用于燃料電池診斷的阻抗測(cè)定裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于燃料電池診斷的阻抗測(cè)定裝置及其方法，更詳細(xì)地說(shuō)，監(jiān)測(cè)流經(jīng) 負(fù)載的電流而在變動(dòng)設(shè)定值以上時(shí)，對(duì)燃料電池組的電流及電壓進(jìn)行采樣，并在采樣周期 之間同時(shí)實(shí)施頻率分析，不僅能夠縮短采樣結(jié)束后用于頻率分析的額外時(shí)間，還能減少額 外的電流注入回路。
【背景技術(shù)】
[0002] -般地說(shuō)，燃料電池作為一種發(fā)電裝置，不將燃料所具有的化學(xué)能通過(guò)燃燒而變 換成熱量，而是在組(stack)內(nèi)通過(guò)電化學(xué)性反應(yīng)而將其變換成電能。
[0003] 這種燃料電池不僅供應(yīng)工業(yè)用、家庭用及車輛驅(qū)動(dòng)用電力，還能適用于小型電器/ 電子產(chǎn)品的電力供應(yīng)。
[0004] 例如，作為用于驅(qū)動(dòng)當(dāng)前車輛的電力供應(yīng)源，最普遍研究的是燃料電池中具有最 高電力密度的高分子電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，Proton Exchange Membrane Fuel Cell，質(zhì)子交換膜燃料 電池)形態(tài)，因其具有較低的啟動(dòng)溫度，具有快速的發(fā)動(dòng)時(shí)間和快速的電力變換反應(yīng)時(shí)間。
[0005] 這種高分子電解質(zhì)膜燃料電池，包括：以氫離子移動(dòng)的固體高分子電解質(zhì)膜為中 心，在膜的兩邊粘貼了產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)的催化劑電極層的膜電極結(jié)合體(ME A: Membr an e Electrode Assembly，膜電極組件）；起到均勻地分布反應(yīng)氣體并傳遞已產(chǎn)生的電能的作用 的氣體擴(kuò)散層(GDL:Gas Diffusion Layer);用于維持多種反應(yīng)氣體及冷卻水的氣密性及 適當(dāng)結(jié)合壓的墊圈及結(jié)合機(jī)構(gòu)；及用于移動(dòng)多種反應(yīng)氣體及冷卻水的分離板（Bipolar Plate，雙極板）。
[0006] 利用這種單位電池構(gòu)成而組裝燃料電池組時(shí)，主要構(gòu)成部件即膜電極結(jié)合體與氣 體擴(kuò)散層的組合位于電池內(nèi)最里邊，膜電極組具有涂布催化劑的催化劑電極層，從而氧氣 和氫氣能在高分子電解質(zhì)膜的兩面進(jìn)行反應(yīng)，即具有陽(yáng)極(Anode)及陰極(Cathode)，在陽(yáng) 極及陰極所在位置的外部，層疊氣體擴(kuò)散層、墊圈等。
[0007] 氣體擴(kuò)散層的外側(cè)具有形成用于供應(yīng)反應(yīng)氣體(燃料即氫氣和作為氧化劑的氧氣 或空氣)并使冷卻水通過(guò)的流場(chǎng)(Flow Field)的分離板。
[0008] 以這種構(gòu)成為單位電池，層疊多個(gè)單位電池之后，在最外側(cè)結(jié)合用于支撐集電極 (Current Collector)、絕緣板及層疊電池的端板(End Plate)，在端板之間反復(fù)層疊單位 電池而結(jié)合，從而構(gòu)成燃料電池組。
[0009] 為了獲得實(shí)際車輛所需的電位，需按照所需的電位層疊單位電池，層疊單位電池 而形成燃料電池組(stack)。
[0010] 1個(gè)單位電池中產(chǎn)生的電位為約1.3V，例如，為了生成車輛驅(qū)動(dòng)所需的電力，串聯(lián) 層疊多個(gè)電池。
[0011] 另外，對(duì)于汽車所使用的燃料電池，穩(wěn)定性非常重要，因此需要正確及迅速的故障 診斷。
[0012] 作為燃料電池的診斷法，具有電池電壓測(cè)定法、ElS(Electrochemical Impedance Spectroscopy，電化學(xué)性阻抗譜)測(cè)定法、非線性回應(yīng)技法、電流切斷法等。
[0013] 這時(shí)，電池電壓測(cè)定法是測(cè)定構(gòu)成燃料電池組的所有電池的電壓而在一個(gè)以上的 電池與其他電池之間的電位差較大時(shí)，診斷為故障的方式。
[0014] 并且，EIS測(cè)定法是求系統(tǒng)型號(hào)的內(nèi)部參數(shù)的方式，改變頻率并輸入較小的交流電 流而測(cè)定輸出電壓并使用求得的阻抗。
[0015] 而且，非線性回應(yīng)技法是通過(guò)燃料電池系統(tǒng)型號(hào)的線性度判斷而診斷故障的方 式，與EIS測(cè)定法類似，通過(guò)輸入交流電流而測(cè)定輸出電壓，計(jì)算測(cè)定電壓的超高頻歪率而 判斷系統(tǒng)型號(hào)的線性度，由此診斷故障。
