時(shí)下，交流阻抗測(cè)量技術(shù)已成為車(chē)用燃料電池堆狀態(tài)診斷的一種必備手段。本文分享國(guó)內(nèi)企業(yè)開(kāi)展的車(chē)用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)交流阻抗測(cè)量技術(shù)和應(yīng)用情況。



往期公眾號(hào)內(nèi)分享過(guò)《豐田燃料電池堆含水量實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)分析》，細(xì)致介紹了豐田汽車(chē)公司在2010年前開(kāi)發(fā)的燃料電池堆交流阻抗測(cè)量實(shí)施方法與應(yīng)用場(chǎng)景，其中高頻阻抗對(duì)應(yīng)頻率300 Hz、耗時(shí)約170 ms。通過(guò)查閱豐田專(zhuān)利和技術(shù)報(bào)道可以發(fā)現(xiàn)豐田Mirai在2014年已實(shí)現(xiàn)燃料電池單體層面的交流阻抗測(cè)量，并同時(shí)測(cè)量高頻阻抗和低頻阻抗(頻率未知)。



目前，國(guó)內(nèi)在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)別的交流阻抗測(cè)量與應(yīng)用仍較為少見(jiàn)。從實(shí)施步驟看，『燃料電池干貨』對(duì)國(guó)內(nèi)交流阻抗測(cè)量技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用情況進(jìn)行了深入調(diào)查與分析。

施加交流電流擾動(dòng)

據(jù)悉，在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)交流阻抗測(cè)量方面，目前尚無(wú)企業(yè)嘗試施加交流電壓擾動(dòng)信號(hào)。據(jù)廣泛和深入調(diào)研，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利中關(guān)于施加交流電流擾動(dòng)的實(shí)施方法主要有三大類(lèi)。據(jù)悉，三類(lèi)方法在國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)中均有應(yīng)用。

第一大類(lèi)是在DC/DC變換器內(nèi)部?jī)?nèi)嵌一套交流電流擾動(dòng)施加硬件模塊和電堆阻抗計(jì)算軟件。其硬件模塊與DC/DC變換器主拓?fù)錈o(wú)任何關(guān)聯(lián)性，僅僅是將硬件模塊與DC/DC變換器輸入端并聯(lián)，考慮零部件集成度、接插件、電安全、散熱、成本等，將硬件模塊內(nèi)置于DC/DC變換器殼體內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是：相較于DC/DC變換器控制，硬件模塊控制較為簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)(交流電流擾動(dòng)頻率和擾動(dòng)幅值)。其缺點(diǎn)是：額外產(chǎn)品成本，只能測(cè)量電堆阻抗，硬件模塊有功率消耗而使得系統(tǒng)效率有損失(實(shí)際上交流阻抗并沒(méi)有實(shí)時(shí)且全時(shí)測(cè)量的必要性，僅僅取決于水含量動(dòng)態(tài)變化的時(shí)間尺度)。



硬件模塊有三種實(shí)現(xiàn)方式：第一種方式是高頻開(kāi)關(guān)+放電電阻，第二種方式是多個(gè)MOSFET并聯(lián)+調(diào)控門(mén)極電壓(類(lèi)似于電子負(fù)載功能)，第三種方式是主功率DC/DC變換器與高頻DC/DC變換器并聯(lián)(類(lèi)似于多相并聯(lián)式DC/DC變換器結(jié)構(gòu))。

第二大類(lèi)在DC/DC變換器內(nèi)部?jī)?nèi)嵌一套交流電流擾動(dòng)施加軟件和電堆阻抗計(jì)算軟件。其優(yōu)點(diǎn)是：DC/DC變換器硬件集成度高、成本低、系統(tǒng)效率高（無(wú)額外能量損耗）。缺點(diǎn)是：只能測(cè)量電堆阻抗，交流電流擾動(dòng)頻率控制難度高、擾動(dòng)幅值控制難度高(取決于DC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)參數(shù)、被DC/DC變換器后端總線電壓干擾、受限于電流傳感器采樣精度)。



