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專利名稱：燃料電池電壓衰減快速測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于清潔能源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及關(guān)于質(zhì)子交換膜燃料電池的耐久 性、壽命評價技術(shù)以及燃料電池的優(yōu)化控制和管理的一種燃料電池電壓衰減快速 測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
實際應(yīng)用中，燃料電池產(chǎn)品通常是需要將多個單片燃料電池單元串聯(lián)起來，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為多個單片層疊裝配成為一個整體，稱為電堆(fuel cell stack), 單片通常串聯(lián)起來，共用一套燃料入口出口及冷卻水入口出口。電堆的輸出電流 從電堆兩端的單片引出。電堆的電壓則等于串聯(lián)的各個單片電壓之和。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計及可靠性等理論可知，通常多個樣本的統(tǒng)計量更接近真實的總 體分布情況。在對某種類型或者批次燃料電池的耐久性測試中，也就是說需要對 多個燃料電池樣本，通常也就是多個電堆，進行試驗，才可得到具有一定置信度 的此類型或批次燃料電池耐久性評價結(jié)論?；诔Ｒ?guī)的燃料電池試驗臺，多個樣本的試驗，可以有兩種做法要么對于 多個樣本逐個進行測試；要么多個試驗臺對多個電堆樣本同時進行測量。前者測 試周期拖得很長；后者需要多個燃料電池試驗臺，需要給每個樣本配備相應(yīng)的測 試系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、氣體控制系統(tǒng)、負(fù)載控制系統(tǒng)等模塊，成本很高。典型的燃^[電池的可靠性、耐久性/壽命試驗，具有如下特點破壞性試驗，多個樣本的破壞，需要的成本很高；試驗周期很長，特別是隨著技術(shù)的進步，總是希望把耐久性和壽命做得更長、 可靠性做得更高，同樣試驗條件下，這樣破壞試驗的周期也就越來越長。長時間的破壞性試驗中，試驗系統(tǒng)的損耗、實驗耗費的燃料和電力等非常多。 對于清華大學(xué)引進的加拿大GreenLight燃料電池試驗系統(tǒng)配備5kW燃料電池， 目前每天4 8小時試驗燃料和材料費用需要300 500元，100小時的試驗材料 費好幾千元。目前燃料電池壽命則可達到幾千到幾萬小時。整個試驗周期的花費會非常高 卬o綜上所述，在短時間內(nèi)完成燃料電池的可靠性、耐久性或壽命試驗等工作， 對于燃料電池的開發(fā)、使用、在線優(yōu)化控制管理、故障診斷等工作具有重要意義。 研究并改進試驗測試方法，新的試驗裝置就很有必要，本發(fā)明目的就是為燃料電 池的快速測試和評價提供新的方法，也可用于其它類型電池的快速測試。為了評價燃料電池的耐久性，可以通過燃料電池輸出電壓的衰減來推斷。燃 料電池隨著時間，輸出能力會降低，表現(xiàn)在，給定的負(fù)載電流和工作條件下，電 壓會隨著工作時間而慢慢降低，或者在給定的電壓下，輸出電流的能力會降低， 也就是輸出功率降低，同時效率也在降低，當(dāng)輸出能力降低到一定程度的時候， 提供的電力將無法驅(qū)動負(fù)載正常工作，或者效率降低使得經(jīng)濟性變得不劃算了， 或者故障頻發(fā)，維修不劃算，并帶來安全性問題。這個時候，就認(rèn)為燃料電池該 壽終正寢了。這樣評價燃料電池的正常工作時間或者耐用程度的指標(biāo)，稱為耐久 性或者壽命。可見，通過檢測燃料電池輸出電壓的變化，可以來判斷評價燃料電 池的耐久性和壽命。燃料電池電壓測量方面，傅明竹、胡里清先生的專利CN1480741中，設(shè)計了 一種燃料電池各單電池工作電壓監(jiān)控與安全報警的裝置，采用單片機控制開關(guān)巡 回選通將某一個需監(jiān)控的單電池電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器，直接進行采集。加拿大N A 弗里曼；S 馬西；R B 戈帕爾先生的專利CN1643390中，測 量燃料電池電壓的方法是采用差分放大器直接跨接在電化學(xué)裝置的電池之間的 多個測量點上的多個輸入端，用來產(chǎn)生指示測量電壓的電壓信號。王立明；付明竹;葛栩栩；胡里清等專利CN1841080中，將若干差分放大器與 需要監(jiān)測的單電池一一對應(yīng)連接，每個單片用一個差分放大器測量電壓，累加單 片電壓則可得到燃料電池電堆的總電壓。清華大學(xué)方成、許家群、李建秋、歐陽明高等發(fā)明的一種車用燃料電池堆單 片電壓監(jiān)測裝置，采用方法是電阻分壓電路的輸入端分別與被測的燃料電池堆各 單電池連接，其輸出端連接至多路開關(guān)電路的輸入端；差分運放與A/D轉(zhuǎn)換電路 的輸入端與多路開關(guān)電路的輸出相連接。李中；劉蒙;盧蘭光;李建秋;歐陽明高
