專利名稱：確定電化學(xué)裝置的健康狀態(tài)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電化學(xué)裝置領(lǐng)域，更具體地涉及一種確定或者診斷所述電化學(xué)裝置的健康狀態(tài)的方法。電化學(xué)裝置可以是燃料電池、電解器、原生電池或者可充電電池、或者任何其它類型的電化學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
一般而言，在電化學(xué)裝置的壽命周期中，其性能逐漸趨于劣化。這可能來自于主要在裝置的運(yùn)行期間以及裝置停止時(shí)發(fā)生的不可逆的物理化學(xué)變化。于是，獲得關(guān)于裝置的總體劣化狀態(tài)的信息以由此知道其壽命周期進(jìn)行了多少是至關(guān)重要的。另外，在電化學(xué)裝置的運(yùn)行期間，可能發(fā)生造成性能突然下降的特定物理現(xiàn)象。例如，在質(zhì)子交換膜類型的燃料電池的情況下，膨脹和流水(drainage)現(xiàn)象造成電池性能的顯著劣化。因此期望能夠?qū)崟r(shí)檢測這些現(xiàn)象以迅速解決它們。確定裝置的狀態(tài)的整體劣化，以及檢測特定有害現(xiàn)象，就能夠確定電化學(xué)裝置的健康狀態(tài)。電化學(xué)裝置的健康狀態(tài)可定義為至少部分地模型化電化學(xué)裝置的物理化學(xué)行為的至少一個(gè)物理化學(xué)參數(shù)的估計(jì)或者測量值與同一參數(shù)的預(yù)定基準(zhǔn)值之間的偏差。該偏差說明裝置的長期(剩余壽命)和短期(突然降低性能的物理現(xiàn)象的出現(xiàn))運(yùn)行本質(zhì)。當(dāng)然， 其可以涉及相對或者絕對偏差。當(dāng)然，健康狀態(tài)的提法覆蓋了各種事實(shí)，而這取決于用戶希望獲得的信息。一般而言，可以從提供該電化學(xué)裝置的靜態(tài)和/或動(dòng)態(tài)行為的信息的一組特征參數(shù)來確定健康狀態(tài)。這些參數(shù)可代表電化學(xué)裝置中發(fā)生的不同的物理化學(xué)現(xiàn)象，諸如，例如涉及化學(xué)動(dòng)力學(xué)的現(xiàn)象、歐姆現(xiàn)象、以及在燃料電池的情況下反應(yīng)流體向反應(yīng)區(qū)域的擴(kuò)散現(xiàn)象。舉個(gè)例子，確定質(zhì)子交換膜(PEM)類型的燃料電池的健康狀態(tài)可包括實(shí)時(shí)估計(jì)特定參數(shù)，諸如電池的內(nèi)電阻(通常比作膜的電阻)、膜的含濕量、或者關(guān)于擴(kuò)散現(xiàn)象或者涉及化學(xué)動(dòng)力學(xué)的現(xiàn)象的參數(shù)，目的在于一方面監(jiān)視其總體劣化的狀態(tài)，另一方面檢測膜的流水現(xiàn)象。由此，能夠更快速地反應(yīng)以防止該類型的現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生從而不可逆地?fù)p壞電池。在PEM類型燃料電池的環(huán)境下一般使用多種參數(shù)估計(jì)方法來確定裝置的健康狀態(tài)。一般而言，每種方法通常都包括獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的第一步驟和利用測量來估計(jì)一個(gè)或者更多個(gè)特征參數(shù)的第二步驟。第一步驟由對電化學(xué)裝置施加特定電激勵(lì)并且測量其電響應(yīng)組成。第二步驟是分析輸入和輸出信號以估計(jì)至少部分地表征電池的行為的一個(gè)或者更多個(gè)參數(shù)。這些參數(shù)可以屬于代表電池的全局或者部分行為的靜態(tài)和/或動(dòng)態(tài)模型。最后，以參數(shù)的估計(jì)值與同一參數(shù)的預(yù)定基準(zhǔn)值之間的偏差的方式來估計(jì)電池的健康狀態(tài)。第一種方法是基于已知的電化學(xué)阻抗頻譜技術(shù)。其可以用于檢測燃料電池的膨脹或者流水，如 2006 年出版的 the Journal of Power Sources，159，905—913 中的 Fouquet et al.的IS 巨為 “Model based PEM fuel cell state-of-health monitoring via ac impedance measurements，，的文章所描述的。將輸入電流施加到電池，該輸入電流具有掃描大頻率范圍的低振幅正弦波動(dòng)序列。在電池的端子處測量響應(yīng)于這些波動(dòng)的電壓。接著能夠使用阻抗分析裝置獲得電池的阻抗。該阻抗可在奈奎斯特(Nyquist)平面中繪出，其給出了阻抗的虛部作為其實(shí)部的函數(shù)的開方(evolution)。接著，使用例如最小二乘法的優(yōu)化方法從測得的信號來估計(jì)等效電池類型的該阻抗模型的參數(shù)值(小信號動(dòng)態(tài)模型)。阻抗模型可遵循以下等效電路
權(quán)利要求