第三大類(lèi)是在單片電壓巡檢CVM內(nèi)部?jī)?nèi)嵌擾動(dòng)施加硬件模塊與單片阻抗計(jì)算軟件。其優(yōu)點(diǎn)是：降低了對(duì)DC/DC變換器軟硬件控制要求，硬件模塊控制較為簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)(交流電流擾動(dòng)頻率和擾動(dòng)幅值)，可測(cè)量單片交流阻抗。其缺點(diǎn)是：硬件模塊成本高，單片電壓巡檢兼具有執(zhí)行器功能而對(duì)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)要求增加，交流電流擾動(dòng)頻率和幅值易于受到DC/DC變換器干擾(干擾程度不清楚)。其硬件模塊種類(lèi)較多，可參考日產(chǎn)汽車(chē)相關(guān)燃料電池專(zhuān)利。



采集電流擾動(dòng)和電壓響應(yīng)信號(hào)

以單片為例，單片穩(wěn)態(tài)電壓從0~1 V變化，而單片高頻阻抗考慮水含量和溫度影響以及實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，從開(kāi)機(jī)輸出電流到吹掃結(jié)束前變化范圍應(yīng)該在0.1mΩ~10mΩ之間，加之交流電流擾動(dòng)幅值3A~5A，也就是單片交流電壓響應(yīng)幅值范圍應(yīng)該在0.3mV~50mV且是有目標(biāo)頻率要求的。從頻帶角度來(lái)講，信號(hào)處理電路一般采用如下模式：光耦選通電路將單片正負(fù)極電壓傳遞給高共模差分電路，高共模差分電路將單片正負(fù)極電壓中的共模信號(hào)消除而僅剩差分電壓(即為單片實(shí)際輸出電壓)并傳遞給帶通濾波電路，帶通濾波電路濾掉單片實(shí)際輸出電壓中的穩(wěn)態(tài)電壓、且提取出目標(biāo)頻率處的交流電壓傳遞給增益調(diào)整電路，增益調(diào)整電路將不高于幾毫伏的交流電壓調(diào)整為幾百毫伏甚至幾伏的交流電壓信號(hào)傳遞給中位電壓調(diào)整電路，中位電壓調(diào)整電路將正弦交流擾動(dòng)信號(hào)的偏置電壓調(diào)整為單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換模塊參考電壓的1/2，再由單片機(jī)A/D模塊實(shí)現(xiàn)單片交流電壓采集。



帶通濾波電路帶來(lái)的直接問(wèn)題是，每次選通一個(gè)單片的時(shí)候，對(duì)帶通濾波電路都是一個(gè)階躍激勵(lì)信號(hào)，帶通濾波電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)延時(shí)則直接導(dǎo)致阻抗測(cè)量的時(shí)間延長(zhǎng)。如果帶通濾波電路是被高頻阻抗測(cè)量、低頻阻抗測(cè)量共用的，那么阻抗測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度同步增加，對(duì)單片電壓巡檢的巡回電壓采集時(shí)序安排產(chǎn)生影響。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須綜合考慮。

任何信號(hào)處理電路都面臨幅值增益、相位延遲問(wèn)題。對(duì)于阻抗計(jì)算而言，幅值增益和相位延遲尤為關(guān)鍵，對(duì)阻抗的幅值測(cè)量精度、相位精度要求較高?？刂破鞯男盘?hào)處理電路選用電阻可以做到1%甚至1‰的精度、選用電容可以做到10%甚至5%的精度，電子元器件誤差累積和串聯(lián)乘積是非?？膳碌?。在筆者看來(lái)，需要在每個(gè)交流阻抗目標(biāo)頻率處，對(duì)每一套信號(hào)處理電路進(jìn)行幅值增益和相位延遲標(biāo)定，每一套信號(hào)處理電路中包括電流采集電路(比如標(biāo)定出某頻率下幅值增益是100倍、相位延遲是10°)、多個(gè)單片電壓采集電路(比如標(biāo)定出某頻率下幅值增益是31倍、相位延遲是57°)。