[0016 ]并且，電流切斷法是使燃料電池內(nèi)流通固定的電流后瞬間切斷該電流而在當(dāng)時(shí)電 壓變化下求得內(nèi)部電阻的方法。
[0017] 在此，雖然電池電壓測(cè)定法因監(jiān)測(cè)燃料電池的組內(nèi)所有電池的電池電壓，能夠正 確區(qū)分存在異常的電池，但汽車用燃料電池組由約400個(gè)以上的電池構(gòu)成，為了在電池上連 接線束而測(cè)定電壓，其構(gòu)成比較復(fù)雜，導(dǎo)致價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力低且可靠性低的問(wèn)題。
[0018] 并且，非線性度回應(yīng)技法相比電池電壓測(cè)定法，其系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，通過(guò)諧波分析診 斷輸出電壓的故障時(shí)，其演算仍然復(fù)雜，存在制作用于輸入的正弦波交流電流需要復(fù)雜的 控制及費(fèi)用的問(wèn)題。
[0019] 而且，EIS測(cè)定法、電流切斷法及非線性回應(yīng)技法是向燃料電池注入或吸入特定電 壓/電流的方式，因改變?nèi)剂想姵氐臓顟B(tài)，車輛運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)較難，會(huì)影響燃料電池運(yùn)轉(zhuǎn)及性 能。
[0020] 本發(fā)明的【背景技術(shù)】已公開(kāi)于韓國(guó)公開(kāi)專利公報(bào)第10-2014-0085802號(hào)（公開(kāi)日： 2014.07.08)的"用于診斷燃料電池組的狀態(tài)的阻抗測(cè)定方法及系統(tǒng)"。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] (要解決的技術(shù)問(wèn)題）
[0022] 本發(fā)明為了解決所述問(wèn)題點(diǎn)而提出，本發(fā)明的目的在于提供一種用于燃料電池診 斷的阻抗測(cè)定裝置及其方法，監(jiān)測(cè)流經(jīng)負(fù)載的電流而在變動(dòng)設(shè)定值以上時(shí)，對(duì)燃料電池組 的電流及電壓進(jìn)行采樣，并在采樣周期之間同時(shí)實(shí)施頻率分析，不僅能夠縮短采樣結(jié)束后 用于頻率分析的額外時(shí)間，還能減少額外的電流注入回路。
[0023](解決問(wèn)題的手段）
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一方面的用于燃料電池診斷的阻抗測(cè)定裝置，包括：電流測(cè)定部，測(cè) 定從燃料電池組流經(jīng)負(fù)載的電流；電壓測(cè)定部，測(cè)定燃料電池組的電壓;及演算部，監(jiān)測(cè)由 電流測(cè)定部測(cè)定的電流的變動(dòng)狀態(tài)并對(duì)燃料電池組的電流及電壓進(jìn)行采樣，每次采樣時(shí)實(shí) 施頻率分析演算，根據(jù)已分析頻率的燃料電池組的電壓及電流而演算阻抗。
[0025] 本發(fā)明，演算部，接收由電流測(cè)定部測(cè)定的且從燃料電池組流經(jīng)負(fù)載的電流，根據(jù) 判斷電流的變動(dòng)狀態(tài)的周期，當(dāng)前輸入的當(dāng)前電流與之前周期輸入的之前電流的差異為設(shè) 定值以上時(shí)，對(duì)燃料電池組的電流及電壓進(jìn)行采樣。
[0026] 本發(fā)明，演算部，對(duì)一個(gè)或兩個(gè)頻率實(shí)施頻率分析演算。
[0027] 本發(fā)明，演算部，對(duì)燃料電池組的電流及電壓進(jìn)行采樣，且每次采樣時(shí)，合計(jì)已實(shí) 施頻率分析演算的結(jié)果與之前結(jié)果。
[0028] 本發(fā)明，演算部對(duì)燃料電池組的電流及電壓進(jìn)行采樣，且每次采樣時(shí)，按步驟執(zhí)行 DFT(Discrete Fourier Transform)變換而實(shí)施頻率分析演算。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面的用于燃料電池診斷的阻抗測(cè)定方法，包括:演算部從電 流測(cè)定部接收從燃料電池組流經(jīng)負(fù)載的電流的步驟;演算部判斷已輸入的電流的變動(dòng)狀態(tài) 的步驟;演算部根據(jù)電流的變動(dòng)狀態(tài)，按照設(shè)定的采樣數(shù)，對(duì)燃料電池組的電流及電壓進(jìn)行 采樣，且每次采樣時(shí)，實(shí)施頻率分析演算的步驟;及演算部完成采樣后，基于已分析頻率的 燃料電池組的電流及電壓而演算燃料電池組的阻抗的步驟。
