一种氢储能发电用燃料电池DC/DC系统及EIS检测方法技术方案

本发明专利技术提供一种氢储能发电用燃料电池DC/DC系统及EIS检测方法，具体包括：在含氢气储存系统的燃料电池电堆中，基于一种双向全桥变换器，利用电堆巡检装置、氢储能发电系统控制器和PWM驱动电路，实现信号采集、计算和实时控制，形成一种氢储能发电用燃料电池DC/DC系统。该DC/DC采用滑模控制和扩展移相控制，在实现电压匹配、功率双向传输以及确保系统安全稳定的运行基础上增强系统的鲁棒性、减小系统的损耗并提高系统的效率。在该DC/DC中注入不同频率的最大长度二进制序列信号，由输出电压激励待测电池，采集被激励电池的电压、电流数据，利用快速傅里叶变换对数据进行处理，估计多个频率点的阻抗信息，估计电化学阻抗谱，进一步可应用于电池故障的在线诊断。应用于电池故障的在线诊断。应用于电池故障的在线诊断。

【技术实现步骤摘要】
一种氢储能发电用燃料电池DC/DC系统及EIS检测方法


[0001]本专利技术涉及氢储能发电用燃料电池
，特别是一种氢储能发电用燃料电池DC/DC系统及EIS检测方法。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种能够把内部燃料的化学能直接转化为电能的化学装置，由于燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，所以排放物中的有害气体含量极少，被广泛应用于氢储能发电。燃料电池具有输出特性偏软和输出电压不稳的特性，所以在氢储能发电系统中，需要在燃料电池和直流负荷之间加一个DC/DC变换器，主要作用如下：
[0003](1)实现电压变换：对燃料电池的输出电压进行升压(降压)。
[0004](2)实现稳定电压：通过DC/DC的闭环控制系统对燃料电池的输出电压进行稳压。
[0005]所以，如何使氢储能发电用燃料电池的特性与DC/DC变换器的功能相匹配是氢储能发电系统的一个重要问题。同时，燃料电池在实际运行过程中会由于内部因素变化引起阻抗的变化，进而引发各种故障，此时需要通过DC/DC变换器检测燃料电池的电化学阻抗谱(ElectrochemicalImpedance Spectroscopy，EIS)，以根据燃料电池阻抗的变化情况得出故障原因。现如今很多检测燃料电池电化学阻抗谱的方法都需要使用较为昂贵的仪器设备，并且需要在实验室的环境下离线测量，需要较高的时间成本。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种氢储能发电用燃料电池DC/DC系统及EIS检测方法，实现氢储能发电用燃料电池的特性与DC/DC变换器的功能相匹配，同时通过在线检测获得燃料电池的EIS，以便对燃料电池进行在线故障诊断。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种氢储能发电用燃料电池DC/DC系统及EIS检测方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1，在氢储能发电用燃料电池DC/DC系统中建立双向全桥变换电路，该双向全桥变换电路中燃料电池电堆作为输入端，直流负荷作为输出端；
[0009]步骤2，该双向全桥变换电路采用滑模控制和扩展移相控制，经氢储能发电系统控制器控制后，燃料电池电堆通过双向全桥变换电路向直流负荷输出稳定的电压、电流；
[0010]步骤3，将不同频率的最大长度二进制序列作为激励信号注入到双向全桥变换电路控制回路中的电压参考值中，对待测的燃料电池电堆模型进行激励，由氢储能发电系统控制器对激励后的电压、电流信号进行采样；
[0011]步骤4，氢储能发电系统控制器采样得到电压、电流的数值以后，进行快速傅里叶变换，通过预先设置的算法计算得出每个扰动频率下的电池阻抗信息，在线测得一定频率范围内的燃料电池电化学阻抗谱。
[0012]在一较佳的实施例中，步骤1具体包括：
[0013]建立的双向全桥变换电路包括：由开关管S1～S4组成的原边全桥H1、由开关管S5～
S8组成的副边全桥H2、匝数比为n:1的高频变压器，由电感L和高频变压器组成的磁性网络链接H1和H2的交流端口、输入端的电容C1、输出端的电容C2和电感L
f
。
[0014]在一较佳的实施例中，步骤2具体包括：
[0015]双向全桥变换电路的滑模控制器U为：
[0016][0017]式中，k3＝L
f
C2ε、k4＝L
f
C2l；
[0018]为经过滤波电容C2的电流值，α1、α2和α3均为滑动系数，R为直流负荷的阻值，U
ref
为参考电压，U2为负载两端的电压，U1为燃料电池输入电压，k为电压误差的放大增益，S为滑模控制的滑模面，sgn(s)为符号函数，ε和l为指数趋近律的常数系数，且ε>0，l>0；
[0019]扩展移相控制下的双向全桥变换电路有两种工作模式，模式1为d>d1且d+d1<1，模式2为d<d1且d+d1<1，其中，d和d1分别为两H桥之间的移相比和内移相比，两种工作模式下DAB变换器的电感电流峰值为：
