电解槽阻抗检测方法、装置和电解水制氢装置与流程

1.本公开涉及电解技术领域，具体地，涉及一种电解槽阻抗检测方法、装置和电解水制氢装置。


背景技术：

2.电解槽是将电能转换成氢能的核心设备，其中，电解槽的阻抗在一定程度上能够反应其内部状态及寿命。通常随着电解槽内部发生气阻、催化剂活性降低、或者镀层脱落等现象时，其对应的阻抗值变大，因此，通过监测电解槽的阻抗对电解槽的维护具有重要意义。在相关技术中，电解槽阻抗的检测方法比较粗略，结果并不准确。


技术实现要素：

3.本公开的目的是提供一种检测结果比较准确、可靠的电解槽阻抗检测方法、装置和电解水制氢装置。
4.为了实现上述目的，本公开提供一种电解槽阻抗检测方法，所述电解槽应用于电解水制氢装置，所述电解水制氢装置包括所述电解槽和制氢电源，所述制氢电源包括电抗器，所述方法包括：
5.在控制所述电解水制氢装置运行时，检测所述电解槽两端的第一电压和所述制氢电源输出的第一电流；
6.向所述电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，并检测所述电解槽两端的第二电压和所述制氢电源输出的第二电流；
7.根据所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二电流确定出所述电解槽的阻抗。
8.可选地，所述根据所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二电流确定出所述电解槽的阻抗，包括：
9.根据所述第一电压和所述第二电压确定出因注入所述交流电信号而增加在所述电解槽两端的第三电压；
10.根据所述第一电流和所述第二电流确定出因注入所述交流电信号而使所述电解槽多输出的第三电流；
11.将所述第三电压和所述第三电流由时域信号转换为频域信号；
12.根据所述第三电压的频域信号和所述第三电流的频域信号，确定所述电解槽的阻抗的频域阻抗；
13.将所述电解槽的阻抗的频域阻抗转换为所述电解槽的时域阻抗。
14.可选地，所述将所述第三电压和所述第三电流由时域信号转换为频域信号，包括：
15.通过傅里叶变换，将所述第三电压和所述第三电流由时域信号转换为频域信号，所述第三电压的频域信号的信号值和所述第三电流的频域信号的信号值为：
[0016][0017]
其中，为所述第三电压的频域信号的信号值，为所述第三电流的频域信号的信号值，表示所述第三电压的频域信号的振幅频谱，表示所述第三电流的频域信号的振幅频谱，ω为所述交流电信号的角频率，表示所述第三电压的频域信号的相位频谱，表示第三电流的频域信号的相位频谱。
[0018]
可选地，所述根据所述第三电压的频域信号和所述第三电流的频域信号，确定所述电解槽的频域阻抗，包括：
[0019]
根据以下公式确定所述电解槽的频域阻抗：
[0020][0021]
其中，r
hyd
(ω)为所述电解槽的频域阻抗。
[0022]
可选地，所述控制所述电解水制氢装置运行，包括：
[0023]
将预定的参考电压与所述电解槽两端的当前电压之差输入第一pi控制器后，输出参考电流；
[0024]
将所述参考电流与所述制氢电源当前输出的电流之差输入第二pi控制器后，输出所述制氢电源的开关控制信号；
[0025]
根据所述开关控制信号控制所述制氢电源的开关。
[0026]
可选地，所述向所述电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，包括：
[0027]
将所述参考电流与所述制氢电源当前输出的电流作差，后与预定频率的交流电信号作和的结果输入所述第二pi控制器后，输出所述制氢电源的开关控制信号。
[0028]
可选地，所述方法还包括：
[0029]
若所述电解槽的阻抗处于允许的阻抗范围之外，则输出提示消息。
[0030]
可选地，所述方法还包括：
[0031]
根据所述第一电流和预定的对应关系确定所述允许的阻抗范围，其中，所述对应关系为所述制氢电源输出的电流和所述电解槽的允许的阻抗范围这二者之间的对应关系。
[0032]
本公开还提供一种电解槽阻抗检测装置，所述电解槽应用于电解水制氢装置，所述电解水制氢装置包括所述电解槽和制氢电源，所述制氢电源包括电抗器，所述电解槽阻抗检测装置包括：
[0033]
第一检测模块，用于在控制所述电解水制氢装置运行时，检测所述电解槽两端的第一电压和所述制氢电源输出的第一电流；
[0034]
第二检测模块，用于向所述电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，并检测所述电解槽两端的第二电压和所述制氢电源输出的第二电流；
[0035]
第一确定模块，用于根据所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二
电流确定出所述电解槽的阻抗。
[0036]
本公开还提供一种电解水制氢装置，包括电解槽、制氢电源和控制器，所述控制器用于执行本公开提供的所述方法的步骤。
[0037]