等發(fā)明的另一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測裝置，采用光耦選通電路分別選通各 單片電池兩端的電勢，實現(xiàn)對單個單片電池電壓的直接測量，并解決電勢積累的 問題，采用64個雙通道光耦隔離繼電器作為選通元件，共選通124個單片電壓; 隔離電路用于燃料電池信號選通電路與單片機信號處理電路之間的隔離，防止燃 料電池的電環(huán)境對單片機電路的干擾。以上發(fā)明中的燃料電池電壓測量方法，基本均可以歸結(jié)為對于單片電壓或者 電堆電壓的測量。利用上述裝置，如果要用于耐久性試驗，則要通過測量前后若 干時間點的輸出電壓，來間接獲得輸出電壓的衰減。微小的燃料電池運行輸出電壓衰減疊加在幅度很大的開路輸出電壓上。其缺 點是在較大的量程下，分辨率/精度/穩(wěn)定性等難以做到很高，如果要提高性能， 成本會急劇上升。燃料電池工作中，溫度、濕度、壓力、流量、流場中的瞬態(tài)現(xiàn)象、積水、持 續(xù)工作時間等對于燃料電池的輸出均有影響，這些影響也往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短期運行 試驗內(nèi)的燃料電池性能衰減，使得運行試驗時間不得不大大延長，方可確定性能 衰減的量。如果要快速獲得燃料電池的性能衰減，則也需要除去這部分影響。木發(fā)明則要提出一種差分原理的快速電壓衰減測試方法，基于此原理的一些 實施例將測量范圍較大的輸出電壓變?yōu)闇y量范圍較小的電壓或電壓衰減，來完成 燃料電池電壓衰減的快速精密測試。基于本方法的一些實施例則還可以部分或者 全部削減工作狀態(tài)波動帶來的不利影響。從而得到可以縮短試驗時間的快速耐久 性試驗評價方法?；诒痉椒ǖ牧硪恍嵤├瑒t還可以通過電池進行調(diào)制來消 除靜態(tài)測量下的零點漂移等影響。本文所示方法和裝置，也不局限于應(yīng)用在耐久性/壽命評價中，也可以用于 燃料電池輸出電壓的精密測量。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池電壓衰減快速測量方法及裝置。其特征在 于，所述燃料電池電壓衰減快速測量方法是(1)選定電壓衰減和功率衰減為表征燃料電池壽命/耐久性的物理量，其中 功率通過電壓和電流間接得到；從而減小了待測電壓區(qū)間，并且消除、減小復(fù)雜 的未知的因素的影響；(2) 在系統(tǒng)前級將測量對象從單片或者電堆的輸出電壓，變換為單片或者 電堆的輸出電壓的衰減或者相對衰減，而直接測量輸出電壓衰減，這樣既可減小 工作狀態(tài)差異的影響、又可減小測量的動態(tài)范圍，并且達到減輕對于測量系統(tǒng)后級精度要求的目的，后級則可采用常規(guī)的精密放大器、模擬開關(guān)；(3) 測試裝置中在待測燃料電池測試電路中設(shè)置參考電池分路，然后各自的輸出電壓送至差分放大器的同相和反相輸入端，差分放大器的輸出經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn) 換后送入微處理器進行進一步處理，即得到待測燃料電池電壓衰減和功率衰減， 從而評價燃料電池壽命/耐久性。所述待測電池的輸出電壓為初始電壓減去隨著工作時間而衰減的電壓，參考 電池電壓相當(dāng)于相同的初始電壓，待測電池的電壓減去參考電池或電壓源的電壓 之差可以通過量程很小的電壓儀表測得，那么測量的對象也就從燃料電池的電壓 變換為測量燃料電池的電壓衰減。所述參考電池為基準(zhǔn)電壓、電壓源、或者計算機控制的受控電壓源。所述燃料電池電壓衰減快速測量的流程如下1) 準(zhǔn)備特性相同或接近的兩電池，分別用作待測電池和參考電池；2) 待測電池在實際或更惡劣工作條件下考核運行，累計工作時間K，參考電池直接在恒定穩(wěn)態(tài)工作條件下運行或者靜置相同的時間&3) 開始測試運行，待測電池、參考電池同步運行至穩(wěn)態(tài)，保持足夠的時間， 以減小歷史狀態(tài)不同帶來的可逆的性能波動；4) 在時刻"測量待測電池、參考電池輸出電壓之差A(yù)w(X，r,;c)，即得到近 似的待測電池電壓衰減測量值。可反復(fù)多次測量",(X,r,x)，取平均來提高精度， 得到較準(zhǔn)確的&(X，r,;c);5) 是否扣除參考電池的衰減，如果扣除，則執(zhí)行步驟6，如果不扣除，則執(zhí)行歩驟7后結(jié)束； 6) 扣除參考電池電壓衰減，參考電池電壓衰減規(guī)律"w(《，7;,x)可根據(jù)試驗或者文獻近似確定，對上述待測電池衰減的近似測量值進行補償，進一步提高精度;7) 如果不扣除參考電池電壓衰減，兩電池差即為累計工作時間7力在Z工況 考核下的待測電池的電壓衰減；8) 兩電池差中扣除參考電池電壓衰減，兩電池差即為累計工作時間7內(nèi)在J 工況考核下的待測電池電壓衰減；執(zhí)行步驟9;9) 重復(fù)上述步驟，分別在累計考核工作時間r=r。， 7]，……7;進行上述測量，獲得上述時間點的待測電池電壓衰減&(X,r。，jc)，如需較為準(zhǔn)確地確定待測燃料電 池電壓衰減函數(shù)曲線或預(yù)測電池壽命，則執(zhí)行步驟10;如果不需要獲得多個時間 點的待測電池電壓衰減，則返回步驟2，繼續(xù)進行。10) 對于待測電池電壓衰減數(shù)據(jù)U， ^(U。,;c))， (71， zUU"x))，…，，進行曲線擬合，結(jié)束。