设计用于燃料电池原位故障预测的便携式系统

到 2050 年，氢预计将成为 10 吨（即万亿美元）的市场，占全球 GDP 的 13%，[1] 氢燃料电池在过去几年中出现了大幅增长，因为越来越多的世界开始认真考虑交通运输的零碳解决方案。氢动力汽车在水解器/电解器周围开辟了新的市场，氢气实际上是在加油站产生的，而不是像我们今天用汽油那样长途运输。大多数产生氢气的电解槽或使用氢气发电的燃料电池的核心是质子交换膜 (PEM)，如图 1 所示。

图 1. PEM 燃料电池。[2]

与其他型号相比，PEM 电池具有能够在相对较低的温度下运行的优势，同时具有尺寸和重量优势。只要以适当的数量和条件提供氢气和氧气作为燃料，这种燃料电池就可以发电。电解槽由类似的部件制成，基本以相反的方式运行：向水供电，产生氧气和氢气。
随着 PEM 燃料电池在公共汽车、汽车和轻轨车辆等更多运输车辆中的应用，在故障发生之前对其进行预测变得越来越重要。文献 [3,4] 表明，电化学阻抗谱 (EIS) 技术可用于检测 PEM 内的针孔故障以及其他故障模式。这通常在提供 10 到 100 安培范围内的电流的大型台式仪器上完成。然而，这些仪器是大型系统，不能很好地扩展到允许就地诊断的可运输燃料电池。本文介绍了使便携式 EIS 系统在 1 A 至 100 A 的激励电流下工作以及利用AD5941W的优势所面临的挑战[5] EIS 引擎。这项工作可以应用于燃料电池、电解槽、电池和其他低阻抗系统。

实验

该开发的基本测量引擎是 Analog Devices 的 AD5941W，它是一款高精度阻抗和电化学前端，能够进行恒电位和恒电流测量。对于这些测试，燃料电池（类似于电池）需要进行恒电流测量，其中会产生电流并测量电压。请参见图 2 所示的框图。

图 2. AD5941W 框图显示了用于激励的高 BW AFE 路径以及用于校准和 DFT/EIS 分析的精密 ADC 路径。

该项目从CN0510的测试开始，ADI 制造的电池专用阻抗测量板，可利用强大的 AD5941W EIS 引擎帮助客户进行电池阻抗测试，该引擎可进行精确的阻抗测量。很快，这种方法显然存在局限性，即用于电池交流激励的低电流和该板上使用的外部放大器的 1/f 噪声角，以及对接收器使用交流去耦链限制刺激和接收的低频角。燃料电池的预期洞察发生在 ~100 Hz 或以下，最高 10s kHz，以及高达 10 A 的刺激电流（为了超过燃料电池的过程噪声），很明显该板需要修订。CN0510 如图 3 所示。

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图 3. CN0510 电池阻抗系统。

扩展这种方法的电流激励范围的一种方法是获取激励激励信号（图 3 中的 CE0）并将其发送到可远程控制的电子负载；在这种情况下，菊水 PLZ303W.[6] 这种方法如图 4 所示。

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图 4. Kikusui PLZ303W 与 CN0510 板的电气连接。

当使用 10 安培时，考虑布线的寄生电感很重要，并尽可能使用双绞线以减少电压噪声拾取。该系统在 10 mΩ DUT 上产生了标准偏差在 ~1 μΩ 至 2 μΩ 范围内的强阻抗数据，如图 5 所示。

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图 5. 来自使用 Kikusui PLZ303W 的 10 mΩ DUT 的数据。

这些数据也是跨频率采集的，以了解仪器因激励而产生的滚降，如图 6 所示，误差条显示随着激励频率降低，由于接收器信号链中的交流耦合，可重复性较差。

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图 6. 使用 Kikusui PLZ303W 在整个频率范围内测量的 10 mΩ DUT。

需要注意的是 Kikusui 设备重约 10 公斤，因此它不适合便携式电子产品。然而，这验证了该方法并将我们推向小型化。使用AD8618运算放大器构建了基于标准运算放大器的压控电流源 (VCCS) 。选择此放大器是为了获得适当的增益 BW 以及良好的精度性能。这在图 7 中示意性地显示。

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图 7. 用于分立 VCCS 测试的电路。

虽然图 7 中电路的完整推导超出了本文的范围，但值得注意的是，任何较长的布线都应与使用局部去耦以管理寄生电感一起扭曲。图 7 中的 C2 用作降噪上限，但确实会导致约 1 kHz 以上的频率滚降。图 8 显示了测量电路的更新框图。

开发了一个自定义 Python 脚本，以允许直接控制激励节点上的激励频率、直流和交流幅度，以及校准电阻器调整。激励信号和接收信号如图 9 所示。

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图 8. 更新后的框图，带有新的电流激励器级。

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图 9. 来自有源电流吸收器的 1 Hz 和 10 Hz 的激励和接收信号：Ch 1—AD5941W CE0 输出、Ch 2—激励电流、Ch 3—SNS_P 输入信号、Ch 4—到运算放大器的衰减信号。