通过上述技术方案，在制氢电源的电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，根据电解槽两端的电压和制氢电源输出的电流在注入前和注入后的检测值，确定出电解槽的阻抗。这样，能够减小电抗器的感性阻抗对电解槽阻抗检测结果的影响，使得计算得到的电解槽阻抗更加准确，从而为电解槽的维护提供可靠的依据。
[0038]
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0039]
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
[0040]
图1是一示例性实施例提供的电解水制氢装置的结构示意图；
[0041]
图2是一示例性实施例提供的电解槽阻抗检测方法的流程图；
[0042]
图3是一示例性实施例提供的控制电解水制氢装置运行的示意图；
[0043]
图4是一示例性实施例提供的注入预定频率的交流电信号的示意图；
[0044]
图5是一示例性实施例提供的确定电解槽的频域阻抗的示意图；
[0045]
图6是一示例性实施例提供的电解槽阻抗检测装置的结构框图。
具体实施方式
[0046]
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
[0047]
需要说明的是，本公开中所有获取信号、信息或数据的动作都是在遵照所在地国家相应的数据保护法规政策的前提下，并获得由相应装置所有者给予授权的情况下进行的。
[0048]
本公开中，电解槽可应用于电解水制氢装置。图1是一示例性实施例提供的电解水制氢装置的结构示意图。如图1所示，电解水制氢装置可以包括电解槽10和制氢电源20。制氢电源20包括开关电路21、电抗器22和电容器23。开关电路21包括串联的两个开关管。串联后的两个开关管的两端可接外部电源(u
in
)，两个开关管的中心点通过电抗器22接电解槽10的正极，外部电源的负极接电解槽10的负极，电容器23和电解槽10并联连接。图1中箭头表示电流方向。制氢电源20输出电流i
out
，电解槽10两端生成端电压u
hyd
。
[0049]
图2是一示例性实施例提供的电解槽阻抗检测方法的流程图。如图2所示，该方法包括步骤s201～步骤s203。
[0050]
在步骤s201中，在控制电解水制氢装置运行时，检测电解槽两端的第一电压和制氢电源输出的第一电流。
[0051]
控制电解水制氢装置运行的控制策略，可以使用相关技术中的控制策略。在电解水制氢装置运行时，制氢电源输出电流，电解槽两端生成端电压。将检测到的电解槽两端的电压在下文中称为第一电压，将检测到的制氢电源输出的电流在下文中称为第一电流。
[0052]
在步骤s202中，向电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，并检测电解槽两
端的第二电压和制氢电源输出的第二电流。
[0053]
在控制电解水制氢装置运行的控制策略中，向电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，也就是，在实际检测到的电抗器的电流上增加预定频率的交流电信号，作为当前电抗器的电流，继续对电解水制氢装置进行控制。
[0054]
在注入预定频率的交流电信号的情况下，将检测到的电解槽两端的电压在下文中称为第二电压，将检测到的制氢电源输出的电流在下文中称为第二电流。而第一电压和第一电流分别是指注入预定频率的交流电信号之前检测到的值。
[0055]
为保证电解槽所需电压、电流的纹波在允许范围内，该注入的交流电信号值在能够提取出来的前提下应该尽量小，频率应比较低。
[0056]
在步骤s203中，根据第一电压、第一电流、第二电压和第二电流确定出电解槽的阻抗。
[0057]
由于第一电压、第一电流、第二电压和第二电流包括了注入交流电信号之前和之后的参数，因此，能够根据这些参数计算出忽略感性阻抗影响的电解槽阻抗。
[0058]
通过上述技术方案，在制氢电源的电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，根据电解槽两端的电压和制氢电源输出的电流在注入前和注入后的检测值，确定出电解槽的阻抗。这样，能够减小电抗器的感性阻抗对电解槽阻抗检测结果的影响，使得计算得到的电解槽阻抗更加准确，从而为电解槽的维护提供可靠的依据。
[0059]
图3是一示例性实施例提供的控制电解水制氢装置运行的示意图。如图3所示，控制电解水制氢装置运行可以包括：
[0060]
将预定的参考电压u
ref
与电解槽两端的当前电压u
hyd
之差输入第一pi控制器30后，输出参考电流i
ref
；将参考电流i
ref
与制氢电源当前输出的电流i
l
之差输入第二pi控制器40后，输出制氢电源的开关控制信号；根据开关控制信号控制制氢电源20(中开关电路21)的开关。具体地，开关控制信号通过pwm脉冲生成器50，生成pwm脉冲信号后输入开关电路21，控制开关电路21中两个晶体管的开关。
