燃料電池堆由多片單體串聯(lián)組成，供氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素使得電堆內(nèi)各單片工作條件存在差異，引起單片水含量存在不一致，造成部分單片水含量過(guò)高或過(guò)低。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料電池單片水含量對(duì)于實(shí)現(xiàn)電堆性能穩(wěn)定輸出異常重要。本文介紹豐田汽車(chē)公司車(chē)載燃料電池堆交流阻抗在線測(cè)量技術(shù)。

本文特邀行業(yè)技術(shù)專家撰稿，作者從業(yè)燃料電池領(lǐng)域多年，車(chē)用燃料電池研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富，國(guó)內(nèi)開(kāi)展和實(shí)現(xiàn)了車(chē)用燃料電池堆和單片交流阻抗測(cè)量技術(shù)研究與應(yīng)用，擁有31項(xiàng)國(guó)內(nèi)發(fā)明專li。

氫燃料電池系統(tǒng)是由空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成，氫燃料電池系統(tǒng)控制策略是由空氣系統(tǒng)控制、氫氣系統(tǒng)控制、冷卻系統(tǒng)控制、故障診斷、系統(tǒng)功率控制和水管理等有機(jī)構(gòu)成的。

燃料電池系統(tǒng)輸出性能，是一種直觀評(píng)價(jià)燃料電池系統(tǒng)控制效果的指標(biāo)。其得益于電壓和電流的可測(cè)量性，因此易于從時(shí)間和統(tǒng)計(jì)特性相結(jié)合的角度，去評(píng)價(jià)燃料電池系統(tǒng)預(yù)期工作條件選擇的合理性，去評(píng)價(jià)燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配集成與控制的優(yōu)化程度，進(jìn)而決定了空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)三者控制策略的主要控制目標(biāo)。與之對(duì)比，水管理策略則扮演著修正空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)三者控制策略的控制目標(biāo)的角色。水管理依賴于燃料電池內(nèi)水分布和水含量的測(cè)量結(jié)果(學(xué)術(shù)熱點(diǎn)和應(yīng)用難點(diǎn))，其難度隨著燃料電池單片數(shù)量增加而加大(鮮有報(bào)道成果)。

燃料電池水含量測(cè)量技術(shù)手段很多，目前公知的應(yīng)用于車(chē)載燃料電池系統(tǒng)的是交流阻抗測(cè)量技術(shù)。交流阻抗與燃料電池水含量的聯(lián)系紐帶是膜電極內(nèi)質(zhì)子傳導(dǎo)率(反比于電阻率)與膜電極內(nèi)水含量的正相關(guān)關(guān)系。下圖為2010年豐田在SAE文獻(xiàn)中報(bào)道的質(zhì)子交換膜阻抗與燃料電池單片水含量的數(shù)據(jù)，阻抗測(cè)量頻率為1kHz。

豐田質(zhì)子交換膜阻抗與單片水含量關(guān)系

用A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)將圖1中曲線分成三段，AB段代表燃料電池單片水含量過(guò)低，CD段代表燃料電池單片水含量過(guò)高，無(wú)論燃料電池單片水含量過(guò)高或過(guò)低都將導(dǎo)致燃料電池輸出性能下降(上圖所示)，中間BC段代表燃料電池水含量和輸出性能變化是有邊界的。豐田實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，BC段是一定存在的，其存在的意義是燃料電池系統(tǒng)水管理策略的實(shí)時(shí)性要求有所降低，同時(shí)B點(diǎn)和C點(diǎn)的選擇是有依據(jù)的，至少有四個(gè)方面：第yi，B點(diǎn)和C點(diǎn)的燃料電池輸出電壓是相近的；第二，B點(diǎn)與C點(diǎn)之間的燃料電池阻抗變化必須是可測(cè)量的且可有效區(qū)分的；第三，B點(diǎn)和C點(diǎn)之間的燃料電池工作條件控制是易于實(shí)現(xiàn)的；第四，B點(diǎn)和C點(diǎn)之間的燃料電池水含量變化對(duì)耐久性的損傷是較弱的，比如質(zhì)子交換膜膨脹率、膜電極電流和溫度分布均勻性。

豐田燃料電池輸出性能與單片水含量關(guān)系

值得注意的是，圖1和圖2出自同一篇文獻(xiàn)報(bào)道，但圖1和圖2所對(duì)應(yīng)的燃料電池單片工作條件是不充分已知，在實(shí)際燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)因地制宜。此外，燃料電池單片水含量與交流阻抗的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)往往沒(méi)有公開(kāi)，文獻(xiàn)報(bào)道中的數(shù)據(jù)也多年未更新，而近二十年內(nèi)燃料電池膜電極材料性能提升顯著，因此圖1數(shù)據(jù)僅供參考。