[0020][0021]式中，f为双向全桥变换电路的开关频率，为电压传输比。
[0022]在一较佳的实施例中，步骤3具体包括：
[0023]最大长度二进制序列信号可由n位反馈式移位寄存器产生，序列长度为N＝2
n
‑
1，幅值为a，时钟脉冲频率为f
c
，周期为第q个谐波的功率谱函数为：
[0024][0025]注入最大长度二进制序列信号后，燃料电池两端的电压、电流信号会含有交流阻抗信息，通过燃料电池电堆巡检装置对此信息进行收集，然后由氢储能发电系统控制器中的采样模块以频率f
s
采集燃料电池电堆巡检装置收集的电压、电流信息。
[0026]在一较佳的实施例中，步骤4具体包括：
[0027]在氢储能发电系统控制器中，对采样得到的燃料电池电压、电流信息进行快速傅里叶变换，获得不同扰动频率下含有实部和虚部的电压、电流信号，通过算法选取一定幅值以上的电流峰值点信号，并选取该电流峰值点频率对应的电压峰值点信号，对该频率下的电压、电流峰值点复信号进行处理运算，获得该频率下的复阻抗信息：
[0028][0029]式中，θ(f)为该频率下电压、电流的相位差，V
p
(f)为该频率电压峰值点幅值，I
p
(f)为该频率电流峰值点幅值，R为复阻抗实部，X为复阻抗虚部。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0031]1.本专利技术采用一种双向全桥型DC/DC变换器，以电压转换比与传输功率为条件分多段分别对电流应力与回流功功率优化，实现减小氢储能发电系统的损耗、提高系统的效率，并将此拓扑应用于发电用燃料电池EIS的在线检测；
[0032]2.该双向全桥变换器的闭环控制、燃料电池EIS在线检测以及燃料电池电堆巡检装置共用同一个控制器，实现功能集成，拓展了双向全桥变换器的功能与应用范围；
[0033]3.该双向全桥变换器采用滑模控制和扩展移相控制，能够在增强系统鲁棒性的同时提高燃料电池特性和DC/DC匹配程度，同时消除突变电流造成电压尖峰对开关器件的影响，保护开关器件；
[0034]4.本专利技术通过双向全桥变换器向燃料电池电压参考值中注入不同频率的最大长度二进制序列信号，具有工作可靠、简化计算、降低技术成本等优点，在一定的采集周期内获得多个频率下的复阻抗信息，得到一定频率范围内的EIS，且电池无需脱离工作状态，即可便捷地在线检测电池EIS，进一步还可应用于电池故障诊断。
附图说明
[0035]图1为本专利技术优选实施例的系统架构图；
[0036]图2为本专利技术优选实施例中采用扩展移相控制策略后，输出电压不变负载阻值改变时，双向全桥变换电路电感电流的峰值；
[0037]图3为本专利技术优选实施例中闭环控制采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢储能发电用燃料电池DC/DC系统及EIS检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在氢储能发电用燃料电池DC/DC系统中建立双向全桥变换电路，该双向全桥变换电路中燃料电池电堆作为输入端，直流负荷作为输出端；步骤2，该双向全桥变换电路采用滑模控制和扩展移相控制，经氢储能发电系统控制器控制后，燃料电池电堆通过双向全桥变换电路向直流负荷输出稳定的电压、电流；步骤3，将不同频率的最大长度二进制序列作为激励信号注入到双向全桥变换电路控制回路中的电压参考值中，对待测的燃料电池电堆模型进行激励，由氢储能发电系统控制器对激励后的电压、电流信号进行采样；步骤4，氢储能发电系统控制器采样得到电压、电流的数值以后，进行快速傅里叶变换，通过预先设置的算法计算得出每个扰动频率下的电池阻抗信息，在线测得一定频率范围内的燃料电池电化学阻抗谱。2.根据权利要求1所述的一种氢储能发电用燃料电池DC/DC系统及EIS检测方法，其特征在于，步骤1具体包括：建立的双向全桥变换电路包括：由开关管S1～S4组成的原边全桥H1、由开关管S5～S8组成的副边全桥H2、匝数比为n:1的高频变压器，由电感L和高频变压器组成的磁性网络链接H1和H2的交流端口、输入端的电容C1、输出端的电容C2和电感L
f
。3.根据权利要求1所述的一种氢储能发电用燃料电池DC/DC系统及EIS检测方法，其特征在于，步骤2具体包括：双向全桥变换电路的滑模控制器U为：式中，k3＝L
f
C2ε、k4＝L
f
C2l；为经过滤波电容C2的电流值，α1、α2和α3均为滑动系数，R为直流负荷的阻值，U
ref
为参考电压，U2为负载两端的电压，U1为燃料电池输入电压，k为电压误差的放大增益，S为滑模控制的滑模面，sgn(s)为符号...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚雄，梁非凡，林良光，欧凯，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：