[0061]
也就是，在没有注入预定频率的交流电信号之前，可以利用图3所示的控制方法来控制电解水制氢装置的运行。其中，电压控制为内环控制，电流控制为外环控制。
[0062]
图4是一示例性实施例提供的注入预定频率的交流电信号的示意图。如图4所示，向电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号可以包括：将参考电流i
ref
与制氢电源当前输出的电流i
l
作差，后与预定频率的交流电信号f(经预先设定频率)作和的结果输入第二pi控制器40后，(经脉冲生成器50生成pwm脉冲信号后)输出制氢电源的开关控制信号。
[0063]
在又一实施例中，在图2的基础上，根据第一电压、第一电流、第二电压和第二电流确定出电解槽的阻抗的步骤s203可以包括以下步骤：
[0064]
根据第一电压和第二电压确定出因注入交流电信号而增加在电解槽两端的第三电压；根据第一电流和第二电流确定出因注入交流电信号而使电解槽多输出的第三电流；将第三电压和第三电流由时域信号转换为频域信号；根据第三电压的频域信号和第三电流的频域信号，确定电解槽的频域阻抗；将电解槽的频域阻抗转换为电解槽的时域阻抗。
[0065]
具体地，在注入低频交流电信号前的t时刻，通过电解水制氢装置自身控制与采样系统，检测制氢电源20输出电流i
out
(第一电流)与电解槽端电压u
hyd
(第一电压)。其中，制氢电源20输出电流i
out
与电解槽端电压u
hyd
之间的关系如如下：
[0066]uhyd
＝i
outrhyd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0067]
其中，r
hyd
为电解槽的阻抗。
[0068]
之后，通过控制器叠加电解槽电流指令，向制氢电源电抗器中注入频率为f的低频电流，重新检测得到检测制氢电源20输出电流(第二电流)与电解槽端电压(第二电压)分别为：和其中，第二电流与第二电压之间的关系如下：
[0069][0070]
第三电流与第三电压分别为和
[0071]
联合式(1)和式(2)求解，可得电解槽实时阻抗，如下式：
[0072][0073]
在又一实施例中，上述的将第三电压和第三电流由时域信号转换为频域信号，包括：
[0074]
通过傅里叶变换，将第三电压和第三电流由时域信号转换为频域信号，第三电压的频域信号的信号值和第三电流的频域信号的信号值为：
[0075][0076]
其中，为第三电压的频域信号的信号值，为第三电流的频域信号的信号值，表示第三电压的频域信号的振幅频谱，表示第三电流的频域信号的振幅频谱，ω为交流电信号的角频率，表示第三电压的频域信号的相位频谱，表示第三电流的频域信号的相位频谱。
[0077]
将公式(4)转换后的结果带入式(3)，可得如下式(5)所示的电解槽的频域阻抗，该式所计算的最终结果忽略了感性阻抗的影响，准确度较高。
[0078][0079]
也就是，根据第三电压的频域信号和第三电流的频域信号，确定电解槽的频域阻抗，可以包括：根据公式(5)确定电解槽的频域阻抗，其中，r
hyd
(ω)为电解槽的频域阻抗。
[0080]
图5是一示例性实施例提供的确定电解槽的频域阻抗的示意图。如图5所示，第三电压经傅里叶变换(fourier transform，ft)后由时域信号转换为频域信号第三电流经ft后由时域信号转换为频域信号根据公式(5)确定电解槽的频域阻抗r
hyd
(ω)。
[0081]
在又一实施例中，该方法还包括：若电解槽的阻抗处于允许的阻抗范围之外，则输出提示消息。
[0082]
其中，允许的阻抗范围可以是预定的阻抗范围，可根据电解槽的特性通过试验得出。若电解槽的阻抗处于允许的阻抗范围之内，则可以认为电解槽的阻抗正常，内部状况较好；若电解槽的阻抗处于允许的阻抗范围之外，则可以认为电解槽的内部状况较差，需要对其进行维护，此时输出灯光闪烁、蜂鸣、语音、弹窗等形式的提示消息，以提示工作人员及时维护，避免造成较大的事故。
[0083]
在又一实施例中，该方法还包括：根据第一电流和预定的对应关系确定允许的阻抗范围，其中，对应关系为制氢电源输出的电流和电解槽的允许的阻抗范围这二者之间的对应关系。
[0084]
也就是，由于电解槽在不同电解电流下对应的阻抗值略有不同，因此，可以预先通过试验的方式确定出制氢电源输出的电流和电解槽的允许的阻抗范围这二者之间的对应关系。在该对应关系中查找到与第一电流对应的电解槽的允许的阻抗范围，作为当前电解槽的允许的阻抗范围，来判断是否输出提示消息。
[0085]
例如，预先根据历史数据统计与经验，整理出电解槽的阻抗的集合h，根据不同的电流等级扫描得到具体的经验数值h{ai}，建立阻抗判据，其中，ai表示温度为i时对应的阻抗。是否输出提示消息的判断依据如下式：
[0086]
|r
hyd-ai|《γ
ꢀꢀꢀ
(6)
[0087]
当电解槽阻抗r
hyd
与ai的差的绝对值大于γ时，进行报警提示，操作人员初步进行核验；当电解槽阻抗r
