专利名称：确定电化学装置的健康状态的方法
技术领域：
本发明总体上涉及电化学装置领域，更具体地涉及一种确定或者诊断所述电化学装置的健康状态的方法。电化学装置可以是燃料电池、电解器、原生电池或者可充电电池、或者任何其它类型的电化学装置。
背景技术：
一般而言，在电化学装置的寿命周期中，其性能逐渐趋于劣化。这可能来自于主要在装置的运行期间以及装置停止时发生的不可逆的物理化学变化。于是，获得关于装置的总体劣化状态的信息以由此知道其寿命周期进行了多少是至关重要的。另外，在电化学装置的运行期间，可能发生造成性能突然下降的特定物理现象。例如，在质子交换膜类型的燃料电池的情况下，膨胀和流水(drainage)现象造成电池性能的显著劣化。因此期望能够实时检测这些现象以迅速解决它们。确定装置的状态的整体劣化，以及检测特定有害现象，就能够确定电化学装置的健康状态。电化学装置的健康状态可定义为至少部分地模型化电化学装置的物理化学行为的至少一个物理化学参数的估计或者测量值与同一参数的预定基准值之间的偏差。该偏差说明装置的长期(剩余寿命)和短期(突然降低性能的物理现象的出现)运行本质。当然， 其可以涉及相对或者绝对偏差。当然，健康状态的提法覆盖了各种事实，而这取决于用户希望获得的信息。一般而言，可以从提供该电化学装置的静态和/或动态行为的信息的一组特征参数来确定健康状态。这些参数可代表电化学装置中发生的不同的物理化学现象，诸如，例如涉及化学动力学的现象、欧姆现象、以及在燃料电池的情况下反应流体向反应区域的扩散现象。举个例子，确定质子交换膜(PEM)类型的燃料电池的健康状态可包括实时估计特定参数，诸如电池的内电阻(通常比作膜的电阻)、膜的含湿量、或者关于扩散现象或者涉及化学动力学的现象的参数，目的在于一方面监视其总体劣化的状态，另一方面检测膜的流水现象。由此，能够更快速地反应以防止该类型的现象持续发生从而不可逆地损坏电池。在PEM类型燃料电池的环境下一般使用多种参数估计方法来确定装置的健康状态。一般而言，每种方法通常都包括获得实验数据的第一步骤和利用测量来估计一个或者更多个特征参数的第二步骤。第一步骤由对电化学装置施加特定电激励并且测量其电响应组成。第二步骤是分析输入和输出信号以估计至少部分地表征电池的行为的一个或者更多个参数。这些参数可以属于代表电池的全局或者部分行为的静态和/或动态模型。最后，以参数的估计值与同一参数的预定基准值之间的偏差的方式来估计电池的健康状态。第一种方法是基于已知的电化学阻抗频谱技术。其可以用于检测燃料电池的膨胀或者流水，如 2006 年出版的 the Journal of Power Sources，159，905—913 中的 Fouquet et al.的IS 巨为 “Model based PEM fuel cell state-of-health monitoring via ac impedance measurements，，的文章所描述的。将输入电流施加到电池，该输入电流具有扫描大频率范围的低振幅正弦波动序列。在电池的端子处测量响应于这些波动的电压。接着能够使用阻抗分析装置获得电池的阻抗。该阻抗可在奈奎斯特(Nyquist)平面中绘出，其给出了阻抗的虚部作为其实部的函数的开方(evolution)。接着，使用例如最小二乘法的优化方法从测得的信号来估计等效电池类型的该阻抗模型的参数值(小信号动态模型)。阻抗模型可遵循以下等效电路
权利要求
1. 一种从至少部分地模型化了电化学装置的物理化学行为的至少一个物理化学参数确定所述电化学装置的健康状态的方法，所述方法的特征在于包括以下步骤对所述电化学装置施加(10)输入信号，并测量所述电化学装置的响应于所述输入信号的输出信号(20)，其中，所述输入信号包括多个电激励，每个电激励都属于从由以下各项形成的集合中选择的特定激励类别在所述电化学装置的极化点周围的正弦电流或者电压扰动序列，每个扰动都具有不同频率，从而经过特定频率系列而行进；电流或者电压阶梯； 以及从零到标称值的电流或者电压变化，所述输入信号包括不同类别的至少两个激励；接从所述输出信号中提取(30)与每个所述电激励信号相关联的响应信号；接着根据属于第一类别的电激励和对应的响应信号来估计Gl)至少一个第一参数；根据属于不同于对应的响应信号的第一类别的类别的电激励和至少所估计的第一参数来估计所述至少一个物理化学参数；以所述至少一个物理化学参数的先前估计值与预定基准值之间的偏差来估计(50)所述电化学装置的健康状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一类别的电激励和属于不同于第一类别的类别的电激励被顺序地施加。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个第一类别的电激励与不同于第一类别的类别的电激励在时间上至少部分地叠加。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第一类别的电激励是电流或者电压阶梯， 并且不同于第一类别的类别的电激励是从由以下各项形成的集合中选择的在所述电化学装置的极化点周围的正弦电流或者电压扰动序列，每个扰动都具有不同频率，从而经过特定频率系列而行进；以及从零到标称值的电流或者电压变化。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一类别的电激励是在所述电化学装置的极化点周围的正弦电流或者电压扰动系列，每个扰动都具有不同频率，从而经过特定频率系列而行进，并且不同于第一类别的类别的电激励是从零到标称值的电流或者电压变化。
