設計用于燃料電池原位故障預測的便攜式系統(tǒng)

到 2050 年，氫預計將成為 10 噸（即萬億美元）的市場，占全球 GDP 的 13%，[1] 氫燃料電池在過去幾年中出現(xiàn)了大幅增長，因為越來越多的世界開始認真考慮交通運輸?shù)牧闾冀鉀Q方案。氫動力汽車在水解器/電解器周圍開辟了新的市場，氫氣實際上是在加油站產(chǎn)生的，而不是像我們今天用汽油那樣長途運輸。大多數(shù)產(chǎn)生氫氣的電解槽或使用氫氣發(fā)電的燃料電池的核心是質(zhì)子交換膜 (PEM)，如圖 1 所示。

圖 1. PEM 燃料電池。[2]

與其他型號相比，PEM 電池具有能夠在相對較低的溫度下運行的優(yōu)勢，同時具有尺寸和重量優(yōu)勢。只要以適當?shù)臄?shù)量和條件提供氫氣和氧氣作為燃料，這種燃料電池就可以發(fā)電。電解槽由類似的部件制成，基本以相反的方式運行：向水供電，產(chǎn)生氧氣和氫氣。
隨著 PEM 燃料電池在公共汽車、汽車和輕軌車輛等更多運輸車輛中的應用，在故障發(fā)生之前對其進行預測變得越來越重要。文獻 [3,4] 表明，電化學阻抗譜 (EIS) 技術可用于檢測 PEM 內(nèi)的針孔故障以及其他故障模式。這通常在提供 10 到 100 安培范圍內(nèi)的電流的大型臺式儀器上完成。然而，這些儀器是大型系統(tǒng)，不能很好地擴展到允許就地診斷的可運輸燃料電池。本文介紹了使便攜式 EIS 系統(tǒng)在 1 A 至 100 A 的激勵電流下工作以及利用AD5941W的優(yōu)勢所面臨的挑戰(zhàn)[5] EIS 引擎。這項工作可以應用于燃料電池、電解槽、電池和其他低阻抗系統(tǒng)。

實驗

該開發(fā)的基本測量引擎是 Analog Devices 的 AD5941W，它是一款高精度阻抗和電化學前端，能夠進行恒電位和恒電流測量。對于這些測試，燃料電池（類似于電池）需要進行恒電流測量，其中會產(chǎn)生電流并測量電壓。請參見圖 2 所示的框圖。

圖 2. AD5941W 框圖顯示了用于激勵的高 BW AFE 路徑以及用于校準和 DFT/EIS 分析的精密 ADC 路徑。

該項目從CN0510的測試開始，ADI 制造的電池專用阻抗測量板，可利用強大的 AD5941W EIS 引擎幫助客戶進行電池阻抗測試，該引擎可進行精確的阻抗測量。很快，這種方法顯然存在局限性，即用于電池交流激勵的低電流和該板上使用的外部放大器的 1/f 噪聲角，以及對接收器使用交流去耦鏈限制刺激和接收的低頻角。燃料電池的預期洞察發(fā)生在 ~100 Hz 或以下，最高 10s kHz，以及高達 10 A 的刺激電流（為了超過燃料電池的過程噪聲），很明顯該板需要修訂。CN0510 如圖 3 所示。

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圖 3. CN0510 電池阻抗系統(tǒng)。

擴展這種方法的電流激勵范圍的一種方法是獲取激勵激勵信號（圖 3 中的 CE0）并將其發(fā)送到可遠程控制的電子負載；在這種情況下，菊水 PLZ303W.[6] 這種方法如圖 4 所示。

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圖 4. Kikusui PLZ303W 與 CN0510 板的電氣連接。

當使用 10 安培時，考慮布線的寄生電感很重要，并盡可能使用雙絞線以減少電壓噪聲拾取。該系統(tǒng)在 10 mΩ DUT 上產(chǎn)生了標準偏差在 ~1 μΩ 至 2 μΩ 范圍內(nèi)的強阻抗數(shù)據(jù)，如圖 5 所示。