在批量產(chǎn)品中，電路標(biāo)定方法是必不可少的，反過(guò)來(lái)影響單片電壓巡檢的生產(chǎn)效率和周期。對(duì)于多套單片阻抗測(cè)量電路來(lái)說(shuō)，有三個(gè)基本要求：第一，燃料電池堆通道不變，任意單片電壓巡檢的阻抗采集通道互換時(shí)，兩套電路的阻抗測(cè)量結(jié)果幅值誤差在2%以?xún)?nèi)、相位誤差在5°以?xún)?nèi)；第二，燃料電池堆通道不變，批量單片電壓巡檢中任意抽取兩個(gè)進(jìn)行測(cè)試，兩套電路的阻抗測(cè)量結(jié)果幅值誤差在2%以?xún)?nèi)、相位誤差在5°以?xún)?nèi)；第三，在單片電壓巡檢的全生命周期內(nèi)，任意一套單片阻抗測(cè)量電路的阻抗測(cè)量結(jié)果幅值誤差控制在2%以?xún)?nèi)、相位誤差控制在5°以?xún)?nèi)。關(guān)于第三點(diǎn)，可以考慮在單片電壓巡檢內(nèi)配備自動(dòng)校準(zhǔn)功能模塊，但影響單片電壓巡檢的電路集成效率、空間尺寸和成本。



除了單片電壓巡檢信號(hào)處理電路對(duì)阻抗相位產(chǎn)生誤差以外，交流電流擾動(dòng)采集和單片交流電壓響應(yīng)采集之間，也存在時(shí)間差，筆者目前總結(jié)了兩種系統(tǒng)集成方案，主要取決于交流電流擾動(dòng)信號(hào)采集功能所處的零部件。第一種方案是：DC/DC變換器集成交流電流擾動(dòng)功能、電流傳感器、交流電流擾動(dòng)信號(hào)采集電路與電流軟件信號(hào)處理，單片電壓巡檢CVM只集成單片交流電壓信號(hào)采集電路與軟件信號(hào)處理，由燃料電池系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)DC/DC變換器與單片電壓巡檢CVM的協(xié)同工作，那么DC/DC變換器必須具備硬線觸發(fā)信號(hào)采集起始時(shí)刻同步的功能，確保交流電流擾動(dòng)采集與單片交流電壓響應(yīng)采集之間是完全同步的、或者是存在固定時(shí)間差的。該方案缺點(diǎn)是相位同步難度大，優(yōu)點(diǎn)是電流傳感器內(nèi)置于DC/DC變換器而不增加系統(tǒng)成本。



第二種方案是：?jiǎn)纹妷貉矙zCVM同時(shí)集成了單片交流電壓信號(hào)采集電路與軟件信號(hào)處理、交流電流擾動(dòng)信號(hào)采集電路與軟件信號(hào)處理，DC/DC變換器僅負(fù)責(zé)交流電流擾動(dòng)功能，由燃料電池系統(tǒng)控制器協(xié)同單片電壓巡檢CVM和DC/DC變換器協(xié)同工作，由單片電壓巡檢CVM實(shí)現(xiàn)單片交流電壓信號(hào)與交流電流擾動(dòng)信號(hào)采集同步。方案缺點(diǎn)是電流傳感器必須內(nèi)置于燃料電池堆PACK內(nèi)部，電流傳感器面臨位置固定與接插件問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于DC/DC變換器來(lái)說(shuō)，為實(shí)現(xiàn)輸入電流閉環(huán)控制則必須要再次集成一個(gè)電流傳感器，增加了系統(tǒng)成本，同時(shí)燃料電池堆內(nèi)部高溫易于導(dǎo)致電流傳感器采集結(jié)果產(chǎn)生偏差(需要不斷修正)。該方案優(yōu)點(diǎn)是相位同步簡(jiǎn)單，單片電壓巡檢CVM可實(shí)現(xiàn)燃料電池堆輸出電流采集。



遵循前述思考過(guò)程、設(shè)計(jì)過(guò)程和分析過(guò)程，經(jīng)過(guò)博士課題與博士后階段7年時(shí)間，筆者目前已經(jīng)分別在CVM級(jí)別和DC/DC級(jí)別實(shí)現(xiàn)了一部分在線交流阻抗測(cè)量和計(jì)算功能(高頻與低頻、單次用時(shí)170 ms)，在燃料電池堆試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了吹掃階段四個(gè)單片阻抗測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果分享給大家。希望通過(guò)此次分享，促進(jìn)國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)別交流阻抗測(cè)量的技術(shù)交流與發(fā)展。