一种基于特征值的燃料电池的电化学阻抗频谱的处理方法与流程

1.本发明涉及燃料电池的内阻检测领域，尤其涉及一种基于特征值的燃料电池的电化学阻抗频谱的处理方法。


背景技术：

2.燃料电池的电化学阻抗频谱由电化学阻抗检测流程获得，是一组在不同频率下的复数阻抗，包含实部和虚部，从而组成的一条阻抗频谱曲线。燃料电池的电化学阻抗频谱会随着燃料电池的内部状态变化而变化，因此可以将其应用于燃料电池的特性检测、故障诊断和寿命衰减检测。
3.用获得的燃料电池的阻抗频谱来判断出燃料电池的内部状态，在燃料电池的应用中至关重要。目前的对燃料电池电化学阻抗频谱的处理主要手段是采用等效电路拟合，然后将等效电路中的器件参数变化与燃料电池不同的状态特性相关联，从而通过观察等效电路中的器件参数值的大小变化，可以对燃料电池的状态进行判别。同时，也有一些方法绕过拟合等效电路，比如，直接将获得的阻抗频谱输入调整过的模糊系统或训练过的神经网络系统，从而获得基于电化学阻抗频谱的燃料电池状态判定。
4.在现有的技术中，将燃料电池电化学阻抗频谱拟合等效电路的方法，需要拟合一个非线性的等效电路，而拟合的过程是个非线性的优化过程，其准确性取决于初始值的选择，计算量也会比较大。因此，该方法无法应用到一个实时系统中，或者计算能力有限的系统中去。然而，采用模糊和神经网络的系统，需要比较深的燃料电池本体系统的了解去调节该系统，或比较多的数据去建立模糊或者神经网络系统。并且，将神经网络应用起来，也会需要较大的计算量。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于特征值的燃料电池的电化学阻抗频谱的处理方法。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于特征值的燃料电池的电化学阻抗频谱的处理方法，包括以下步骤：
8.步骤1：在燃料电池中获得阻抗频谱；
9.步骤2：在阻抗频谱中获得特征值；
10.步骤3：建立运行点—特征值的基准库；
11.步骤4：将步骤2中获得的特征值与步骤3中建立的基准特征值进行对比；
12.步骤5：求得当前特征值和基准特征值差的绝对值；
13.步骤6：判断绝对值的结果是在阈值范围内；
14.步骤6-1：如果绝对值在阈值范围内，则表示燃料电池处于健康状态；
15.步骤6-2：如果绝对值的阈值打在范围内，则标志燃料电池处于故障状态。
16.优选地，所述的一种基于特征值的燃料电池的电化学阻抗频谱的处理方法，其特
征在于：所述步骤2中在阻抗频谱中获得3个特征值，它们分别为阻抗频谱中实部最大和最小值，以及虚部绝对值的最大值。
17.优选地，所述的一种基于特征值的燃料电池的电化学阻抗频谱的处理方法，所述步骤3中运行点—特征值的基准库的建立，首先需要在燃料电池的多个工作点进行阻抗检测，然后在对应的多个工作点上测得燃料电池正常运行的阻抗频谱，并从对应的阻抗频谱中获得对应的基准特征值。
18.优选地，所述的一种基于特征值的燃料电池的电化学阻抗频谱的处理方法，所述步骤6中阈值的确定是，在检测平台上将燃料电池运行到非正常工作状态，获得各种轻微故障下的燃料电池阻抗频谱，通过非正常状态的频谱与正常频谱的对比，确定阈值。
19.借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
20.本发明提出了使用特征值来概括一个燃料电池频谱的特征，来代表整个频谱，从而减低了阻抗处理的复杂度和对计算量的依赖。可以方便的将电化学阻抗频谱处理集成到计算能力有限的控制器中去，从而实现实时的基于燃料电池阻抗频谱的故障诊断。
21.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
22.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。
23.图1是本发明燃料电池电化学阻抗频谱曲线图；
24.图2是本发明中燃料电池健康和故障的电化学频谱曲线图；
25.图3是本发明所提出的燃料电池电化学阻抗频谱上的特征值取值的曲线图；
26.图4是本发明燃料电池电化学阻抗频谱的处理流程图；
27.图5是本发明针对图4简化的流程图；
28.图6是本发明燃料电池线下测试台上检测图；
29.图7是本发明线上就要燃料电池dc/dc变换器的检测图。
具体实施方式
30.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。
31.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。
32.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。
33.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。
34.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。
35.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。
36.实施例
37.如图1至图5所示，一种基于特征值的燃料电池的电化学阻抗频谱的处理方法，包括以下步骤：
38.步骤1：在燃料电池中获得阻抗频谱；
39.步骤2：在阻抗频谱中获得特征值；
40.步骤3：建立运行点—特征值的基准库；
41.步骤4：将步骤2中获得的特征值与步骤3中建立的基准特征值进行对比；
42.步骤5：求得当前特征值和基准特征值差的绝对值；
43.步骤6：判断绝对值的结果是在阈值范围内；