hyd
与ai的差的绝对值小于γ时，电解槽的阻抗正常，内部状态正常。其中，阈值γ根据不同产氢量的电解槽特性来定义。其中，温度为i时，允许的阻抗范围为[a
i-γ,ai+γ]。
[0088]
图6是一示例性实施例提供的电解槽阻抗检测装置的结构框图。如图6所示，电解槽阻抗检测装置600可以包括第一检测模块601、第二检测模块602和第一确定模块603。
[0089]
第一检测模块601用于在控制电解水制氢装置运行时，检测电解槽两端的第一电压和制氢电源输出的第一电流。
[0090]
第二检测模块602用于向电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，并检测电解槽两端的第二电压和制氢电源输出的第二电流。
[0091]
第一确定模块603用于根据第一电压、第一电流、第二电压和第二电流确定出电解槽的阻抗。
[0092]
可选地，第一确定模块603包括第一确定子模块、第二确定子模块、第一转换子模块、第三确定子模块和第二转换子模块。
[0093]
第一确定子模块用于根据第一电压和第二电压确定出因注入交流电信号而增加在电解槽两端的第三电压。
[0094]
第二确定子模块用于根据第一电流和第二电流确定出因注入交流电信号而使电解槽多输出的第三电流。
[0095]
第一转换子模块用于将第三电压和第三电流由时域信号转换为频域信号。
[0096]
第三确定子模块用于根据第三电压的频域信号和第三电流的频域信号，确定电解槽的频域阻抗。
[0097]
第二转换子模块用于将电解槽的频域阻抗转换为电解槽的时域阻抗。
[0098]
可选地，第一转换子模块用于通过傅里叶变换，将第三电压和第三电流由时域信号转换为频域信号。第三电压的频域信号的信号值和第三电流的频域信号的信号值为：
[0099][0100]
其中，为第三电压的频域信号的信号值，为第三电流的频域信号的信号值，表示第三电压的频域信号的振幅频谱，表示第三电流的频域信号的振幅频谱，ω为交流电信号的角频率，表示第三电压的频域信号的相位频谱，表示第三电流的频域信号的相位频谱。
[0101]
可选地，第三确定子模块用于根据以下公式确定电解槽的频域阻抗：
[0102][0103]
其中，r
hyd
为电解槽的频域阻抗。
[0104]
可选地，电解槽阻抗检测装置600可以包括控制模块，控制模块用于：将预定的参考电压与电解槽两端的当前电压之差输入第一pi控制器后，输出参考电流；将参考电流与制氢电源当前输出的电流之差输入第二pi控制器后，输出制氢电源的开关控制信号；根据开关控制信号控制制氢电源的开关。
[0105]
可选地，控制模块还用于：将参考电流与制氢电源当前输出的电流作差，后与预定频率的交流电信号作和的结果输入第二pi控制器后，输出制氢电源的开关控制信号。
[0106]
可选地，电解槽阻抗检测装置600包括输出模块。
[0107]
输出模块用于若电解槽的阻抗处于允许的阻抗范围之外，则输出提示消息。
[0108]
可选地，电解槽阻抗检测装置600包括第二确定模块。
[0109]
第二确定模块用于根据第一电流和预定的对应关系确定允许的阻抗范围。其中，对应关系为制氢电源输出的电流和电解槽的允许的阻抗范围这二者之间的对应关系。
[0110]
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
[0111]
通过上述技术方案，在制氢电源的电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，根据电解槽两端的电压和制氢电源输出的电流在注入前和注入后的检测值，确定出电解槽的阻抗。这样，能够减小电抗器的感性阻抗对电解槽阻抗检测结果的影响，使得计算得到的电解槽阻抗更加准确，从而为电解槽的维护提供可靠的依据。
[0112]
本公开还提供一种电解水制氢装置，包括电解槽、制氢电源和控制器，该控制器用于执行本公开提供的上述方法的步骤。
[0113]
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简
单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
[0114]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0115]
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

技术特征：