所述燃料電池電壓衰減快速測量裝置，所述待測燃料電池測試電路和參考電池分路的連接方式相同，包括電池反接差分放大方式和電橋方式；然后待測燃料電池測試電路和參考電池分路的輸出分別接到差分放大器的同相和反相輸入端，差分放大器的輸出連接微處理器。所述電池反接差分放大方式為在待測燃料電池測試電路和參考燃料電池分 路中，在各電池上并聯(lián)有負(fù)載電阻，兩種電池的負(fù)端相連后接地；待測電池的正 極接差分放大器的同相輸入端；參考燃料電池的正極接差分放大器的反相輸入 端，差分放大器的輸出連接微處理器。所述電橋方式的電橋的結(jié)構(gòu)是在待測燃料電池301正負(fù)極上并聯(lián)第一負(fù)載電 阻303，然后橋臂電阻R1、 R2串聯(lián)后并接在待測燃料電池301正負(fù)極上，在參考 電池302正負(fù)極上并聯(lián)第二負(fù)載電阻304，然后橋臂電阻R3、 R4串聯(lián)后并接在參 考電池302正負(fù)極上，然后待測燃料電池301正極、參考電池302正極、橋臂電 阻R2和橋臂電阻R4連接在一起后接地；橋臂電阻R1和橋臂電阻R2加結(jié)點接差 分放大器305的同相輸入端，橋臂電阻R3和橋臂電阻R4的結(jié)點接差分放大器305
的反相輸入端，差分放大器305的輸出連接微處理器306。所述電橋方式的電橋的結(jié)構(gòu)是待測燃料電池301負(fù)極、橋臂電阻R1、 R2串 聯(lián)，然后第一負(fù)載電阻303再并聯(lián)在該串聯(lián)電路兩端；參考電池302負(fù)極、臂電 阻R3、 R4串聯(lián)，然后第二負(fù)載電阻304再并聯(lián)在該串聯(lián)電路兩端；然后第一負(fù) 載電阻303、橋臂電阻R2、第二負(fù)載電阻304和橋臂電阻R4連接在一起后接地; 橋臂電阻Rl和橋臂電阻R2的結(jié)點接差分放大器305的同相輸入端，橋臂電阻R3 和橋臂電阻R4的結(jié)點接差分放大器305的反相輸入端，差分放大器305的輸出 連接微處理器306。所述電橋各個臂采用電阻構(gòu)成，或采用電阻、電容、電池、可控電壓源的組合。所述電橋的平衡指示由放大器+微處理器來實現(xiàn)，或由微伏計來實現(xiàn)。 本發(fā)明的有益效果是不需要專門開發(fā)相關(guān)的測試系統(tǒng)，只需要附加簡單的測 試模塊即町，造價低；試驗條件與實際使用條件相符，也就沒有工作條件不符帶 來的估計誤差?？梢栽谡＿\行條件下測試，或者短期的加速試驗條件下，不需 要破壞昂貴的燃料電池或者破壞較小的情況下即可得到常規(guī)需要完全破壞才能 獲得的結(jié)果。


。圖1為燃料電池的電壓衰減曲線圖。圖2為縮小量程的基本原理圖。圖3為反接差分放大方式電池測試電路示意圖。圖4 圖5為電橋方式電池測試電路示意圖。圖6所示為燃料電池電壓衰減快速測量的流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供一種燃料電池電壓衰減快速測量方法及裝置。燃料電池壽命/耐 久性試驗可以沿著三種思路進行。常規(guī)壽命/耐久性試驗方法，燃料電池工作于 正常使用條件下的長時間觀察來得到燃料電池耐久性的變化規(guī)律?？梢赃x擇燃料 電池的輸出電壓/輸出功率/輸出電流來評價燃料電池耐久性。正常使用條件下，
隨著燃料電池的日益改進，也許經(jīng)過十幾天乃至幾十天的試驗和使用，依然無法 檢測到明顯的性能衰退。要得到衰減規(guī)律，整個試驗也許就需要大半年乃至一二 年時間?？梢姡@種方法缺點很明顯，無法滿足對于燃料電池研發(fā)和使用中的需 求，因為人們總是期望在幾天乃至幾個月內(nèi)知道改進后的產(chǎn)品，可靠性如何、耐 久性如何，而不是幾年后。通過加速試驗來加劇燃料電池性能的衰減過程，使得短時間內(nèi)電池性能衰減 變化顯著增加，就可以容易測量了，從而縮短測試時間。加速試驗采用比實際使 用惡劣得多的試驗條件，來加速電池性能的衰退乃至破壞。通常需要特制的加速 試驗系統(tǒng)，缺點系統(tǒng)造價很高，且與實際使用條件不太相符，壽命和耐久性估 計有一定的誤差。需要多個樣本，試驗成本也很高。燃料電池在正常的工作或試驗情況下，輸出電壓的衰減等表征燃料電池性能 衰減的量需要通過較長時間的工作方可測得。對于單片PEMFC燃料電池，空載開路電壓大于1V，正常工作時的電壓0.6 0.7V，可以選擇量程1V，燃料電池的衰減，穩(wěn)態(tài)下已經(jīng)可以達到O. lyV/h，動態(tài) 范圍107倍，140dB，用二進制表示23.3位。如圖1所示，直接測量電壓，測量系統(tǒng)輸入端所需的量程(101)比較大。一般放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍有限，量程、失調(diào)、增益誤差、溫漂、 長期漂移、噪聲等指標(biāo)難以兼顧。失調(diào)、噪聲、溫度漂移和長期漂移往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)大 于每個小時乃至幾天燃料電池的衰減，且后續(xù)電路和系統(tǒng)很難分離。所以一般的 需要較長時間的試驗來加大衰減的量。如果要測得前述的1小時試驗的衰減量， 需要非常精密的測試系統(tǒng)，至少24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)才能勉強測得。10小時 的衰減量，采用這樣高精密的測試系統(tǒng)誤差也有10%。而且高精度放大器、模擬 開關(guān)、24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、系統(tǒng)布線等均需要特別設(shè)計、技術(shù)難度比較高，構(gòu)成的 系統(tǒng)等會非常昂貴。本發(fā)明選定的燃料電池壽命Z耐久性的表征物理量為燃料電池電壓衰減/功 率衰減。功率通過電壓和電流間接得到；減小了待測電壓區(qū)間，并且消除、減小 復(fù)雜的未知的因素的影響。
