用于測量燃料電池阻抗的方法、裝置和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求2014年8月22日向韓國知識產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請第 10-2014-0109925號的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，其全部內(nèi)容引入本文以供參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及用于測量燃料電池阻抗的方法、裝置和系統(tǒng)。具體地，可以使用非正弦 周期波諸如矩形波測量燃料電池的阻抗。
【背景技術(shù)】
[0004] 燃料電池為電力生成裝置，其將燃料氧化所產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。燃料 電池與化學(xué)電池相同在于其基本上使用氧化和還原反應(yīng)，但與化學(xué)電池有區(qū)別。例如，在燃 料電池中，從外部連續(xù)地供應(yīng)反應(yīng)物且反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)地移到系統(tǒng)的外部，相反，化學(xué)電池的 電池反應(yīng)在閉合的系統(tǒng)中執(zhí)行。目前，由于燃料電池的反應(yīng)副產(chǎn)物為純水，因此積極地進(jìn)行 使用燃料電池作為環(huán)境友好型車輛的動力源的研究。
[0005] 上述燃料電池可被用于向小型電氣和電子產(chǎn)品供應(yīng)動力，并且供應(yīng)工業(yè)、家用以 及車輛驅(qū)動用動力。
[0006] 例如，作為用于驅(qū)動車輛的動力供應(yīng)源，基本上已開發(fā)出在燃料電池中具有較大 功率密度的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC)。聚合物電解質(zhì)膜燃料電池因其運(yùn)行溫度低， 需要較少的起動時間以及較少的功率轉(zhuǎn)換反應(yīng)時間。
[0007] 聚合物電解質(zhì)膜燃料電池可包括膜電極組件（MEA)、氣體擴(kuò)散層和雙極板，其中膜 電極組件包括安裝到固體聚合物電解質(zhì)膜的兩側(cè)的催化電極層，其中氫離子移動并執(zhí)行電 化學(xué)反應(yīng)，氣體擴(kuò)散層配置成均勻地分布反應(yīng)氣體并傳送所產(chǎn)生的電能，雙極板配置成提 供反應(yīng)氣體和冷卻劑的流動路徑。
[0008] 通過連續(xù)地布置有單元電池的堆組件配置燃料電池，其中該堆組件被稱為燃料電 池堆。當(dāng)作為燃料的氫和作為氧化劑的氧在電池堆的單元電池中進(jìn)行反應(yīng)時，產(chǎn)生電能。當(dāng) 在燃料電池堆中包括的任何一個單元電池中發(fā)生性能退化或失效時，燃料電池堆的整體性 能可能退化，從而導(dǎo)致不能穩(wěn)定運(yùn)行。
[0009] 通過測量從燃料電池堆的每個單元電池輸出的電壓來診斷燃料電池堆的性能，并 且示例性診斷方法可以是總諧波失真分析（THDA)方法。THDA方法通過分析電池堆電壓的 頻率來計(jì)算失真率，從而診斷電池電壓。根據(jù)THDA方法，可容易地檢測電池電壓下降，但可 能無法定量地測量電池電壓下降的原因。
[0010] 另外，已開發(fā)出使用電化學(xué)阻抗譜（EIS)測量燃料電池堆阻抗的方法。根據(jù)EIS 方法，將正弦波的電流或電壓供應(yīng)到燃料電池堆，然后測量燃料電池堆的電流I和電壓V， 并基于所測量的電流和電壓計(jì)算阻抗。
[0011] 該【背景技術(shù)】部分中所公開的以上信息僅用于增強(qiáng)對本發(fā)明【背景技術(shù)】的理解，并因 此可包含不構(gòu)成本國本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 在優(yōu)選方面，本發(fā)明提供使用非正弦周期波諸如矩形波測量燃料電池阻抗的方 法、裝置和系統(tǒng)。
[0013] 在示例性實(shí)施方式中，用于測量燃料電池阻抗的方法可包括：通過阻抗測量裝置 將合成波的電流注入燃料電池；通過阻抗測量裝置從燃料電池接收響應(yīng)于合成波的電流的 電壓；以及通過阻抗測量裝置使用合成波的電流和響應(yīng)電壓來測量燃料電池的阻抗。
[0014] 具體地，合成波可為非正弦周期波。例如，合成波的電流可為矩形波、三角波或鋸 齒波的電流。
[0015] 矩形波可在用于產(chǎn)生矩形波的功率相同或在恒定功率的條件下，具有大約1%以 上且大約10%以下的占空比。矩形波可具有大約50%、大約25%、大約20%或大約5%的 占空比。
[0016] 在示例性實(shí)施方式中，用于測量燃料電池阻抗的裝置可包括：信號生成單元，其配 置成產(chǎn)生被施加到燃料電池的合成波的電流；信號接收單元，其配置成從燃料電池接收響 應(yīng)于合成波的電流的電壓；以及阻抗測量單元，其配置成使用合成波的電流和響應(yīng)電壓測 量燃料電池的阻抗。
[0017] 具體地，合成波可為非正弦周期波。例如，合成波的電流可為矩形波、三角波或鋸 齒波的電流。
[0018] 在示例性實(shí)施方式中，測量燃料電池阻抗的系統(tǒng)可包括：燃料電池，其連接到電負(fù) 載；阻抗測量裝置，其配置成將合成波的電流注入燃料電池，以從燃料電池接收響應(yīng)于合成 波的電流的電壓，然后使用合成波的電流和響應(yīng)電壓測量燃料電池阻抗；以及控制器，其配 置成從阻抗測量裝置接收阻抗測量結(jié)果信息。
[0019] 具體地，合成波可為非正弦周期波。如上所述，合成波的電流可為矩形波、三角波 或鋸齒波的電流。