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圖 5. 來自使用 Kikusui PLZ303W 的 10 mΩ DUT 的數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)也是跨頻率采集的，以了解儀器因激勵而產(chǎn)生的滾降，如圖 6 所示，誤差條顯示隨著激勵頻率降低，由于接收器信號鏈中的交流耦合，可重復性較差。

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圖 6. 使用 Kikusui PLZ303W 在整個頻率范圍內(nèi)測量的 10 mΩ DUT。

需要注意的是 Kikusui 設備重約 10 公斤，因此它不適合便攜式電子產(chǎn)品。然而，這驗證了該方法并將我們推向小型化。使用AD8618運算放大器構(gòu)建了基于標準運算放大器的壓控電流源 (VCCS) 。選擇此放大器是為了獲得適當?shù)脑鲆?BW 以及良好的精度性能。這在圖 7 中示意性地顯示。

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圖 7. 用于分立 VCCS 測試的電路。

雖然圖 7 中電路的完整推導超出了本文的范圍，但值得注意的是，任何較長的布線都應與使用局部去耦以管理寄生電感一起扭曲。圖 7 中的 C2 用作降噪上限，但確實會導致約 1 kHz 以上的頻率滾降。圖 8 顯示了測量電路的更新框圖。

開發(fā)了一個自定義 Python 腳本，以允許直接控制激勵節(jié)點上的激勵頻率、直流和交流幅度，以及校準電阻器調(diào)整。激勵信號和接收信號如圖 9 所示。

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圖 8. 更新后的框圖，帶有新的電流激勵器級。

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圖 9. 來自有源電流吸收器的 1 Hz 和 10 Hz 的激勵和接收信號：Ch 1—AD5941W CE0 輸出、Ch 2—激勵電流、Ch 3—SNS_P 輸入信號、Ch 4—到運算放大器的衰減信號。

圖 10 顯示了此有源電流吸收器的結(jié)果，以及表 1 中接收信號鏈中不同去耦電容的結(jié)果，表 1 顯示了去耦電容上實際阻抗誤差的標準偏差。

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圖 10. 來自 100 mΩ 實際阻抗 (N = 10) 的返回數(shù)據(jù)顯示了較低頻率下的誤差。

表 1. 0.1 Hz 激勵、100 mΩ DUT 時的誤差比較

很明顯，接收器信號鏈中的輸入電容器對平均阻抗測量及其可重復性都有影響。較大的電容值會改善誤差的標準偏差，而 100 μF 是該電路板上實際適合的最大尺寸。

將 DUT 的阻抗降低到 10 mΩ 會在較低頻率下顯示類似的誤差，如圖 11 所示。

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圖 11. 10 mΩ 實際阻抗 (N = 10) 的返回數(shù)據(jù)。

該實驗進一步擴展到 1 mΩ，以評估測量中有多少誤差。如圖 12 所示。

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圖 12. 1 mΩ 實際阻抗 (N = 10) 的返回數(shù)據(jù)。

既然已經(jīng)使用電阻器證明了基本的電子功能，下一步就是將這些方法應用于實際的燃料電池。

燃料電池 EIS 測量

采用圖 7 中描述的電路，下一步是查看實際的氫燃料電池。測試了 Flex-Stak[7] 燃料電池以檢查 Nyquist 圖，這是一種可視化實/虛阻抗的方法，其中頻率在整個測量過程中發(fā)生變化。第一個測試如圖 13 所示。

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圖 13. Flex-Stak 燃料電池 EIS 奈奎斯特圖。

雖然該燃料電池的阻抗僅為 100 幾 mΩ，但 AD5941W 與有源電流吸收器一起能夠?qū)?1 Hz 至 5 kHz 的燃料電池阻抗進行成像。圖 13 中的奈奎斯特圖大致近似于該燃料電池的預期值，并且直流激勵大于燃料電池的額定容量，并且該實驗可能遭受了某種程度的燃料不足。為進行 EIS 測量而引入的交流擾動也非常大，并且超出了測量的直流激勵的線性響應。除了展示 AD5941W EIS 電路的功能外，不應閱讀此特定測試的功能洞察力。需要更多的測試來深入了解這種特定燃料電池的響應。然而，這種電路拓撲，如果應用得當，