用交流阻抗估算燃料電池水含量有兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，第yi是測(cè)量交流阻抗，第二是根據(jù)工作條件推測(cè)燃料電池水含量。下面以豐田公司技術(shù)為實(shí)例著重闡述第yi個(gè)環(huán)節(jié)。

下圖為豐田燃料電池系統(tǒng)交流阻抗測(cè)量技術(shù)原理。從電氣配置角度講，具備高壓DC/DC變換器、電流傳感器、電壓傳感器。其中，高壓DC/DC變換器與燃料電池堆正負(fù)極相連，用于對(duì)燃料電池堆施加電激勵(lì)信號(hào)；電流傳感器用于測(cè)量燃料電池堆的輸出電流；電壓傳感器用于測(cè)量燃料電池堆的輸出電壓。盡管豐田MIRAI燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型與下圖有差異，但對(duì)燃料電池堆施加電激勵(lì)信號(hào)均為DC/DC變換器，只是DC/DC變換器主要服務(wù)對(duì)象從動(dòng)力電池?fù)Q成了燃料電池，在此不作區(qū)分。

豐田燃料電池交流阻抗測(cè)量原理

從阻抗測(cè)量角度講，燃料電池系統(tǒng)控制器發(fā)送命令給DC/DC變換器后，DC/DC變換器進(jìn)入電激勵(lì)控制模式，對(duì)燃料電池堆施加電激勵(lì)信號(hào)，這僅僅完成了第yi步。第二步，燃料電池系統(tǒng)控制器(或DC/DC變換器控制器，在此不作區(qū)分)采集電壓傳感器和電流傳感器反饋的電信號(hào)，同步提取用于計(jì)算阻抗的交流電壓信號(hào)和交流電流信號(hào)，豐田并沒(méi)有在上圖中給出詳細(xì)信息。第三步，控制器內(nèi)單片機(jī)按照固定采樣頻率快速同步轉(zhuǎn)換交流電壓信號(hào)和交流電壓信號(hào)(由于單片機(jī)不能采集負(fù)電壓，故分別疊加了一定幅值的直流電壓信號(hào))。待采樣點(diǎn)數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)值后(一般是2的整數(shù)次方數(shù)量)，執(zhí)行FFT計(jì)算(快速傅里葉變換)預(yù)設(shè)頻率點(diǎn)的阻抗，得到阻抗相位和幅值。

在第三步中，單片機(jī)執(zhí)行FFT計(jì)算是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的有解決對(duì)策的計(jì)算問(wèn)題。采樣點(diǎn)數(shù)越多，采樣花費(fèi)時(shí)間越長(zhǎng)；FFT計(jì)算量越大，單片機(jī)花費(fèi)時(shí)間越長(zhǎng)，單片機(jī)內(nèi)存使用量越大；采樣點(diǎn)數(shù)越多，被采樣信號(hào)的信號(hào)分析頻譜頻率分辨率越高(注意，不是阻抗頻譜)。實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮單片機(jī)計(jì)算處理能力，協(xié)調(diào)各個(gè)控制程序環(huán)節(jié)(定時(shí)中斷處理和隨機(jī)中斷處理)。

豐田在文獻(xiàn)中指出，交流阻抗的目標(biāo)阻抗頻率是300 Hz，信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)是512，采樣過(guò)程花費(fèi)170 ms，簡(jiǎn)單計(jì)算可知采樣頻率是3k Hz，信號(hào)分析頻譜的頻率分辨率是5.88 Hz。豐田為什么選擇300 Hz作為采樣頻率點(diǎn)？有兩個(gè)理由：第yi，豐田給出了燃料電池阻抗頻譜測(cè)量結(jié)果，如下圖，重點(diǎn)指明300 Hz阻抗和1k Hz阻抗很接近；第二，豐田指出采樣頻率點(diǎn)必須要避開(kāi)動(dòng)力系統(tǒng)可能的共振頻率點(diǎn)。關(guān)于這兩個(gè)理由，姑且不懷疑豐田確實(shí)選擇了300 Hz，但有兩個(gè)可疑點(diǎn)：第yi，負(fù)載電流10A下測(cè)量的燃料電池阻抗頻譜，能指代其他電流密度的測(cè)量結(jié)果嗎？第二，采樣頻率3k Hz是否受限于DC/DC變換器開(kāi)關(guān)器件的實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率，是否受限于DC/DC變換器本身的共振頻率（可參考2016年氫能雜志文獻(xiàn)和2017年SAE會(huì)議論文）？

豐田燃料電池阻抗頻譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

豐田DC/DC變換器電壓激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生方法

豐田如何運(yùn)用DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)電激勵(lì)信號(hào)的呢？豐田專li中指出，采用DC/DC變換器輸入電壓(燃料電池堆輸出電壓)閉環(huán)控制算法，在燃料電池堆的目標(biāo)穩(wěn)態(tài)輸出電壓基礎(chǔ)上，疊加一個(gè)幅值較小的交變目標(biāo)輸出電壓。根據(jù)燃料電池堆目標(biāo)輸出電壓與實(shí)際輸出電壓差值，調(diào)整DC/DC變換器功率開(kāi)關(guān)器件的占空比(唯yi的執(zhí)行器件)，如下圖。

