Procedimiento de caracterización de un sistema eléctrico mediante espectroscopia de impedancia.

Procedimiento de caracterización del sistema eléctrico que comprende unas etapas que consisten en:

- aplicar a dicho sistema eléctrico una señal de entrada que comprende una secuencia de perturbaciones sinusoidales de corriente o de tensión, alrededor de un punto de polarización de dicho sistema eléctrico, teniendo cada perturbación una frecuencia diferente que pertenece a un conjunto principal (A) de frecuencias,

- medir una señal de salida de dicho sistema eléctrico en respuesta a dicha señal de entrada para cada una de dichas perturbaciones aplicadas,

- estimar una magnitud característica de la impedancia de dicho sistema eléctrico para cada una de dichas perturbaciones aplicadas, caracterizando el conjunto de dichas estimaciones de la magnitud característica de la impedancia a dicho sistema eléctrico, aplicándose las perturbaciones de dicha secuencia de manera que se barra por turnos una pluralidad de subconjuntos (A1, ..., An) siendo cada uno de dichos subconjuntos (A1, ..., An15 ) un conjunto de frecuencias extraído del conjunto principal (A), estando cada subconjunto de dicha pluralidad de subconjuntos entrelazado con al menos otro subconjunto de la misma pluralidad de manera que comprenda al menos una frecuencia comprendida entre dos frecuencias consecutivas de dicho otro subconjunto con el que está entrelazado;

estando el procedimiento caracterizado porque la intersección de dichos subconjuntos es igual al conjunto vacío.

Procedimiento de caracterización de un sistema eléctrico mediante espectroscopia de impedancia Campo técnico

La presente invención se refiere al campo general de los sistemas eléctricos, y se refiere más especialmente a un procedimiento de caracterización de dicho sistema eléctrico mediante espectroscopia de impedancia.

El sistema eléctrico puede ser un dispositivo electroquímico, tal como una pila de combustible, un electrolizador, una batería primaria o recargable, incluso cualquier otro tipo de sistema eléctrico.

Estado de la técnica anterior

La espectroscopia de impedancia es una técnica de caracterización utilizada en numerosos campos técnicos.

A título ilustrativo, la espectroscopia de impedancia se utiliza en los campos de la corrosión, por ejemplo para estimar la tasa de corrosión de una pieza metálica, de electrodeposición, o incluso para la determinación de un estado de salud de un dispositivo electroquímico tal como una pila de combustible.

En este último caso, la técnica de la espectroscopia de impedancia se puede utilizar para detectar la obstrucción y la desecación de una pila de combustible, tal como lo describe el artículo de Fouquet et ál. titulado "Model based PEM fuel cell state-of-health monitoring via ac impedance measurements" y publicado en 26 en el Journal of Power

Sources, 159, 95-913.

Como se ha representado en la figura 1, se aplica una corriente ie a la pila 1, que presenta una secuencia de perturbaciones sinusoidales alrededor de un punto de polarización (figura 2). La corriente ie se aplica mediante una carga activa 2 que proporciona una corriente continua a la que se superponen dichas perturbaciones. La frecuencia de éstas se controla mediante un dispositivo de análisis de impedancia 3. Las perturbaciones presentan una amplitud reducida y cubren un amplio intervalo de frecuencias.

La tensión en respuesta a estas perturbaciones se mide en los terminales de la pila. El analizador de impedancia 3 da la evolución en el plano de Nyquist de la parte imaginaria de la impedancia en función de su parte real.

Las perturbaciones se aplican clásicamente de manera que barran un amplio intervalo de frecuencias, yendo desde las altas frecuencias hasta las bajas frecuencias, estando espaciadas las frecuencias de manera logarítmica. El intervalo de frecuencias puede ir desde algunos milihercios a algunas decenas de kilohercios.

De ese modo, la parte de las altas frecuencias es barrida muy rápidamente, mientras que para las bajas frecuencias, el tiempo de medición se convierte en no despreciable. Por ejemplo, es suficiente un segundo para pasar de 1 kHz a 5 Hz con aproximadamente cien puntos por década, mientras que son necesarios varios minutos para las mediciones de frecuencias inferiores a 1 Hz.

La explotación de los datos experimentales necesita que la pila permanezca estable durante el tiempo de aplicación de dichas perturbaciones, es decir que el valor medio de la corriente de polarización y de la tensión de respuesta permanezcan constantes en el tiempo.