[0030] 本發(fā)明，判斷電流的變動(dòng)狀態(tài)的步驟中，演算部接收由電流測(cè)定部測(cè)定的、從燃料 電池組流經(jīng)負(fù)載的電流，根據(jù)判斷電流的變動(dòng)狀態(tài)的周期，將當(dāng)前輸入的當(dāng)前電流與之前 周期輸入的之前電流的差異與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷電流的變動(dòng)狀態(tài)。
[0031 ]本發(fā)明，實(shí)施頻率分析演算的步驟，對(duì)一個(gè)或兩個(gè)頻率實(shí)施頻率分析演算。
[0032] 本發(fā)明，實(shí)施頻率分析演算的步驟，演算部對(duì)燃料電池組的電流與電壓進(jìn)行采樣， 且每次采樣時(shí)，合計(jì)已實(shí)施頻率分析演算的結(jié)果與之前結(jié)果。
[0033] 本發(fā)明，實(shí)施頻率分析演算的步驟，演算部對(duì)燃料電池組的電流及電壓進(jìn)行采樣， 且每次采樣時(shí)，按步驟執(zhí)行DFT(Discrete Fourier Transform)變換而實(shí)施頻率分析演算。
[0034] (發(fā)明的效果）
[0035] 根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池診斷的阻抗測(cè)定裝置及其方法，監(jiān)測(cè)流經(jīng)負(fù)載的電流 而在變動(dòng)設(shè)定值以上時(shí)，對(duì)燃料電池組的電流及電壓進(jìn)行采樣，并在采樣周期之間同時(shí)實(shí) 施頻率分析，不僅能夠縮短采樣結(jié)束后用于頻率分析的額外時(shí)間，還能減少額外的電流注 入回路。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1是呈現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的燃料電池組的負(fù)載狀態(tài)的電流變動(dòng)狀態(tài)的圖 表。
[0037] 圖2是呈現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的用于燃料電池診斷的阻抗測(cè)定裝置的模塊構(gòu) 成圖。
[0038] 圖3是呈現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的用于燃料電池診斷的阻抗測(cè)定裝置中阻抗測(cè) 定順序的圖表。
[0039]圖4是用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的用于燃料電池診斷的阻抗測(cè)定方法的流 程圖。
[0040] 符號(hào)說(shuō)明 [0041 ] 10:燃料電池組20:負(fù)載
[0042] 30:電流測(cè)定部40:電壓測(cè)定部
[0043] 50:演算部
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池診斷的阻抗測(cè)定裝置及其方 法。在此過(guò)程中，可能會(huì)有些夸張地圖示了附圖中的線條的厚度或構(gòu)成要素的大小等。并 且，后述的用語(yǔ)是考慮到在本發(fā)明中的功能而定義的，根據(jù)使用者、運(yùn)用者的意圖或慣例而 發(fā)生改變。因此，這些用語(yǔ)的定義應(yīng)以整個(gè)說(shuō)明書的內(nèi)容為基礎(chǔ)。
[0045] 圖1是呈現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的燃料電池組的負(fù)載狀態(tài)的電流變動(dòng)狀態(tài)的圖 表，圖2是呈現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的用于燃料電池診斷的阻抗測(cè)定裝置的模塊構(gòu)成圖， 圖3是呈現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的用于燃料電池診斷的阻抗測(cè)定裝置中阻抗測(cè)定順序的 圖表。
[0046] 如圖2所圖示，根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的用于燃料電池診斷的阻抗測(cè)定裝置，包 括:電流測(cè)定部30、電壓測(cè)定部40及演算部50。
[0047]電流測(cè)定部30測(cè)定從燃料電池組10流經(jīng)負(fù)載20的電流而提供到演算部50。
[0048]電壓測(cè)定部40測(cè)定燃料電池組10的電壓而提供到演算部50。
[0049] 演算部50監(jiān)測(cè)通過(guò)電流測(cè)定部30測(cè)定的電流的變動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)電流變動(dòng)設(shè)定值以上 時(shí)，對(duì)燃料電池組10的電流及電壓進(jìn)行采樣。
[0050] -般地說(shuō)，為