燃料電池極化曲線與阻抗測(cè)量關(guān)系

第二，我們知道阻抗的定義是量化電氣對(duì)象對(duì)流經(jīng)電氣對(duì)象電流的阻礙作用。對(duì)燃料電池而言，施加電壓激勵(lì)信號(hào)和施加電流激勵(lì)信號(hào)本質(zhì)上并無(wú)區(qū)別。同樣，對(duì)于DC/DC變換器，無(wú)論采用電壓閉環(huán)控制，還是電流閉環(huán)控制，唯yi可控的執(zhí)行器件為功率開(kāi)關(guān)，可變的變量為功率開(kāi)關(guān)的占空比。占空比分辨率決定了電壓控制或電流控制的精細(xì)程度。從表象上看，電壓控制時(shí)電壓度更高而電流相對(duì)粗獷，電流控制時(shí)電流度高而電壓相對(duì)粗獷。無(wú)論采用電壓閉環(huán)控制，還是電流閉環(huán)控制，技術(shù)執(zhí)行手段都是一樣，技術(shù)問(wèn)題都是如何實(shí)現(xiàn)交變電激勵(lì)信號(hào)的信號(hào)采集反饋。

第三，閉環(huán)控制算法雖然也很重要，但不是技術(shù)難點(diǎn)。值得注意，電激勵(lì)信號(hào)與變換器紋波信號(hào)處在不同的頻帶上且相差甚遠(yuǎn)。從實(shí)際應(yīng)用角度講，紋波頻率至少是電激勵(lì)信號(hào)頻率的10倍，其原因是控制器離散控制必須要將目標(biāo)頻率的交變電激勵(lì)信號(hào)的波形進(jìn)行離散化。以正弦波為例，一個(gè)波形被分散成10段，也就是在一個(gè)波形內(nèi)只能有10次有效的占空比控制。可以想象，這樣的波形會(huì)變成什么樣子。如果關(guān)注10這個(gè)數(shù)字的話，容易想到豐田采用的300 Hz交流電激勵(lì)信號(hào)、采用的3kHz采樣頻率與采用的未知的開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻率間的關(guān)系。

在上述針對(duì)豐田技術(shù)方案的第yi步和第三步討論中，我們指出了一些問(wèn)題。可以肯定的是，相比于第yi步而言，第二步才是技術(shù)關(guān)鍵，在技術(shù)難度上，第二步>第yi步>第三步。為什么要這樣排序呢？根據(jù)前面的討論，我們發(fā)現(xiàn)第yi步的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)其中之一就是目標(biāo)交流電激勵(lì)信號(hào)的信號(hào)采集反饋，很容易聯(lián)想到第二步中必須要解決的信號(hào)采集問(wèn)題。

針對(duì)信號(hào)采集，既然豐田沒(méi)有介紹技術(shù)細(xì)節(jié)，我們不妨分析下信號(hào)采集的難點(diǎn)，以及簡(jiǎn)介可能的技術(shù)方案。

豐田燃料電池水含量調(diào)節(jié)模式

以豐田燃料電池質(zhì)子交換膜阻抗為例進(jìn)行說(shuō)明。燃料電池正常工作狀態(tài)下(非停機(jī)吹掃或冷啟動(dòng))，豐田設(shè)定質(zhì)子交換膜面積阻抗允許的變化范圍是180到220mΩ·cm2，如上圖所示。假設(shè)豐田采用的燃料電池單片面積為250 cm2，那么質(zhì)子交換膜阻抗允許的變化范圍是0.72 mΩ到0.88 mΩ。當(dāng)然這是2010年的材料技術(shù)水平。根據(jù)實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在正常工作狀態(tài)下，現(xiàn)在單片質(zhì)子交換膜阻抗一般在0.1到0.5 mΩ范圍內(nèi)。