1. 一種從至少部分地模型化了電化學(xué)裝置的物理化學(xué)行為的至少一個(gè)物理化學(xué)參數(shù)確定所述電化學(xué)裝置的健康狀態(tài)的方法，所述方法的特征在于包括以下步驟對所述電化學(xué)裝置施加(10)輸入信號，并測量所述電化學(xué)裝置的響應(yīng)于所述輸入信號的輸出信號(20)，其中，所述輸入信號包括多個(gè)電激勵(lì)，每個(gè)電激勵(lì)都屬于從由以下各項(xiàng)形成的集合中選擇的特定激勵(lì)類別在所述電化學(xué)裝置的極化點(diǎn)周圍的正弦電流或者電壓擾動(dòng)序列，每個(gè)擾動(dòng)都具有不同頻率，從而經(jīng)過特定頻率系列而行進(jìn)；電流或者電壓階梯； 以及從零到標(biāo)稱值的電流或者電壓變化，所述輸入信號包括不同類別的至少兩個(gè)激勵(lì)；接從所述輸出信號中提取(30)與每個(gè)所述電激勵(lì)信號相關(guān)聯(lián)的響應(yīng)信號；接著根據(jù)屬于第一類別的電激勵(lì)和對應(yīng)的響應(yīng)信號來估計(jì)Gl)至少一個(gè)第一參數(shù)；根據(jù)屬于不同于對應(yīng)的響應(yīng)信號的第一類別的類別的電激勵(lì)和至少所估計(jì)的第一參數(shù)來估計(jì)所述至少一個(gè)物理化學(xué)參數(shù)；以所述至少一個(gè)物理化學(xué)參數(shù)的先前估計(jì)值與預(yù)定基準(zhǔn)值之間的偏差來估計(jì)(50)所述電化學(xué)裝置的健康狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一類別的電激勵(lì)和屬于不同于第一類別的類別的電激勵(lì)被順序地施加。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)第一類別的電激勵(lì)與不同于第一類別的類別的電激勵(lì)在時(shí)間上至少部分地疊加。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，第一類別的電激勵(lì)是電流或者電壓階梯， 并且不同于第一類別的類別的電激勵(lì)是從由以下各項(xiàng)形成的集合中選擇的在所述電化學(xué)裝置的極化點(diǎn)周圍的正弦電流或者電壓擾動(dòng)序列，每個(gè)擾動(dòng)都具有不同頻率，從而經(jīng)過特定頻率系列而行進(jìn)；以及從零到標(biāo)稱值的電流或者電壓變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，第一類別的電激勵(lì)是在所述電化學(xué)裝置的極化點(diǎn)周圍的正弦電流或者電壓擾動(dòng)系列，每個(gè)擾動(dòng)都具有不同頻率，從而經(jīng)過特定頻率系列而行進(jìn)，并且不同于第一類別的類別的電激勵(lì)是從零到標(biāo)稱值的電流或者電壓變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，另外以所述至少一個(gè)第一參數(shù)的估計(jì)值與預(yù)定基準(zhǔn)值之間的偏差來估計(jì)(50)所述健康狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述輸入信號包括不同類別的至少三個(gè)激勵(lì)，并且在估計(jì)所述至少一個(gè)物理化學(xué)參數(shù)的步驟^幻之前，根據(jù)屬于不同于所述對應(yīng)的響應(yīng)信號的第一類別的第二類別的電激勵(lì)來估計(jì)0 至少一個(gè)第二參數(shù)；所述至少一個(gè)物理化學(xué)參數(shù)的估計(jì)是根據(jù)屬于不同于所述對應(yīng)的響應(yīng)信號的第一類別和第二類別的第三類別的電激勵(lì)和先前估計(jì)的所述至少一個(gè)第一參數(shù)和所述至少一個(gè)第二參數(shù)來進(jìn)行的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)第二參數(shù)也是根據(jù)所述至少一個(gè)第一參數(shù)來估計(jì)的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或者8所述的方法，其特征在于，第一類別的電激勵(lì)是電流或者電壓階梯，第二類別的電激勵(lì)是在所述電化學(xué)裝置的極化點(diǎn)周圍的正弦電流或者電壓擾動(dòng)序列， 每個(gè)擾動(dòng)都具有不同頻率，從而經(jīng)過特定頻率系列而行進(jìn)，并且第三類別的電激勵(lì)是從零到標(biāo)稱值的電流或者電壓變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求7到9中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，另外以所述至少一個(gè)第一參數(shù)的估計(jì)值與預(yù)定基準(zhǔn)值之間的偏差和/或以所述至少一個(gè)第二參數(shù)的估計(jì)值與預(yù)定基準(zhǔn)值之間的偏差來估計(jì)(50)所述健康狀態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述輸入信號包括在所述電化學(xué)裝置的極化點(diǎn)周圍的正弦電流或者電壓擾動(dòng)系列，每個(gè)擾動(dòng)都具有不同頻率，并且施加所述擾動(dòng)序列從而一遍一遍地掃描從所述主系列(A)得到的多個(gè)頻率子系列 (A1, . . . An)，所述多個(gè)子系列中的每一個(gè)子系列都與所述多個(gè)子系列中的至少一個(gè)其它子系列交織。