)該頻率的電流擾動(dòng)信號(hào)的幅值； 514, 根據(jù)所述頻率和幅值確定所述電流擾動(dòng)信號(hào)； 515, 檢測(cè)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出電流以及所述擾動(dòng)源的輸入端電流，以及 516, 判斷所述擾動(dòng)源的輸入端電流是否達(dá)到所述電流擾動(dòng)信號(hào)，如果否，所述控制器 調(diào)控所述擾動(dòng)源中開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間來達(dá)到預(yù)定的所述電流擾動(dòng)信號(hào)。
3. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法，其特征在于，在所述步 驟S12中，進(jìn)一步判斷要進(jìn)行所述交流阻抗分析的頻率是否為單一頻率，如果是則執(zhí)行所 述步驟S13-S16,如果有多個(gè)頻率時(shí)，執(zhí)行下列步驟： S12a，確定每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的電流擾動(dòng)信號(hào)的幅值； S12b，形成多個(gè)電流擾動(dòng)信號(hào)； S12 C，將該多個(gè)電流擾動(dòng)信號(hào)疊加合成為一混合擾動(dòng)電流信號(hào)，以及 S12d，執(zhí)行所述步驟S15-S16。
4. 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法，其特征在于，所述電流 擾動(dòng)信號(hào)為一小幅值的正弦電流擾動(dòng)信號(hào)，該幅值的大小為所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置輸出電流 的1 %到10%。
5. 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法，其特征在于，擾動(dòng)后的 所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出電壓和輸出電流的采集包括以下步驟： S31，連續(xù)記錄一段時(shí)間的所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出電流以及所述擾動(dòng)源的輸入端 電流； S32,根據(jù)上述時(shí)間段內(nèi)采集的電流判斷是否可以對(duì)所述電流擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣分析 計(jì)算交流阻抗，如果否，執(zhí)行所述步驟S31，如果是，則執(zhí)行步驟S33 ; 533, 繼續(xù)采集一段時(shí)間的所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出電流以及輸出電壓，以及 534, 根據(jù)該步驟S33采集的輸出電流和輸出電壓計(jì)算所述頻率處的交流阻抗幅值和 相位； 其中，所述步驟S31和S33中的采集時(shí)間段滿足響應(yīng)時(shí)間即可。
6. 如權(quán)利要求5所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法，其特征在于，在所述步 驟S33之后，進(jìn)一步對(duì)所述步驟S33采集到的輸出電流和輸出電壓進(jìn)行濾波以及傅立葉變 換處理后再計(jì)算所述頻率處的交流阻抗幅值和相位。
7. 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法，其特征在于，與所述電 流擾動(dòng)信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)的阻抗通過如下過程計(jì)算： 在所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出端施加所述電流擾動(dòng)信號(hào)后的輸出電流為：i = Ii+AIXsinQjifXt+c^);其中，^是所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置輸出端基準(zhǔn)電流值，ΛΙ所述 電流擾動(dòng)信號(hào)的幅值，f為選定的所述電流擾動(dòng)信號(hào)的頻率，t是時(shí)間，Φ i為該電流擾動(dòng)信 號(hào)的初始相位； 電流擾動(dòng)后所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的響應(yīng)的輸出電壓為：u = Ui+AUXsinQjifXt+c^+cji);其中，仏是所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的輸出端基準(zhǔn)電壓值，AU 為擾動(dòng)響應(yīng)信號(hào)幅值，f為響應(yīng)信號(hào)頻率，與所述擾動(dòng)信號(hào)頻率相同，Φ為響應(yīng)信號(hào)相對(duì)于 所述電流擾動(dòng)信號(hào)的滯后相位； 在選定的所述頻率f下的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗為：
;其中
為所述頻率f下的交流阻抗幅值，j為虛數(shù)單位。
8. 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的交流阻抗分析方法，其特征在于，當(dāng)所述電 化學(xué)儲(chǔ)能裝置包括多個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能單體時(shí)，通過測(cè)量每個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能單體的輸出電壓和輸 出電流，并利用上述方法獲得每個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能單體的電化學(xué)交流阻抗頻譜。
9. 一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置工作狀態(tài)的分析方法，包括以下步驟： 提供一典型交流阻抗頻譜，該典型交流阻抗頻譜包括多個(gè)反映理想電化學(xué)儲(chǔ)能裝置中 各個(gè)部件工作狀態(tài)的典型頻率阻抗對(duì)應(yīng)值； 采用如權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的交流阻抗頻譜分析的方法獲得該電化學(xué)儲(chǔ)能 裝置實(shí)際交流阻抗頻譜，其中，所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置與所述理想電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的類型相 同，以及 將所述實(shí)際交流阻抗頻譜與所述典型交流阻抗頻譜進(jìn)行比較來分析所述電化學(xué)儲(chǔ)能 裝置中各個(gè)部件的工作狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】G01R31/36GK104155611SQ201410387807
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】洪坡, 李建秋, 徐梁飛, 歐陽明高 申請(qǐng)人:清華大學(xué)