系統(tǒng)前級，將測量對象從單片或者電堆的輸出電壓，變換為單片或者電堆的 輸出電壓的衰減或者相對衰減。通過直接測量輸出電壓衰減，而非輸出電壓，這 樣既可減小工作狀態(tài)差異的影響、又可減小測量的動態(tài)范圍，并且達到減輕對干 測量系統(tǒng)后級精度要求的目的，后級則可采用常規(guī)的精密放大器、模擬開關(guān)、10 14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器等?？梢娺@是比較合理的方法。為了精確測量燃料電池電壓的衰減，可以將輸出電壓減去固定的一個電壓 (如圖l的104所示)，留下部分，從而減小測量的范圍(如圖l的102所示)。實現(xiàn)的原理如圖2所示，待測電池(201)的電壓減去參考電池或電壓源(202) 的電壓。待測電池的輸出電壓相當(dāng)于初始電壓減去隨著工作時間(如圖l的103 所示)而衰減的電壓，參考電池電壓相當(dāng)于相同的初始電壓。則兩者之差可以通 過量程很小的電壓儀表(203)測得。那么測量的對象也就從燃料電池的電壓變 換為測量燃料電池的電壓衰減了 。為此，可以為待測燃料電池配備用作參考的電池或者裝置，此電池或者裝置 用于提供固定的或者變化電壓用來抵消待測燃料電池中與性能衰退無關(guān)的電壓 分量。這樣的電池或者裝置可以是燃料電池與電壓基準(zhǔn)、電壓源、其它電池、或 者計算機控制的受控電壓源等。如果僅僅縮小量程，還不能充分消除測量的誤差?？疾煲幌拢剂想姵毓ぷ鞯奶攸c燃料電池中電化學(xué)反應(yīng)生成水、有水淹的問題，影響反應(yīng)物質(zhì)的供應(yīng)速度以及化學(xué)反應(yīng)的分布；燃料電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)以及電流通過內(nèi)阻生成熱；既受到 內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的影響，也受到負(fù)載變化影響，還受到增濕、溫度管理、散熱等因 素的影響；開機、或者負(fù)載變化等都要有一個較長的溫度、濕度、流量、壓力等的復(fù)雜 的動態(tài)平衡過程，在此過程中伏安特性表現(xiàn)為較顯著的波動，燃料電池城市客車 的測試數(shù)據(jù)反應(yīng)了實際工作中這種情況。下午的性能也許比上午的性能好，若干 天后的某次測試也許性能比上次測試的性能好。既然燃料電池內(nèi)部的工作狀態(tài)很難精確保持在給定的恒定狀態(tài)。也就是說很 難讓燃料電池保持在一個非常精確的給定狀態(tài)讓我們測量并比較其電壓或者電 壓衰減。那么這就必然存在很大的誤差。這種誤差是我們假設(shè)外部條件相同的情況下得出的，實際的外部條件存在控 制誤差，內(nèi)部狀態(tài)則更是存在較大的差異。表現(xiàn)出來可以歸納為不確定性、時變 特性。短時間內(nèi)的這些變化，實際上是可逆的變化，而燃料電池衰減變化是不可 逆的?？梢詫r間尺度不同、可逆不可逆的電壓變化分開表示。對于在工況Z下，累計考核工作時.間r的待測電池，考核結(jié)束后，進入穩(wěn)態(tài) 工況。其輸出電壓是工作條件7、累計工作時間7以及進入穩(wěn)態(tài)工況后的持續(xù)時 間^的函數(shù)。假設(shè)在t時刻，待測燃料電池處于某個設(shè)定的平衡狀態(tài)(假設(shè)t此 前的可逆變化可以忽略)。在工況I下累計工作時間r的待測電池，觀U試開始后的"寸刻(《〈T)，在設(shè) 定工作條件義下待測電池的輸出電壓為"(U,;c,r)?？梢苑纸鉃閮纱蟛糠?lt;formula>formula see original document page 13</formula>式中-w為待測電池的輸出電壓；^與衰減無關(guān)的部分，^僅與衰減有關(guān)的部分； 7為工況I下累計考核運行的工作時間；/為考核運行時的工況，按照工況確定的隨著時間變化的燃料電池工作條件， 包括輸出電流、氫氣壓力、氧氣/空氣壓力、氫氣濕度、氧氣/空氣濕度、電堆溫 度、氫氣過量系數(shù)、氧氣/空氣過量系數(shù)等等；A為測試工況的目標(biāo)設(shè)定值(基準(zhǔn)測試條件)，工況對于電壓輸出影響很大， 只有給定統(tǒng)一的基準(zhǔn)工作條件，電壓衰減的測量比較才有意義；x為測試時工況 的實際值(實際測試條件)；A力為測試條件義(實際值)與基準(zhǔn)測試條件(目標(biāo) 值)為之間存在的誤差，x = x。 + Ax。。測試時的工況包括輸出電流、氫氣壓力、氧 氣/空氣壓力、氫氣濕度、氧氣/空氣濕度、電堆溫度、氫氣過量系數(shù)、氧氣/空 氣過量系數(shù)等等參數(shù)； t為電壓取樣測量的時刻，也是從考核運行結(jié)束到電池內(nèi)部達到狀態(tài)X的時間。