在對小型氫燃料電池進行測試后，該方法在生產(chǎn)（66 節(jié)）風冷巴拉德燃料電池堆上進行了測試，以評估其原位診斷的可行性。這將使氫燃料電池的運營商更好地了解完整的燃料電池堆及其在運行中的電化學功能。目前，操作員唯一可用的診斷是電池組產(chǎn)生的電力。這種新的分析技術可以類比為將您的汽車插入修理廠并拉出錯誤代碼。

與圖 7 類似的設置也用于在燃料電池堆的預期直流工作點的一小部分 (~5%) 處生成用于阻抗測量的應用電流擾動。這是至關重要的，因為這允許電化學系統(tǒng)在線性操作范圍內(nèi)成像，然后將允許阻抗數(shù)據(jù)的外推適用于整個系統(tǒng)。 [8]

使用 Kikusui EIS 系統(tǒng)和 AD5941W 系統(tǒng)的比較測試結(jié)果如圖 14 所示。

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圖 14. 巴拉德氫燃料電池堆上 Kikusui EIS 和 ADI AD5941W EIS 系統(tǒng)的比較。

圖 14 顯示了直流工作電流范圍為 10 A 至 60 A 時的奈奎斯特圖。EIS 測量范圍為 1 Hz（右側(cè)半圓）至 5 kHz（左側(cè)）。實線（AD5941W 儀器儀表）和虛線（Kikusui）與較高的頻率水平相一致，其中分立式 VCCS 的設計限制（穩(wěn)定性和高頻能力之間的權衡）開始變得明顯。電化學在低頻和高頻 EIS 掃描中都有價值，因此最好使用的電子設備可能取決于用例。然而，該掃描表明，重量和尺寸僅為臺式儀器 1/100 的小型手持式儀器對于氫燃料電池堆光譜學是可行的。

正是這種車載燃料電池診斷方面的創(chuàng)新應該有助于氫經(jīng)濟潛在地擴大到其預計的萬億美元市場規(guī)模。合作結(jié)合電子學、電化學和系統(tǒng)設計方面的最佳知識是開始出現(xiàn)基于氫燃料的完全綠色經(jīng)濟的一種可能方式。

參考

1 Alberto Gandolf、Ajay Patel、Michele Della Vigna、Mafalda Pombeiro 和 Mathieu Pidoux。綠色氫：公用事業(yè)行業(yè)的下一個轉(zhuǎn)型驅(qū)動力。高盛集團，2020 年 9 月。

2質(zhì)子交換膜燃料電池。維基百科。

3 Jacob W. Devaal、Hooman Homayouni 和 Farid Golnaraghi?！坝糜趦δ芟到y(tǒng)診斷的降低堆棧 電壓電路?！?巴拉德動力系統(tǒng)公司，2018 年。

4 Ghassan Hassan Mousa、Jacob William De Vaal 和 Farid Golnaraghi?！笆褂?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/神經(jīng)網(wǎng)絡/" target="_blank">神經(jīng)網(wǎng)絡和 EIS 信號分析來量化 運行 PEM 細胞中的 H2 原位交叉。 ”巴拉德動力系統(tǒng)公司，2020 年。

5“用于小型化實驗室級電化學測量的電子解決方案?！?Analog Devices, Inc.，2019 年 11 月。

6《菊水PLZ303W遙控電流源說明書》。菊水電子株式會社

7“ Flex-Stak 燃料電池?！?燃料電池商店。

8 Richard G. Compton 和 Craig E. Banks。了解伏安法。世界科學，2018 年 8 月。

所有圖片和表格均由ADI公司提供。

審核編輯 黃昊宇