6.根据权利要求1到5中任意一项所述的方法，其特征在于，另外以所述至少一个第一参数的估计值与预定基准值之间的偏差来估计(50)所述健康状态。
7.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述输入信号包括不同类别的至少三个激励，并且在估计所述至少一个物理化学参数的步骤^幻之前，根据属于不同于所述对应的响应信号的第一类别的第二类别的电激励来估计0 至少一个第二参数；所述至少一个物理化学参数的估计是根据属于不同于所述对应的响应信号的第一类别和第二类别的第三类别的电激励和先前估计的所述至少一个第一参数和所述至少一个第二参数来进行的。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一个第二参数也是根据所述至少一个第一参数来估计的。
9.根据权利要求7或者8所述的方法，其特征在于，第一类别的电激励是电流或者电压阶梯，第二类别的电激励是在所述电化学装置的极化点周围的正弦电流或者电压扰动序列， 每个扰动都具有不同频率，从而经过特定频率系列而行进，并且第三类别的电激励是从零到标称值的电流或者电压变化。
10.根据权利要求7到9中任意一项所述的方法，其特征在于，另外以所述至少一个第一参数的估计值与预定基准值之间的偏差和/或以所述至少一个第二参数的估计值与预定基准值之间的偏差来估计(50)所述健康状态。
11.根据权利要求1到10中任意一项所述的方法，其特征在于，所述输入信号包括在所述电化学装置的极化点周围的正弦电流或者电压扰动系列，每个扰动都具有不同频率，并且施加所述扰动序列从而一遍一遍地扫描从所述主系列(A)得到的多个频率子系列 (A1, . . . An)，所述多个子系列中的每一个子系列都与所述多个子系列中的至少一个其它子系列交织。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述多个子系列中的每一个子系列都与所述多个子系列中的全部其它子系列交织。
13.根据权利要求11或者12所述的方法，其特征在于，施加所述扰动序列从而单调地扫描每个子系列(Ai)的频率。
14.根据权利要求11或者12所述的方法，其特征在于，施加所述扰动序列从而随机地扫描每个子系列(Ai)的频率。
15.根据权利要求11到14中任意一项所述的方法，其特征在于，所述子系列以特定顺序排序，施加所述扰动序列从而单调地扫描所述多个子系列(A1, ... An)。
16.根据权利要求11到14中任意一项所述的方法，其特征在于，所述子系列以特定顺序排序，施加所述扰动序列从而随机地扫描所述多个子系列(A1, ... An)。
17.根据权利要求1到16中任意一项所述的方法，其特征在于，所述参数中的一个是所述电化学装置的内电阻，根据电流或者电压阶梯以及对应的响应信号来估计所述参数的步骤包括从所述输入信号和所述对应的响应信号中减去施加所述电激励之前各自的值，由此获得电流变化和电压变化；通过用所述电压变化除以所述电流变化来计算瞬时阻抗，并且检测使所述瞬时阻抗具有最小值的大于施加所述电激励的时刻、的时刻、；从时刻、外推所述瞬时阻抗，并将所述外推投影到时刻、以由此导出所述电化学装置的内电阻值。
18.根据权利要求1到17中任意一项所述的方法，其特征在于，从所述输入信号和所述对应的响应信号获得作为电流的函数的电压的实验开方，作为电流的函数的电压的模型开方被至少一个所述参数参数化，所述参数的估计值是根据从零到标称值的电流或者电压变化通过以下步骤获得的最小化一方面存在于所述电压的模型开方与其N个连续导数之间，另一方面存在于所述电压的实验开方与其N个连续导数之间的偏差的特征大小。
19.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述电化学装置是电解器或者燃料电池。
20. 一种控制电化学装置的方法，其特征在于包括以下步骤根据以上特征中的任意一个来确定健康状态；接着当所测量的偏差超过预定阈值偏差时向所述电化学装置施加命令。
全文摘要
本发明涉及一种具有提高的稳定性的测量电化学装置的健康状态的方法。该方法具体包括以下步骤向该电化学装置施加(10)包括不同类别的电激励的输入信号，并测量包括对每个电激励的响应信号的输出信号(20)；根据属于第一类别的电激励和对应的响应信号来估计(41)至少一个第一参数；根据对应的响应信号的不同类别的电激励和所估计的第一参数来估计(43)代表该电化学装置的物理化学行为的至少一个物理化学参数；以该物理化学参数的先前估计值与基准值之间的偏差来估计(50)该电化学装置的健康状态。
文档编号G01R31/36GK102414569SQ201080017968
公开日2012年4月11日 申请日期2010年2月22日 优先权日2009年2月24日
发明者A·拉库通德赖尼比, C·图尔平, G·丰特斯, V·普利波托 申请人:国家科研中心, 图卢兹国立综合科技研究院, 赫利恩公司