燃料電池單片輸出電流變化范圍為0到500A，根據(jù)交流阻抗測(cè)量的線性化要求，(在這里我們不區(qū)分電流激勵(lì)信號(hào)或電壓激勵(lì)信號(hào)，只從測(cè)量原理角度進(jìn)行考慮)，一般選擇交變電流激勵(lì)信號(hào)幅值是燃料電池穩(wěn)態(tài)輸出電流的1%到10%，工程上一般認(rèn)為5%是合理的測(cè)量范圍，那么實(shí)際應(yīng)用的交變電流激勵(lì)信號(hào)幅值在0到2，當(dāng)然我們傾向于選擇到10A作為幅值。當(dāng)對(duì)燃料電池堆施加幅值為到10A的300Hz的交變電流激勵(lì)信號(hào)時(shí)，燃料電池單片在穩(wěn)態(tài)輸出電壓的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一個(gè)幅值在0.5mV到5mV的交變電壓響應(yīng)信號(hào)。如果對(duì)燃料電池堆施加交變電壓響應(yīng)信號(hào)幅值為0.5mV到5mV，對(duì)應(yīng)的燃料電池堆在穩(wěn)態(tài)輸出電流的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一個(gè)幅值在到10A的交變電流響應(yīng)信號(hào)。兩種方式，無(wú)本質(zhì)區(qū)別。

燃料電池單片的輸出電壓一般在0.6V到0.8V之間，在此電壓平臺(tái)上采集一個(gè)毫伏量級(jí)的交變電壓信號(hào)，電壓比例不足1%，已經(jīng)到了普通電壓傳感器的精度量級(jí)，考慮到噪聲干擾，技術(shù)難度是比較大的。燃料電池單片的輸出電流采集有兩種方式，霍爾電流傳感器同樣面臨傳感器本身的精度量級(jí)問(wèn)題，分流器式傳感器可以一定程度上擺脫霍爾電流傳感器的困境。

燃料電池堆是由多個(gè)燃料電池單片串聯(lián)組成，每個(gè)單片的輸出電流相同而電壓不同。因此，燃料電池堆的交變電流信號(hào)采集與燃料電池單片的交變電流信號(hào)采集問(wèn)題是一致的。然而，燃料電池堆的交變電壓信號(hào)采集與燃料電池單片的交變電壓信號(hào)采集問(wèn)題是不一樣的，因?yàn)槿剂想姵貑纹窃?.6V到0.8V的電壓平臺(tái)上采集0.5mV到5mV的交變電壓信號(hào)，燃料電池堆是在222V到296V的電壓平臺(tái)上采集111mV到1850mV的交變電壓信號(hào)，兩者雖然比例一致，但信號(hào)處理元器件面臨的信號(hào)量級(jí)不一樣，信號(hào)處理電路元器件的耐壓級(jí)別有差異，在此我們不做過(guò)多討論。

前面談到的具體技術(shù)問(wèn)題，其實(shí)我們也很好奇豐田到底是怎么解決電激勵(lì)信號(hào)閉環(huán)控制中的電激勵(lì)信號(hào)反饋的，答案是不知道的，我們不用去做過(guò)多猜想。回到信號(hào)采集本身來(lái)討論一下。

我們的采集目標(biāo)是這樣一個(gè)信號(hào)，穩(wěn)態(tài)直流信號(hào)+交變電信號(hào)，兩者存在至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)上的幅值差異。為了采集穩(wěn)態(tài)直流信號(hào)，一般采用低通濾波電路去除交變電信號(hào)；為了采集交變電信號(hào)，一般采用帶通濾波電路去除目標(biāo)交變電信號(hào)頻率兩側(cè)的其他頻率信號(hào)。目前，能夠同時(shí)兼容兩者的信號(hào)處理電路是不容易設(shè)計(jì)的。考慮交變電信號(hào)閉環(huán)控制，直觀的解決思路是將兩種信號(hào)先剝離，調(diào)整幅值后再融合。從阻抗測(cè)量角度，只需要采集交變電信號(hào)，無(wú)需關(guān)心穩(wěn)態(tài)直流信號(hào)，那么信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)方案是很簡(jiǎn)單的。這是控制與信號(hào)分析的不同之處。

假設(shè)我們?cè)O(shè)計(jì)出了滿足控制和信號(hào)分析要求的信號(hào)處理電路，就會(huì)有個(gè)新的問(wèn)題，因?yàn)樾盘?hào)處理電路會(huì)影響原始信號(hào)幅值和相位，阻抗計(jì)算涉及到交變電壓信號(hào)采集分析和交變電流信號(hào)采集分析，類似于A=B/C，B和C的測(cè)量精度直接影響A的測(cè)量精度。對(duì)信號(hào)處理電路提出的新要求：易于設(shè)計(jì)和易于標(biāo)定出兩個(gè)交變信號(hào)處理的差異。后一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題是，把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于車(chē)載燃料電池系統(tǒng)上，如何保證測(cè)量結(jié)果與商用的電化學(xué)工作站相比是在可接受的范圍內(nèi)。

豐田第yi代燃料電池系統(tǒng)系統(tǒng)水含量控制

豐田第二代燃料電池系統(tǒng)系統(tǒng)水含量控制

在此將豐田文獻(xiàn)中給出的一些車(chē)用測(cè)試結(jié)果分享給大家，作為結(jié)束。上述兩幅圖為豐田在第yi代和第二代燃料電池系統(tǒng)中水含量控制效果。