Ahora bien, esta hipótesis no puede verificarse, particularmente durante degradaciones o fallos momentáneos del sistema eléctrico. A título de ejemplo, la desecación y el atascamiento de la pila de combustible del tipo PEM hace inestable la pila, lo que hace imposible el aprovechamiento de la medición de la impedancia.

El artículo de X. Yuan et ál. titulado "AC Impedance technique in PEM fuel cell diagnoses- A review" publicado en la revista International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 32, 27, páginas 4365-438, describe un procedimiento de caracterización de una pila de combustible del tipo PEM, mediante espectroscopia de impedancia aplicando una secuencia de perturbaciones sinusoidales según un barrido de un intervalo de frecuencias.

La técnica actual de espectroscopia de impedancia presenta el inconveniente de no permitir identificar directamente, durante el barrido del intervalo de frecuencias, un cambio en la condición de estabilidad del sistema eléctrico.

Exposición de la invención

El objetivo de la presente invención es proponer un procedimiento de caracterización del sistema eléctrico mediante espectroscopia de impedancia, que permita verificar simple y rápidamente la estabilidad de dicho sistema, durante el barrido del intervalo de frecuencias.

Para hacer esto, la invención tiene por objetivo un procedimiento de caracterización de un sistema eléctrico que

comprende las etapas que consisten en:

- aplicar a dicho sistema eléctrico una señal de entrada que comprende una secuencia de perturbaciones sinusoidales de corriente o de tensión, alrededor de un punto de polarización de dicho sistema eléctrico, teniendo cada perturbación una frecuencia diferente que pertenece a un conjunto principal de frecuencias;

- medir una señal de salida de dicho sistema eléctrico en respuesta a dicha señal de entrada para cada una de dichas perturbaciones aplicadas;

- estimar una magnitud característica de la impedancia de dicho sistema eléctrico para cada una de dichas perturbaciones aplicadas, caracterizando el conjunto de dichas estimaciones de la magnitud característica de la impedancia a dicho sistema eléctrico.

Según la invención, las perturbaciones de dicha secuencia se aplican de manera que se barra por turnos una pluralidad de subconjuntos de frecuencias extraídos de dicho conjunto principal, siendo cada uno de dichos subconjuntos (A1,..., An) un conjunto de frecuencias extraído del conjunto principal (A), siendo la intersección de dichos subconjuntos igual al conjunto vacío, estando cada subconjunto de dicha pluralidad entrelazado con al menos otro subconjunto de la misma pluralidad, de manera que comprenda al menos una frecuencia comprendida entre dos frecuencias consecutivas de dicho otro subconjunto con el que está entrelazado.

De ese modo, el hecho de que los subconjuntos de frecuencias estén entrelazados llega a formar una zona de envolvente entre dos subconjuntos considerados, contiguos o no uno del otro. Una discontinuidad en los valores de la impedancia situada en esta zona de envolvente pone directamente en evidencia la inestabilidad del sistema eléctrico estudiado. La condición de estabilidad del sistema eléctrico puede verificarse por lo tanto simple y rápidamente, durante el barrido del conjunto de frecuencias determinado.

Preferentemente, cada subconjunto de dicha pluralidad está entrelazado con todos los otros subconjuntos de la misma pluralidad.

Las perturbaciones de dicha secuencia se aplican de manera que se barran de manera monótona o aleatoria las frecuencias de cada subconjunto.

Las perturbaciones de dicha secuencia se aplican de manera que se barra de madera monótona, o aleatoria, dichos subconjuntos de frecuencias de dicha pluralidad.

Dicho sistema eléctrico puede ser cualquier dispositivo electroquímico, como, por ejemplo, un electrolizador o una pila de combustible.

La invención trata igualmente de un procedimiento de control de un sistema eléctrico tal como se define en la reivindicación 9.

Surgirán otras ventajas y características de la invención en la descripción detallada a continuación, no limitativa. Breve descripción de los dibujos

Se describirán ahora, a título de ejemplos no limitativos, unos modos de realización de la invención, con referencia a los dibujos adjuntos, entre los que:

la figura 1, ya descrita, es una representación esquemática de una pila de combustible conectada a una fuente de corriente y a un analizador de impedancia;

la figura 2, ya descrita, es un gráfico que representa la aplicación de una perturbación de corriente a la pila de combustible de la figura 1, alrededor de un punto de polarización;

las figuras 3A y 3B son los gráficos que representan la evolución de la impedancia en función de las perturbaciones aplicadas, en caso de estabilidad (figura 3A) y de inestabilidad (figura 3B) del sistema eléctrico;

la figura 4 es un ejemplo de entrelazado de las frecuencias barridas mediante una secuencia de perturbaciones.