[0020] 矩形波可在用于產(chǎn)生矩形波的功率相同的條件下，具有大約1%以上且大約10% 以下的占空比。矩形波可具有大約50%、大約25%、大約20%或大約5%的占空比。
[0021] 進(jìn)一步提供的是使用或包括本文所述的用于測量燃料電池阻抗的裝置、方法和系 統(tǒng)的機(jī)動車。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的各種示例性實(shí)施方式，由于用于測量燃料電池阻抗的方法、裝置和 系統(tǒng)可使用一個非正弦周期波諸如矩形波（方波）來測量燃料電池的阻抗，因此可以比使 用多個正弦波的交流電流來測量燃料電池阻抗的常規(guī)方法更高效地測量燃料電池阻抗。
[0023] 另外，由于用于測量燃料電池阻抗的方法、裝置和系統(tǒng)使用諸如矩形波的非正弦 周期波來測量燃料電池阻抗，因此可簡化燃料電池的阻抗測量并可提高可靠性。
[0024] 例如，可通過將測量用交流電流的波形從正弦波改變?yōu)榉钦抑芷诓▉砗喕瘻y量 用交流電流的控制，該非正弦周期波可產(chǎn)生并包括高頻交流電流。
[0025] 此外，非正弦周期波可以用傅里葉變換或傅里葉級數(shù)定義，因此可以由多個正弦 波的加和來表示。由于一個非正弦周期波被用作測量電流，因此可減少測量用交流電流的 數(shù)目。因此，可提高測量用交流電流的振幅和相位控制的穩(wěn)健性。
【附圖說明】
[0026] 將提供附圖的簡單描述，以便于更充分地理解本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中使用的附 圖。
[0027] 圖1示出相關(guān)技術(shù)中被注入燃料電池以便于在時域和頻域上測量交流電流阻抗 的交流電流。
[0028] 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于測量燃料電池阻抗的示例性方法 中使用的用于測量阻抗的交流電流以及與交流電流相應(yīng)的頻譜。
[0029] 圖3示出與圖2中所示的矩形波的占空比的調(diào)整相應(yīng)的阻抗測量值的示例性標(biāo)準(zhǔn) 偏差。
[0030] 圖4為示出與圖2中所示的矩形波的占空比的調(diào)整相應(yīng)的阻抗測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差 的示例性表。
[0031] 圖5為示出與矩形波的占空比的調(diào)整相應(yīng)的矩形波的頻率范圍值的示例性表。
[0032] 圖6為示出正弦波的頻率范圍值與根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的矩形波的占 空比調(diào)整對比的示例性圖。
[0033] 圖7~17為示出根據(jù)本發(fā)明的各種示例性實(shí)施方式的取決于矩形波的占空比值 的矩形波的頻率范圍值的示例性圖。
[0034] 圖18示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的應(yīng)用用于測量燃料電池阻抗的示例性 方法的示例性系統(tǒng)。
[0035] 圖19為示出當(dāng)矩形波和正弦波的交流電流被輸入根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式 的圖18的示例性系統(tǒng)時的阻抗測量值的實(shí)例的圖。
[0036] 圖20為示出當(dāng)矩形波和正弦波的交流電流被輸入根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式 的圖18的系統(tǒng)時的阻抗測量值的實(shí)例的圖。
[0037] 圖21示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的在圖18中示出的示例性阻抗測量裝 置。
[0038] 圖22示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的在圖18中示出的示例性燃料電池。
[0039] 在圖1~22中提到的附圖標(biāo)記包括對下面進(jìn)一步討論的以下元件的參考：
[0040] 105 :燃料電池；110 :電負(fù)載；115 :控制器；200 :阻抗測量裝置；205 :信號生成單 元；210 :信號接收單元；215 :阻抗測量單元。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 為了充分地理解本發(fā)明以及通過實(shí)施本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的目的，將參考示出本發(fā)明的 示例性實(shí)施方式的附圖以及附圖中所描述的內(nèi)容。
[0042] 在下文中，將通過參考附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方式來描述本發(fā)明。在描述 本發(fā)明的過程中，將不詳細(xì)描述眾所周知的功能，因?yàn)樗鼈兛赡苁贡景l(fā)明的主旨不必要地 模糊。各個附圖中的相同附圖標(biāo)記可表示相同的部件。
[0043] 本說明書中使用的術(shù)語僅僅用于描述特定的示例性實(shí)施方式，并且不在于限制本 發(fā)明。本文所使用的單數(shù)形式意在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中清楚指明。還可以理解的 是，在說明書中使用的術(shù)語"包括"或"具有"是指存在所述特征、數(shù)字、步驟、操作、元件、部 件或其組合，但是不排除存在或添加一個或多個其它特征、數(shù)字、步驟、操作、元件、部件或 其組合。
[0044] 應(yīng)理解，本文使用的