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)子系列中的每一個(gè)子系列都與所述多個(gè)子系列中的全部其它子系列交織。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或者12所述的方法，其特征在于，施加所述擾動(dòng)序列從而單調(diào)地掃描每個(gè)子系列(Ai)的頻率。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或者12所述的方法，其特征在于，施加所述擾動(dòng)序列從而隨機(jī)地掃描每個(gè)子系列(Ai)的頻率。
15.根據(jù)權(quán)利要求11到14中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述子系列以特定順序排序，施加所述擾動(dòng)序列從而單調(diào)地掃描所述多個(gè)子系列(A1, ... An)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11到14中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述子系列以特定順序排序，施加所述擾動(dòng)序列從而隨機(jī)地掃描所述多個(gè)子系列(A1, ... An)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1到16中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述參數(shù)中的一個(gè)是所述電化學(xué)裝置的內(nèi)電阻，根據(jù)電流或者電壓階梯以及對應(yīng)的響應(yīng)信號來估計(jì)所述參數(shù)的步驟包括從所述輸入信號和所述對應(yīng)的響應(yīng)信號中減去施加所述電激勵(lì)之前各自的值，由此獲得電流變化和電壓變化；通過用所述電壓變化除以所述電流變化來計(jì)算瞬時(shí)阻抗，并且檢測使所述瞬時(shí)阻抗具有最小值的大于施加所述電激勵(lì)的時(shí)刻、的時(shí)刻、；從時(shí)刻、外推所述瞬時(shí)阻抗，并將所述外推投影到時(shí)刻、以由此導(dǎo)出所述電化學(xué)裝置的內(nèi)電阻值。
18.根據(jù)權(quán)利要求1到17中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，從所述輸入信號和所述對應(yīng)的響應(yīng)信號獲得作為電流的函數(shù)的電壓的實(shí)驗(yàn)開方，作為電流的函數(shù)的電壓的模型開方被至少一個(gè)所述參數(shù)參數(shù)化，所述參數(shù)的估計(jì)值是根據(jù)從零到標(biāo)稱值的電流或者電壓變化通過以下步驟獲得的最小化一方面存在于所述電壓的模型開方與其N個(gè)連續(xù)導(dǎo)數(shù)之間，另一方面存在于所述電壓的實(shí)驗(yàn)開方與其N個(gè)連續(xù)導(dǎo)數(shù)之間的偏差的特征大小。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述電化學(xué)裝置是電解器或者燃料電池。
20. 一種控制電化學(xué)裝置的方法，其特征在于包括以下步驟根據(jù)以上特征中的任意一個(gè)來確定健康狀態(tài)；接著當(dāng)所測量的偏差超過預(yù)定閾值偏差時(shí)向所述電化學(xué)裝置施加命令。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有提高的穩(wěn)定性的測量電化學(xué)裝置的健康狀態(tài)的方法。該方法具體包括以下步驟向該電化學(xué)裝置施加(10)包括不同類別的電激勵(lì)的輸入信號，并測量包括對每個(gè)電激勵(lì)的響應(yīng)信號的輸出信號(20)；根據(jù)屬于第一類別的電激勵(lì)和對應(yīng)的響應(yīng)信號來估計(jì)(41)至少一個(gè)第一參數(shù)；根據(jù)對應(yīng)的響應(yīng)信號的不同類別的電激勵(lì)和所估計(jì)的第一參數(shù)來估計(jì)(43)代表該電化學(xué)裝置的物理化學(xué)行為的至少一個(gè)物理化學(xué)參數(shù)；以該物理化學(xué)參數(shù)的先前估計(jì)值與基準(zhǔn)值之間的偏差來估計(jì)(50)該電化學(xué)裝置的健康狀態(tài)。
文檔編號G01R31/36GK102414569SQ201080017968
公開日2012年4月11日 申請日期2010年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者A·拉庫通德賴尼比, C·圖爾平, G·豐特斯, V·普利波托 申請人:國家科研中心, 圖盧茲國立綜合科技研究院, 赫利恩公司