[发明专利]燃料电池性能监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池性能监测系统，特别涉及一种用于监测燃料电池堆中单电池电压及单电池内阻的燃料电池性能监测系统。

背景技术

燃料电池是由燃料和氧化剂产生电能的装置，为了确保燃料电池能够正常工作并评估性能，需要监测燃料电池的各种参数，这就需要提供燃料电池性能监测系统。

一个单体燃料电池(以下简称为“单电池”)所产生的理想电位是1.2V，但在实际使用中电力损失会对理想电位造成不同程度的电位压降，使会使单电池的电压下降0.4-0.8V甚至更多，这样单电池的工作电压通常不到1V，从而导致燃料电池的发电效率不佳，输出功率不稳定。因此燃料电池的单电池电压参数可作为判断燃料电池发电性能的一个重要依据，所以目前常见的燃料电池性能监测系统都是基于监测燃料电池堆中的单电池两端的输出电压而实施的。但是由于膜电极失水现象和水淹现象都会导致质子交换膜(PEM)燃料电池两极之间的直流电压下降，因此仅监测单电池电压的性能监测系统仅能起到一定的电池保护作用，并无法指示导致电池落后的原因。

因此，为了对落后的电池做出更有效的诊断信息，燃料电池性能监测系统还应该具备测量单电池内阻的功能，这样就可以准确判断出膜电极状态，以便燃料电池控制系统制定落后电池恢复策略。

常见的测量电池内阻的方法是通过在电池两端加载交流激励或交流负载而获得交流阻抗数据。CN1643390A提供了一种用来测量燃料电池单电池电压和高频内阻的装置和方法，该装置包括电压测量装置、能够与电化学装置串联连接的负载、以及连接并控制电压测量装置和负载的控制器，该装置利用控制器控制负载提供所需的直流和交流负载电流特性，电压测量装置利用多通道的仪表放大器测量单电池电压，配合负载电流特性，由控制器分析获得单电池电压及单电池高频阻抗。但是，该技术方案的缺点在于一方面由于燃料电池的高累积电势，而大量使用高共模抑制比的仪表放大器，从而增加了测量装置的成本；另一方面实时比较分析由仪表放大器所测量的单电池电压波形和负载电流波形，也使得控制器获取电池内阻数据复杂化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、结构简单、能够同时监测燃料电池电堆中单电池电压及内阻的燃料电池性能监测系统，以克服现有技术的成本较高、数据复杂的局限。

本发明提供的燃料电池性能监测系统包括开关网络、低通滤波器、带通滤波器、直流分量数据采集单元、交流分量数据采集单元以及内阻计算单元；所述开关网络包括顺序排列的多个开关元件，奇数序号开关元件的信号输出端并联成开关网络的第一输出端，偶数序号开关元件的信号输出端并联成开关网络的第二输出端，用于输出一个单电池两端的电压信号；所述低通滤波器和带通滤波器分别与开关网络的第一输出端和第二输出端连接，分别用于接收第一输出端和第二输出端输出的电压信号，通过滤波分别得到直流电压信号和交流波动电压信号，并分别将得到的信号输出到直流分量数据采集单元和交流分量数据采集单元；所述直流分量数据采集单元用于接收来自低通滤波器的直流电压信号并根据该信号获取直流电压值；所述交流分量数据采集单元用于接收来自带通滤波器的交流波动电压信号、根据该信号获取交流波动电压值并将该交流波动电压值输出到内阻计算单元；所述内阻计算单元用于计算单电池的内阻。

本发明所提供的燃料电池性能监测系统当工作时，在串联的单电池两端施加交流波动电流，然后将开关元件的输入端连接到单电池两端的电压输出端，通过每次仅闭合一对相邻的开关元件(也就是相邻的奇数序号开关元件和偶数序号元件)而将燃料电池堆中的单独一个单电池接入到该监测系统中，这样可以监测该接入的单电池的电压值和内阻值。燃料电池堆在工作时会产生直流电流，再加上施加的交流波动电流，使得通过燃料电池堆的电流为叠加有交流波动电流的直流电流。由于燃料电池的内阻因素，交流波动电流产生交流波动电压，因此燃料电池两端的电压也就是叠加有交流波动电压的直流电压。通过低通滤波器及直流分量数据采集单元、带通滤波器及交流分量数据采集单元分别获取单电池上的直流电压值及交流波动电压值。所获取的直流电压值即是该单电池当前的电压。而所获取的交流波动电压值被输送到内阻计算单元，并由内阻计算单元根据交流波动电压值以及所施加的交流波动电流值即可获得单电池的内阻。依次使得相邻序号的一对开关元件闭合，即实现了对燃料电池堆中各单电池电压及内阻的监测。本发明的优点在于利用对应燃料电池单电池的开关元件实现多通道测量，减少使用昂贵的高共模抑制比仪表放大器的数量，降低了成本；采用低通滤波器及带通滤波器分离叠加交流波动的直流电压，简化了获取内阻数据的方法。

附图说明