1.一种电解槽阻抗检测方法，其特征在于，所述电解槽应用于电解水制氢装置，所述电解水制氢装置包括所述电解槽和制氢电源，所述制氢电源包括电抗器，所述方法包括：在控制所述电解水制氢装置运行时，检测所述电解槽两端的第一电压和所述制氢电源输出的第一电流；向所述电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，并检测所述电解槽两端的第二电压和所述制氢电源输出的第二电流；根据所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二电流确定出所述电解槽的阻抗。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二电流确定出所述电解槽的阻抗，包括：根据所述第一电压和所述第二电压确定出因注入所述交流电信号而增加在所述电解槽两端的第三电压；根据所述第一电流和所述第二电流确定出因注入所述交流电信号而使所述电解槽多输出的第三电流；将所述第三电压和所述第三电流由时域信号转换为频域信号；根据所述第三电压的频域信号和所述第三电流的频域信号，确定所述电解槽的频域阻抗；将所述电解槽的频域阻抗转换为所述电解槽的时域阻抗。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述第三电压和所述第三电流由时域信号转换为频域信号，包括：通过傅里叶变换，将所述第三电压和所述第三电流由时域信号转换为频域信号，所述第三电压的频域信号的信号值和所述第三电流的频域信号的信号值为：其中，为所述第三电压的频域信号的信号值，为所述第三电流的频域信号的信号值，表示所述第三电压的频域信号的振幅频谱，表示所述第三电流的频域信号的振幅频谱，ω为所述交流电信号的角频率，表示所述第三电压的频域信号的相位频谱，表示第三电流的频域信号的相位频谱。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述第三电压的频域信号和所述第三电流的频域信号，确定所述电解槽的频域阻抗，包括：根据以下公式确定所述电解槽的频域阻抗：
其中，r
hyd
(ω)为所述电解槽的频域阻抗。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述电解水制氢装置运行，包括：将预定的参考电压与所述电解槽两端的当前电压之差输入第一pi控制器后，输出参考电流；将所述参考电流与所述制氢电源当前输出的电流之差输入第二pi控制器后，输出所述制氢电源的开关控制信号；根据所述开关控制信号控制所述制氢电源的开关。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述向所述电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，包括：将所述参考电流与所述制氢电源当前输出的电流作差，后与预定频率的交流电信号作和的结果输入所述第二pi控制器后，输出所述制氢电源的开关控制信号。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：若所述电解槽的阻抗处于允许的阻抗范围之外，则输出提示消息。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述第一电流和预定的对应关系确定所述允许的阻抗范围，其中，所述对应关系为所述制氢电源输出的电流和所述电解槽的允许的阻抗范围这二者之间的对应关系。9.一种电解槽阻抗检测装置，其特征在于，所述电解槽应用于电解水制氢装置，所述电解水制氢装置包括所述电解槽和制氢电源，所述制氢电源包括电抗器，所述电解槽阻抗检测装置包括：第一检测模块，用于在控制所述电解水制氢装置运行时，检测所述电解槽两端的第一电压和所述制氢电源输出的第一电流；第二检测模块，用于向所述电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，并检测所述电解槽两端的第二电压和所述制氢电源输出的第二电流；第一确定模块，用于根据所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二电流确定出所述电解槽的阻抗。10.一种电解水制氢装置，其特征在于，包括电解槽、制氢电源和控制器，所述控制器用于执行权利要求1-8中任一项所述方法的步骤。

技术总结
本公开涉及一种电解槽阻抗检测方法、装置和电解水制氢装置。所述电解槽应用于电解水制氢装置，所述电解水制氢装置包括所述电解槽和制氢电源，所述制氢电源包括电抗器。所述方法包括：在控制所述电解水制氢装置运行时，检测所述电解槽两端的第一电压和所述制氢电源输出的第一电流；向所述电抗器的电流上注入预定频率的交流电信号，并检测所述电解槽两端的第二电压和所述制氢电源输出的第二电流；根据所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二电流确定出所述电解槽的阻抗。这样，能够减小电抗器的感性阻抗对电解槽阻抗检测结果的影响，使得计算得到的电解槽阻抗更加准确，从而为电解槽的维护提供可靠的依据。从而为电解槽的维护提供可靠的依据。从而为电解槽的维护提供可靠的依据。


技术研发人员：杨文强 邢小文
受保护的技术使用者：北京低碳清洁能源研究院
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2023/9/22