公式(l)表示，^時刻待測電池的輸出電壓，分解為兩部分，第一部分為與衰減無關(guān)的部分"。(x,r，;c力，也就是說與長期的累計考核工作時間r基本無關(guān)，當(dāng)Z也足夠長，與過去較早時間的工況關(guān)系也不大，但與當(dāng)前狀態(tài)x以及誤差A(yù)義。有 關(guān)，可以近似為 (x力，測試條件Px。+Ax。， A的誤差及波動較大，幅值較大， 變化范圍也較大；第二部分為燃料電池的衰減^(X,r,x,0，幅值很小，變化范圍 也較小。衰減相對來說很慢的，測試時間《〈累計工作時間7，另外測試工況對 于電池衰減的影響遠(yuǎn)小于考核工況，故測試時間t內(nèi)的衰減可以忽略。故可以簡化為^(z,r，"。又因前者實際工作/測量條件x和基準(zhǔn)測量條件為很難保持一致，故上述兩部分又各自可分兩部分。前者，衰減無關(guān)的部分包含為與基準(zhǔn)測量條件下》 的輸出電壓"。,(x。力，實際測量條件^下的輸出電壓和基準(zhǔn)測量條件力下的輸出電 壓之差^(x。，Ax。力，包含當(dāng)前狀態(tài)的影響，又有歷史狀態(tài)的累積影響，隨著時間 的推移，新近狀態(tài)的影響不斷出現(xiàn)，早期狀態(tài)的影響逐漸趨向于O,也就是包含 有連續(xù)不斷的可逆電壓變化；后者，衰減部分包含為基準(zhǔn)測量條件下X。的輸出電壓測得的衰減 M,,(X，r，;c。)，實際測量條件x下測得的輸出電壓衰減和基準(zhǔn)測量條件；r。下，得的輸出電壓衰減之差^(U，x。，Ax。)。其中^(x,r,x。)為真正想測量的量?？梢?，如果直接一個燃料電池測量前后的電壓用以確定衰減，則其中多出來了三項干擾，測試時的工作狀態(tài)不準(zhǔn)確的干擾w。2k,ax。")， &2(足7>。,&。)，時變因素帶來的干擾^(:c。,/)、 ^(x。,Ax。力中與時間有關(guān)的部分；以及量程放大而引入的測量誤差，微小的待測量^(x，r,x。)上疊加了幅度大了若干個數(shù)量級的短期內(nèi)的反應(yīng)物質(zhì)分布、水熱分布等狀態(tài)變化波動及平衡過程，這些既有時 變特性也有隨機特性的因素給燃料電池的輸出也帶來了相應(yīng)的影響。和燃料電池不可逆衰減量混疊在一起。所以，真實的不可逆衰減量不易測準(zhǔn)，如果據(jù)此來估 計壽命，則誤差必然很大，如果延長工作時間來增大這個不可逆衰減量，以減小 燃料電池不可逆衰減量測量誤差，則試驗周期會大大延長。這么復(fù)雜規(guī)律變化的干擾，并不容易通過電腦進行濾除，效果也非常有限。 在源頭上提高精度應(yīng)是最有效的途徑。故期望在源頭上消除干擾，考慮引入測試 的時候同步工作的參考電池來解決問題。類似地，參考燃料電池的輸出電壓，同樣也包含上述兩部分以及4個分量<formula>formula see original document page 15</formula>式中仏為參考電池的輸出電壓；",。與衰減無關(guān)的部分，^僅與衰減有關(guān)的部分；y;為累計運行的工作時間；x為運行時的工況，通常直接以性能下降最小的儲存條件靜置或工作條件工 作，包括輸出電流、氫氣壓力、氧氣/空氣壓力、氫氣濕度、氧氣/空氣濕度、電 堆溫度、氫氣過量系數(shù)、氧氣/空氣過量系數(shù)等等；z為實際測試條件，也包括輸出電流、氫氣壓力、氧氣/空氣壓力、氫氣濕度、 氧氣/空氣濕度、電堆溫度、氫氣過量系數(shù)、氧氣/空氣過量系數(shù)等等；x。為基準(zhǔn)測量條件，當(dāng)要進行衰減測量的時候，就選取這一給定的工作條件，作為比較電壓衰減的基準(zhǔn)參數(shù)。典型的，比如可以選擇額定功率或者額定功率的50%等等；A;r。實際測試條件與基準(zhǔn)測試條件之間存在誤差，x = x。+Ax。； t為給定的平衡狀態(tài)到電壓取樣測量時的時間；如果我們選擇的參考燃料電池，短時間內(nèi)的特性與待測燃料電池的短時間特 性相同，則公式(2)可表示為<formula>formula see original document page 15</formula>那么，兩個燃料電池電壓之差<formula>formula see original document page 16</formula>(4)可見，參考燃料電池，短時間內(nèi)的特性與待測燃料電池的短時間特性相同， 則短時間內(nèi)的波動即可抵消。剩下的是反映衰減特性的部分。測試階段兩電池的衰減很慢，測試時間t遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于考核時間T，故兩者的衰減均較小且兩者的衰減規(guī)律接近，故測試階段的衰減之差可以忽略。工作于穩(wěn)態(tài)的參考電池的衰減速率通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于考核狀態(tài)電池衰減速率，^(x，r,x)》^(A,j;,x)，故兩燃料電池之差，大約就等于待測電池在考核階段的衰減?？梢姳痉椒ㄖ苯拥玫降木褪强己诉\行時間r的電壓衰減值，引入的噪聲和干 擾較小，精度較高。