Exposición detallada de un modo de realización preferido

El sistema eléctrico es, en lo que sigue de la descripción, una pila de combustible del tipo de membrana de intercambio de protones.

El sistema eléctrico no está sin embargo limitado a una pila de combustible, sino que puede ser un electrolizador, una batería primaria o recargable, cualquier otro tipo de dispositivo electroquímico, así como cualquier sistema

eléctrico que pueda recibir o suministrar energía eléctrica.

La pila de combustible se conecta a un dispositivo de potencia que permita imponer... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de caracterización del sistema eléctrico que comprende unas etapas que consisten en:

- aplicar a dicho sistema eléctrico una señal de entrada que comprende una secuencia de perturbaciones sinusoidales de corriente o de tensión, alrededor de un punto de polarización de dicho sistema eléctrico, teniendo cada perturbación una frecuencia diferente que pertenece a un conjunto principal (A) de frecuencias,

- medir una señal de salida de dicho sistema eléctrico en respuesta a dicha señal de entrada para cada una de dichas perturbaciones aplicadas,

- estimar una magnitud característica de la impedancia de dicho sistema eléctrico para cada una de dichas perturbaciones aplicadas, caracterizando el conjunto de dichas estimaciones de la magnitud característica de la impedancia a dicho sistema eléctrico, aplicándose las perturbaciones de dicha secuencia de manera que se barra por turnos una pluralidad de subconjuntos (A1,..., An) siendo cada uno de dichos subconjuntos (A1,..., An) un conjunto de frecuencias extraído del conjunto principal (A), estando cada subconjunto de dicha pluralidad de subconjuntos entrelazado con al menos otro subconjunto de la misma pluralidad de manera que comprenda al menos una frecuencia comprendida entre dos frecuencias consecutivas de dicho otro subconjunto con el que está entrelazado;

estando el procedimiento caracterizado porque la intersección de dichos subconjuntos es igual al conjunto vacío.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque cada subconjunto de dicha pluralidad está entrelazado con todos los otros subconjuntos de la misma pluralidad

3. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque las perturbaciones de dicha secuencia se aplican de manera que se barran de manera monótona las frecuencias de cada subconjunto (A1).

4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque las perturbaciones de dicha secuencia se aplican de manera que se barran de manera aleatoria las frecuencias de cada subconjunto (A1).

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los subconjuntos se clasifican siguiendo un orden determinado, siendo aplicadas las perturbaciones de dicha secuencia de manera que se barran de manera monótona dichos subconjuntos (A1,..., An) de dicha pluralidad.

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los subconjuntos se clasifican siguiendo un orden determinado, siendo aplicadas las perturbaciones de dicha secuencia de manera que se barran de manera aleatoria dichos subconjuntos (A1,..., An) de dicha pluralidad.

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque comprende las etapas ulteriores que consisten en:

- calcular una desviación entre la estimación de dicha magnitud característica de la impedancia para una primera frecuencia de un primer subconjunto de dicha pluralidad de subconjuntos por un lado, y un valor obtenido por interpolación, para la misma primera frecuencia, de las estimaciones de dicha magnitud característica para dos frecuencias consecutivas de un segundo subconjunto de la misma pluralidad por otro lado, entre las que dicha primera frecuencia está situada;

- detectar una inestabilidad del sistema eléctrico cuando dicha desviación calculada sobrepasa una desviación de umbral predeterminada.

8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicho sistema eléctrico es una pila de combustible.

9. Procedimiento de control de un sistema eléctrico, caracterizado porque comprende:

- la realización del procedimiento de caracterización según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, para caracterizar dicho sistema eléctrico mediante el conjunto de dichas estimaciones de la magnitud característica de la impedancia; y posteriormente

- la medición de una desviación entre al menos una de dichas estimaciones de la magnitud característica de la impedancia de dicho sistema eléctrico y al menos un valor de referencia de dicha magnitud; y posteriormente

- la aplicación de una orden a dicho sistema eléctrico cuando dicha desviación medida sobrepasa una desviación de umbral predeterminada.