图 10 显示了此有源电流吸收器的结果，以及表 1 中接收信号链中不同去耦电容的结果，表 1 显示了去耦电容上实际阻抗误差的标准偏差。

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图 10. 来自 100 mΩ 实际阻抗 (N = 10) 的返回数据显示了较低频率下的误差。

	真实标准	假想标准
2.2 µF	10.17873	7.712895	mΩ
22µF	8.63443	6.755872	mΩ
100µF	3.75349	7.49259	mΩ

表 1. 0.1 Hz 激励、100 mΩ DUT 时的误差比较

很明显，接收器信号链中的输入电容器对平均阻抗测量及其可重复性都有影响。较大的电容值会改善误差的标准偏差，而 100 μF 是该电路板上实际适合的最大尺寸。

将 DUT 的阻抗降低到 10 mΩ 会在较低频率下显示类似的误差，如图 11 所示。

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图 11. 10 mΩ 实际阻抗 (N = 10) 的返回数据。

该实验进一步扩展到 1 mΩ，以评估测量中有多少误差。如图 12 所示。

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图 12. 1 mΩ 实际阻抗 (N = 10) 的返回数据。

既然已经使用电阻器证明了基本的电子功能，下一步就是将这些方法应用于实际的燃料电池。

燃料电池 EIS 测量

采用图 7 中描述的电路，下一步是查看实际的氢燃料电池。测试了 Flex-Stak[7] 燃料电池以检查 Nyquist 图，这是一种可视化实/虚阻抗的方法，其中频率在整个测量过程中发生变化。第一个测试如图 13 所示。

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图 13. Flex-Stak 燃料电池 EIS 奈奎斯特图。

虽然该燃料电池的阻抗仅为 100 几 mΩ，但 AD5941W 与有源电流吸收器一起能够对 1 Hz 至 5 kHz 的燃料电池阻抗进行成像。图 13 中的奈奎斯特图大致近似于该燃料电池的预期值，并且直流激励大于燃料电池的额定容量，并且该实验可能遭受了某种程度的燃料不足。为进行 EIS 测量而引入的交流扰动也非常大，并且超出了测量的直流激励的线性响应。除了展示 AD5941W EIS 电路的功能外，不应阅读此特定测试的功能洞察力。需要更多的测试来深入了解这种特定燃料电池的响应。然而，这种电路拓扑，如果应用得当，

在对小型氢燃料电池进行测试后，该方法在生产（66 节）风冷巴拉德燃料电池堆上进行了测试，以评估其原位诊断的可行性。这将使氢燃料电池的运营商更好地了解完整的燃料电池堆及其在运行中的电化学功能。目前，操作员唯一可用的诊断是电池组产生的电力。这种新的分析技术可以类比为将您的汽车插入修理厂并拉出错误代码。

与图 7 类似的设置也用于在燃料电池堆的预期直流工作点的一小部分 (~5%) 处生成用于阻抗测量的应用电流扰动。这是至关重要的，因为这允许电化学系统在线性操作范围内成像，然后将允许阻抗数据的外推适用于整个系统。 [8]

使用 Kikusui EIS 系统和 AD5941W 系统的比较测试结果如图 14 所示。

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图 14. 巴拉德氢燃料电池堆上 Kikusui EIS 和 ADI AD5941W EIS 系统的比较。

图 14 显示了直流工作电流范围为 10 A 至 60 A 时的奈奎斯特图。EIS 测量范围为 1 Hz（右侧半圆）至 5 kHz（左侧）。实线（AD5941W 仪器仪表）和虚线（Kikusui）与较高的频率水平相一致，其中分立式 VCCS 的设计限制（稳定性和高频能力之间的权衡）开始变得明显。电化学在低频和高频 EIS 扫描中都有价值，因此最好使用的电子设备可能取决于用例。然而，该扫描表明，重量和尺寸仅为台式仪器 1/100 的小型手持式仪器对于氢燃料电池堆光谱学是可行的。

正是这种车载燃料电池诊断方面的创新应该有助于氢经济潜在地扩大到其预计的万亿美元市场规模。合作结合电子学、电化学和系统设计方面的最佳知识是开始出现基于氢燃料的完全绿色经济的一种可能方式。

参考

1 Alberto Gandolf、Ajay Patel、Michele Della Vigna、Mafalda Pombeiro 和 Mathieu Pidoux。绿色氢：公用事业行业的下一个转型驱动力。高盛集团，2020 年 9 月。

2质子交换膜燃料电池。维基百科。

3 Jacob W. Devaal、Hooman Homayouni 和 Farid Golnaraghi。“用于储能系统诊断的降低堆栈 电压电路。” 巴拉德动力系统公司，2018 年。

4 Ghassan Hassan Mousa、Jacob William De Vaal 和 Farid Golnaraghi。“使用神经网络和 EIS 信号分析来量化 运行 PEM 细胞中的 H2 原位交叉。 ”巴拉德动力系统公司，2020 年。

5“用于小型化实验室级电化学测量的电子解决方案。” Analog Devices, Inc.，2019 年 11 月。

6《菊水PLZ303W遥控电流源说明书》。菊水电子株式会社

7“ Flex-Stak 燃料电池。” 燃料电池商店。

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

所有图片和表格均由ADI公司提供。

审核编辑 黄昊宇