而直接輸出電壓測量法則需要測量考核運行前后的輸出電壓 (動態(tài)范圍較大，不易測準(zhǔn)其中的衰減)，取其差值(電池在考核前后的工作狀 態(tài)很難保持一致，引入與衰減測量無關(guān)的干擾)，才得到考核時間內(nèi)的電壓衰減。 由于其機理上難以避免帶入較大的噪聲和干擾，故精度很低，或者需要通過大幅度延長考核時間來獲得衰減數(shù)據(jù)。也就是說可以借助于短時特性相同且于測量階段同步工作的參考燃料電池， 即可直接得到待測燃料電池的電壓衰減。當(dāng)然了，實際中不可能完全抵消，只能是大致抵消。由于制造、匹配、控制 的誤差，待測燃料電池和參考燃料電池必然包含實際工作狀態(tài)的差異，存在時變 特性的差異。其中，較長時間尺度的秒級 小時級的波動，通過匹配選擇合適的 參考電池或者其它方法補償，基本可以抵消。更短時間內(nèi)的波動，則主要是隨機 因素造成的，可以通過多次取樣測量，依據(jù)概率和統(tǒng)計方法進行消除。故此，得到對于參考燃料電池的要求 穩(wěn)態(tài)特性基本相同，如有差異將帶來測量誤差；水、熱、氣、負(fù)載、電化學(xué)的時間常數(shù)與待測燃料電池基本相同，電池特性越接近，則抵消干擾的效果也就越好；測量階段，控制兩電池同步工作，則兩電池狀態(tài)同步變化，故產(chǎn)生的擾動也 同步變化，就可以互相抵消。據(jù)上述方法，經(jīng)過若干次短時間的考核運行，并在其間依次測得若干電壓衰 減，即可描繪出其衰減曲線的片段，進行曲線擬合，即可確定本燃料電池衰減規(guī) 律及曲線參數(shù)。下面結(jié)合具體實施例，對發(fā)明進一步說明。具體的測試裝置如圖3 圖5所示。如圖3所示的反接差分放大方式電池測試電路示意圖，在待測燃料電池301 測試電路和參考電池302分路中，在待測燃料電池301正負(fù)極上并聯(lián)第一負(fù)載電 阻303，在參考電池302正負(fù)極上并聯(lián)第二負(fù)載電阻304，兩種電池的負(fù)端相連 后接地；待測燃料電池301的正極接差分放大器305的同相輸入端；參考電池302 的正極接差分放大器305的反相輸入端，差分放大器305的輸出連接微處理器 306。待測燃料電池301、參考電池302各自的輸出電壓送至差分放大器305，差 分放大器305輸出兩者之差，后級經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入微處理器6進行進一步處 理。具體處理如圖6所示測試流程所示。如圖4所示為電橋方式的電池測試電路一示意圖。電橋的結(jié)構(gòu)是在待測燃料 電池301正負(fù)極上并聯(lián)第一負(fù)載電阻303，然后橋臂電阻R1、 R2串聯(lián)后并接在待 測燃料電池301正負(fù)極上，在參考電池302正負(fù)極上并聯(lián)第二負(fù)載電阻304，然 后橋臂電阻R3、 R4串聯(lián)后并接在參考電池302正負(fù)極上，然后待測燃料電池301 正極、參考電池302正極、橋臂電阻R2和橋臂電阻R4連接在一起后接地；橋臂 電阻Rl和橋臂電阻R2的結(jié)點接差分放大器305的同相輸入端，橋臂電阻R3和 橋臂電阻R4的結(jié)點接差分放大器305的反相輸入端，差分放大器305的輸出連 接微處理器306。如圖5所示為電橋方式的電池測試電路二示意圖。電橋方式的電橋的結(jié)構(gòu)是 待測燃料電池301負(fù)極、橋臂電阻Rl、 R2串聯(lián)，然后第一負(fù)載電阻303再并聯(lián) 在該串聯(lián)電路兩端；參考電池302負(fù)極、臂電阻R3、 R4串聯(lián)，然后第二負(fù)載電
阻304再并聯(lián)在該串聯(lián)電路兩端；然后第一負(fù)載電阻303、橋臂電阻R2、第二負(fù) 載電阻304和橋臂電阻R4連接在一起后接地；橋臂電阻Rl和橋臂電阻R2的結(jié) 點接差分放大器305的同相輸入端，橋臂電阻R3和橋臂電阻R4的結(jié)點接差分放 大器305的反相輸入端，差分放大器305的輸出連接微處理器306。本實例方案，是用參考電池去抵消待測電池電壓中不變的部分及與電池電壓 衰減無關(guān)的部分，即可縮小電壓范圍并/或分離衰減無關(guān)部分，得到燃料電池電 壓衰減為主的電壓輸出，即可大大提高測量精度。對于電橋方式，通過檢測不平衡狀態(tài)下電橋輸出電壓，來間接測量待測燃料 電池與參考電池輸出電壓的差異，或者通過電橋平衡狀態(tài)F的橋臂電阻調(diào)節(jié)量來 確定待測、參考燃料電池的輸出電壓差。其中，橋臂電阻R1、 R2、 R3或R4來調(diào) 節(jié)電橋的平衡，根據(jù)電橋輸出電壓是否接近于O來判斷電橋是否平衡；負(fù)載電阻 303、 304可以用來調(diào)節(jié)兩個電池各自的工作電流，如果RL1、 RL2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Rl R4，則電橋電路對于電流、輸出電壓的影響足夠小。電橋各個臂采用電阻構(gòu)成， 也不限于電阻、也可采用電阻、電容、電池、可控電壓源等的組合。平衡指示可 以是放大器+微處理器來實現(xiàn)，也可以是微伏計等來實現(xiàn)。圖6所示為燃料電池電壓衰減快速測量的流程如下1) 準(zhǔn)備特性相同或接近的兩電池，分別用作待測電池和參考電池。