44.步骤6-1：如果绝对值在阈值范围内，则表示燃料电池处于健康状态；
45.步骤6-2：如果绝对值的阈值打在范围内，则标志燃料电池处于故障状态。
46.本发明中所述步骤2中在阻抗频谱中获得3个特征值，它们分别为阻抗频谱中实部最大和最小值，以及虚部绝对值的最大值。
47.本发明中所述步骤3中运行点—特征值的基准库的建立，首先需要在燃料电池的多个工作点进行阻抗检测，然后在对应的多个工作点上测得燃料电池正常运行的阻抗频谱，并从对应的阻抗频谱中获得对应的基准特征值。
48.本发明中所述步骤6中阈值的确定是，在检测平台上将燃料电池运行到非正常工作状态，获得各种轻微故障下的燃料电池阻抗频谱，通过非正常状态的频谱与正常频谱的对比，确定阈值。
49.本发明的工作原理如下：
50.如图1所示，每一个阻抗点由其实部和虚部组成，实际的燃料电池阻抗虚部一般为负数，所以y轴为负方向，而不同频率会生成不同的阻抗点，将阻抗点连接起来，即形成了阻抗频谱曲线。在图1中可以看出，频谱左边为高频，而越到右面频率逐渐减低。燃料电池电化学阻抗频谱的形状主要受其输出电流(即燃料电池的直流工作点)、燃料电池故障和燃料电池衰减影响。当燃料电池运行在不同工作点时，燃料电池的电化学阻抗频谱会变化。而当燃
料电池运行在同一个工作点时，正常工作、故障和寿命衰减的燃料电池也会有不同的阻抗频谱形状，其中燃料电池故障会引起电化学阻抗频谱相对于正常工作时的阻抗频谱发生较大的变化。
51.在不同频率范围下的电化学阻抗代表了燃料电池内部不同的特性，如高频部分与燃料电池内部质子交换膜的湿度相关，而低频部分与燃料电池中物质传输相关。因此，选取不同频率范围下的特征值可以概括电化学阻抗在该频率所表达的信息。当燃料电池发生故障时，电化学阻抗频谱的形状会发生较大的变化，如图2示意所示。因此，从频谱形状进行分析，可以采用特征值的方式去代表一个电化学阻抗频谱的形状变化，从而判别燃料电池是否故障。
52.在本方案中，本发明采用燃料电池电化学频谱的三个特征值，即一个阻抗频谱曲线中的实部最高和最低值与虚部的绝对值最大值，如图3所示。
53.在应用中，由于阻抗频谱会根据燃料电池生产商和型号的不同而不同，所以需要对要检测的和诊断的燃料电池建立对应的特征值基准库。
54.特征值基准库的建立，先需要在燃料电池的三个工作点(即实部最高和最低值与虚部的绝对值最大值)进行阻抗检测，然后在这些工作点上测得燃料电池正常运行的阻抗频谱，并从这些阻抗频谱中获得上述的提出的三个特征值，从而建立针对这个燃料电池的运行点-特征值的基准库，该特征值基准库代表了燃料电池正常运行时，选取的三个工作点下代表正常运行的特征值，然后可以在每个特征值上确定一个阈值。阈值的确定是，在检测平台上将燃料电池运行到非正常工作状态，获得各种轻微故障下的燃料电池阻抗频谱，通过非正常状态的频谱与正常频谱的对比，确定阈值。
55.在实际运行中，当实时获得的燃料电池阻抗频谱上的特征值在对比基准库的特征值后超过了阈值，即可判定该燃料电池目前运行有故障。整体的运行流程如图4所示。
56.由于上述流程的计算过程可能会出现计算机或控制器无法满足算力需求情况，本发明还能在上述描述的流程中进行一定的简化，从而使得工作量降低，更易于集成到各种系统中去。
57.第一点简化：燃料电池在做阻抗检测时可以固定在同一个工作点，即当燃料电池输出同一数值的直流电流时去建立基准库和做实时的基于阻抗特征值的故障判定。基于同一工作点的方式，可以减低建立基准库的工作量，在实时运行中，也无需去判断目前运行的工作点来找到相应的特征值的基准。
58.第二点简化：将特征值的频率固定。在图4中，非简化的方法中，为了寻找特征值，即一个阻抗频谱曲线中的实部最高和最低值与虚部的绝对值最大值，需要对燃料电池在一个宽频率范围(几千赫兹到几赫兹或零点几赫兹)内进行小信号扰动，需要较多的扰动点，从而形成一条频谱曲线，然后再在这条频谱曲线中去找到实部最高和最低值与虚部的绝对值最大值，作为三个特征值。而在第二点简化中，可以采用一个高频阻抗(如1khz)的实部、一个低频阻抗(如1hz)和一个中频阻抗(如10hz)的虚部来代替频谱曲线中的实部最高和最低值与虚部的绝对值最大值。由于这些频率是固定的，所以无需对宽频率范围内进行多次的扰动和获得整个阻抗频谱。只需要对这三个频率产生小信号扰动并计算阻抗即可，降低了基准库形成的工作量，也提高了本发明实时应用时的效率和进一步缩减了计算量。采用三个固定频率的确定可以从燃料电池检测结果中确定，主要使得这三个频率的特征值能接
近实际的实部最高和最低值与虚部的绝对值最大值。如果结合第一点和第二点简化方法，该方案只需要检测一个固定燃料电池工作点下的健康情况下的三个选定的频率的阻抗，获得这三个频率代表的特征值，即三个基准数据，就是所需的基准库。然后在实际应用中，只需要在三个选定的频率下产生小信号扰动，并获得这三个频率的阻抗，提取出当前实时的燃料电池阻抗频谱的特征值，然后与三个基准数据比较，如果未超过阈值，即判定，燃料电池运行健康，否则，燃料电池故障。具体的简化方案运行流程如图5所示。
59.实施例一
60.基于上述的处理方法，本发明中可以应用到燃料电池的线下在测试台上的检测，也可应用到燃料电池线上检测中去，用燃料电池的dc/dc变换器或其他专用设备来产生小信号扰动，这两种场景的应用如图6和7所示，而本发明所提出的方案为软件算法中处理获得阻抗频谱的模块。本发明提出的处理方案，并不限于何种应用场景，主要是提供对燃料电池电化学阻抗频谱的便捷处理方案，而获得电化学频谱可以是本领技术人员通过本领域技术人员常规方式获得即可，而化学频谱是如何获得的不做限制。
61.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。