2) 待測電池在實際或更惡劣工作條件下考核運行，累計工作時間7;，參考 電池直接在恒定穩(wěn)態(tài)工作條件下運行(或者靜置)相同的時間l3) 開始測試運行，待測電池、參考電池同步運行至穩(wěn)態(tài)，保持足夠的時間， 以減小歷史狀態(tài)不同帶來的性能影響(可逆的性能波動)。4) 在時刻6測量待測電池、參考電池輸出電壓之差A(yù)"(義，r,x)，即得到近 似的待測電池衰減測量值?？煞磸?fù)多次測量^(義,r,x)，取平均來提高精度，得到較準(zhǔn)確的&(U,x)。5) 是否扣除參考電池的衰減，如果扣除，則執(zhí)行步驟6，如果不扣除，貝U執(zhí) 行步驟7后結(jié)束； 6) 扣除參考電池的衰減，參考電池的衰減規(guī)律^(《,7;,x)可根據(jù)試驗或者文 獻近似確定，對上述待測電池衰減的近似測量值進行補償，進一步提高精度；7) 如果不扣除參考電池的衰減，兩電池差即為累計工作時間rA在J工況考核下的待測電池的衰減；8) 兩電池差中扣除參考電池的衰減，兩電池差即為累計工作時間7A在X工 況考核下的待測電池的衰減；執(zhí)行步驟9;9) 重復(fù)上述步驟，分別在累計考核工作時間r=r。， 71，……7;進行上述測量，獲得上述時間點的待測電池衰減&(U。,;c)，如需較為準(zhǔn)確地確定待測燃料電池的衰減函數(shù)曲線或預(yù)測電池壽命，則執(zhí)行步驟10;如果不需要獲得多個時間點的待測電池衰減，則返回步驟2，繼續(xù)進行。10) 對于待測電池衰減數(shù)據(jù)(7;,， ^(U。,;c))， (7i， ^(X,7;,x))，…，，進行曲線擬合，結(jié)束。據(jù)此待測電池衰減擬合曲線，可以預(yù)測待測電池在未來某個時刻的輸出電 壓。也可依據(jù)報廢時的壽命/耐久性的電壓標(biāo)準(zhǔn)來預(yù)測出待測電池的壽命和耐久 性指標(biāo)。但不局限于此方面的應(yīng)用，也可用于其它類型電池的耐久性評價和電池管理等。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池電壓衰減快速測量方法，其特征在于，所述燃料電池電壓衰 減快速測量方法是(1) 選定燃料電池的電壓衰減/功率衰減為表征燃料電池壽命/耐久性的物 理量，直接測量此電壓衰減而非通過測電池電壓來間接測量電壓衰減，從而減小 或消除了復(fù)雜的未知的因素的影響，并且減小了待測電壓的量程；(2) 在系統(tǒng)前級將測量對象從單片或者電堆的輸出電壓，變換為單片或者 電堆的輸出電壓的衰減或者相對衰減，而直接測量輸出電壓衰減，這樣既可減小 工作狀態(tài)差異的影響、又可減小測量的動態(tài)范圍，并且達到減輕對于測量系統(tǒng)后 級精度要求的目的，后級則可采用常規(guī)的精密放大器、模擬開關(guān)；(3) 在待測燃料電池測試電路中設(shè)置參考電池，然后將待測電池和參考電 池的輸出電壓送至差分電路或電橋電路，差分放大器的輸出經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入 微處理器進行進一步處理，即得到待測燃料電池電壓衰減和功率衰減，從而評價 燃料電池壽命/耐久性；(4) 待測電池在考核運行時，參考電池則工作或保存在衰減較小的狀態(tài)或 者衰減規(guī)律可準(zhǔn)確預(yù)知的狀態(tài)，以待測電池和參考電池之差作為待測燃料電池的 電壓衰減的表征。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述燃料電池電壓衰減快速測量方法，其特征在于，所述 待測電池的當(dāng)前輸出電壓為其初始電壓減去隨著工作時間而衰減的電壓，參考電 池電壓的當(dāng)前輸出電壓則相當(dāng)于或近似于參考電池的初始電壓，待測電池的電壓 減去參考電池或參考電壓源的鬼壓，那么測量的對象也就從燃料電池的電壓變換 為測量燃料電池的電壓衰減，此電壓差可以通過量程很小的電壓儀表測得。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述燃料電池電壓衰減快速測量方法，其特征在于，所述 參考電池為特性已知的或同類型的燃料電池或同一燃料電池上的分區(qū)電池,或是 基準(zhǔn)電壓源或者受控電壓源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述燃料電池電壓衰減快速測量方法，其特征在于，所述 燃料電池電壓衰減快速測量的流程如下 1) 準(zhǔn)備特性相同或接近的兩電池，分別用作待測電池和參考電池；2) 待測電池在實際或更惡劣工作條件下考核運行，累計工作時間x，參考電池直接在恒定穩(wěn)態(tài)工作條件下運行或者靜置相同的時間冗；3) 開始測試運行，待測電池、參考電池同步運行至穩(wěn)態(tài)，保持足夠的時間， 以減小歷史狀態(tài)不同帶來的可逆的性能波動$4) 在時刻"測量待測電池、參考電池輸出電壓之差A(yù)w(U,;c)，即得到近 似的待測電池電壓衰減測量值，可反復(fù)多次測量^(Hx)，取平均來提高精度， 得到較準(zhǔn)確的&(U,;c);5) 是否扣除參考電池的衰減，如果扣除，則執(zhí)行歩驟6，如果不扣除，則執(zhí) 行步驟7后結(jié)束；6) 扣除參考電池電壓衰減，參考電池電壓衰減規(guī)律^(^,7;，;c)可根據(jù)試驗或 者文獻近似確定，對上述待測電池衰減的近似測量值進行補償，進一步提高精度；7) 如果不扣除參考電池電壓衰減，兩電池差即為累計工作時間7力在X工況 考核下的待測電池的電壓衰減；8) 兩電池差中扣除參考電池電壓衰減，兩電池差即為累計工作時間7內(nèi)在J 工況考核下的待測電池電壓衰減；執(zhí)行步驟9;9) 重復(fù)上述步驟，分別在累計考核工作時間A冗，7;，……K進行上述測量，獲得上述時間點的待測電池電壓衰減&(U。力，如需較為準(zhǔn)確地確定待測燃料電 池電壓衰減函數(shù)曲線或預(yù)測電池壽命，則執(zhí)行步驟10;如果不需要獲得多個時間 點的待測電池電壓衰減，則返回步驟2，繼續(xù)進行；10) 對于待測電池電壓衰減數(shù)據(jù)(t;， W，r。,x))， U， WHx))，，.進行曲線擬合，結(jié)束。
5.—種燃料電池電壓衰減快速測量裝置，其特征在于，所述待測燃料電池測 試電路和參考電池分路的連接方式相同，包括電池反接差分放大方式和電橋方 式；然后待測燃料電池測試電路和參考電池分路的輸出分別接到差分放大器的同 相和反相輸入端，差分放大器的輸出連接微處理器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述燃料電池電壓衰減快速測量裝置，其特征在于，所述 電池反接差分放大方式為在待測燃料電池測試電路和參考燃料電池分路中，在各 電池上并聯(lián)有負(fù)載電阻，兩種電池的負(fù)端相連后接地；待測電池的正極接差分放 大器的同相輸入端；參考燃料電池的正極接差分放大器的反相輸入端，差分放大 器的輸出連接微處理器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述燃料電池電壓衰減快速測量裝置，其特征在于，所述 電橋方式的電橋的結(jié)構(gòu)是在待測燃料電池(301)正負(fù)極上并聯(lián)第一負(fù)載電阻(303)，然后橋臂電阻R1、 R2串聯(lián)后并接在待測燃料電池(301)正負(fù)極上，在 參考電池(302)正負(fù)極上并聯(lián)第二負(fù)載電阻(304)，然后橋臂電阻R3、 R4串聯(lián) 后并接在參考電池(302)正負(fù)極上，然后待測燃料電池(301)正極、參考電池(302)正極、橋臂電阻R2和橋臂電阻R4連接在一起后接地；橋臂電阻R1和橋 臂電阻R2的結(jié)點接差分放大器(305)的同相輸入端，橋臂電阻R3和橋臂電阻 R4的結(jié)點接差分放大器(305)的反相輸入端，差分放大器(305)的輸出連接微 處理器(306)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述燃料電池電壓衰減快速測量裝置，其特征在于，所述 電橋方式的電橋的結(jié)構(gòu)是待測燃料電池(301)負(fù)極、橋臂電阻R1、 R2串聯(lián)，然 后第一負(fù)載電阻(303)再并聯(lián)在該串聯(lián)電路兩端；參考電池(302)負(fù)極、臂電 阻R3、 R4串聯(lián)，然后第二負(fù)載電阻(304)再并聯(lián)在該串聯(lián)電路兩端；然后第一 負(fù)載電阻(303)、橋臂電阻R2、第二負(fù)載電阻(304)和橋臂電阻R4連接在一起 后接地；橋臂電阻R1和橋臂電阻R2的結(jié)點接差分放大器(305)的同相輸入端， 橋臂電阻R3和橋臂電阻R4的結(jié)點接差分放大器(305)的反相輸入端，差分放 火器(305)的輸出連接微處理器(306)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述燃料電池電壓衰減快速測量裝置，其特征在于，所述電橋各個臂采用電阻構(gòu)成，或采用電阻、電容、電池、可控電壓源的組合。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述燃料電池電壓衰減快速測量裝置，其特征在于，所述電橋的平衡指示由放大器+微處理器來實現(xiàn)，或由微伏計來實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于清潔能源技術(shù)領(lǐng)域的一種燃料電池電壓衰減快速測量方法及裝置。該快速測量裝置是待測燃料電池測試電路和參考電池分路的以相同電路結(jié)構(gòu)分別接到差分放大器的同相和反相輸入端，差分放大器的輸出連接微處理器。所述快速測量方法是先選定電壓衰減和功率衰減為表征燃料電池壽命/耐久性的物理量，在系統(tǒng)前級將測量對象從單片或者電堆的輸出電壓，變換為單片或者電堆的輸出電壓的衰減或者相對衰減，而直接測量輸出電壓衰減，后級則可采用常規(guī)的精密放大器、模擬開關(guān)；差分放大器的輸出經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入微處理器進行進一步處理，即得到待測燃料電池電壓衰減和功率衰減，從而評價燃料電池壽命/耐久性。
文檔編號G01R31/36GK101144850SQ20071017644
公開日2008年3月19日 申請日期2007年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月29日
發(fā)明者猛 仝, 盧蘭光, 楊福源, 歐陽明高, 瑛 王, 裴普成, 黃海燕 申請人:清華大學(xué)