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高或過低。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測燃料電池單片水含量對于實(shí)現(xiàn)電堆性能穩(wěn)定輸出異常重要。本文介紹豐田汽車公司車載燃料電池堆交流阻抗在線測量技術(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，車用燃料電池研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富，國內(nèi)開展和實(shí)現(xiàn)了車用燃料電池堆和單片交流阻抗測量技術(shù)研究與應(yīng)用，擁有31項(xiàng)國內(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，去評價(jià)燃料電池系統(tǒng)預(yù)期工作條件選擇的合理性，去評價(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)。

燃料電池水含量測量技術(shù)手段很多，目前公知的應(yīng)用于車載燃料電池系統(tǒng)的是交流阻抗測量技術(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低，CD段代表燃料電池單片水含量過高，無論燃料電池單片水含量過高或過低都將導(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)測數(shù)據(jù)往往沒有公開，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是測量交流阻抗，第二是根據(jù)工作條件推測燃料電池水含量。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，用于對燃料電池堆施加電激勵(lì)信號；電流傳感器用于測量燃料電池堆的輸出電流；電壓傳感器用于測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，但對燃料電池堆施加電激勵(lì)信號均為DC/DC變換器，只是DC/DC變換器主要服務(wù)對象從動(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量原理

從阻抗測量角度講，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，對燃料電池堆施加電激勵(lì)信號，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，同步提取用于計(jì)算阻抗的交流電壓信號和交流電流信號，豐田并沒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)換交流電壓信號和交流電壓信號(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)。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)字信號處理領(lǐng)域的有解決對策的計(jì)算問題。采樣點(diǎn)數(shù)越多，采樣花費(fèi)時(shí)間越長；FFT計(jì)算量越大，單片機(jī)花費(fèi)時(shí)間越長，單片機(jī)內(nèi)存使用量越大；采樣點(diǎn)數(shù)越多，被采樣信號的信號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，信號采樣點(diǎn)數(shù)是512，采樣過程花費(fèi)170 ms，簡單計(jì)算可知采樣頻率是3k Hz，信號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下測量的燃料電池阻抗頻譜，能指代其他電流密度的測量結(jié)果嗎？第二，采樣頻率3k Hz是否受限于DC/DC變換器開關(guān)器件的實(shí)際開關(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量關(guān)系

第二，我們知道阻抗的定義是量化電氣對象對流經(jīng)電氣對象電流的阻礙作用。對燃料電池而言，施加電壓激勵(lì)信號和施加電流激勵(lì)信號本質(zhì)上并無區(qū)別。同樣，對于DC/DC變換器，無論采用電壓閉環(huán)控制，還是電流閉環(huán)控制，唯yi可控的執(zhí)行器件為功率開關(guān)，可變的變量為功率開關(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粗獷，電流控制時(shí)電流度高而電壓相對粗獷。無論采用電壓閉環(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)問題都是如何實(shí)現(xiàn)交變電激勵(lì)信號的信號采集反饋。

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)信號與變換器紋波信號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、采用的3kHz采樣頻率與采用的未知的開關(guān)器件開關(guān)頻率間的關(guān)系。

在上述針對豐田技術(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)信號的信號采集反饋，很容易聯(lián)想到第二步中必須要解決的信號采集問題。

針對信號采集，既然豐田沒有介紹技術(shù)細(xì)節(jié)，我們不妨分析下信號采集的難點(diǎn)，以及簡介可能的技術(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)際測試經(jīng)驗(yàn)來看，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)交流阻抗測量的線性化要求，(在這里我們不區(qū)分電流激勵(lì)信號或電壓激勵(lì)信號，只從測量原理角度進(jìn)行考慮)，一般選擇交變電流激勵(lì)信號幅值是燃料電池穩(wěn)態(tài)輸出電流的1%到10%，工程上一般認(rèn)為5%是合理的測量范圍，那么實(shí)際應(yīng)用的交變電流激勵(lì)信號幅值在0到2，當(dāng)然我們傾向于選擇到10A作為幅值。當(dāng)對燃料電池堆施加幅值為到10A的300Hz的交變電流激勵(lì)信號時(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。如果對燃料電池堆施加交變電壓響應(yīng)信號幅值為0.5mV到5mV，對應(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。兩種方式，無本質(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)毫伏量級的交變電壓信號，電壓比例不足1%，已經(jīng)到了普通電壓傳感器的精度量級，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問題，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采集與燃料電池單片的交變電流信號采集問題是一致的。然而，燃料電池堆的交變電壓信號采集與燃料電池單片的交變電壓信號采集問題是不一樣的，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，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，兩者雖然比例一致，但信號處理元器件面臨的信號量級不一樣，信號處理電路元器件的耐壓級別有差異，在此我們不做過多討論。

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

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

假設(shè)我們設(shè)計(jì)出了滿足控制和信號分析要求的信號處理電路，就會(huì)有個(gè)新的問題，因?yàn)樾盘柼幚黼娐窌?huì)影響原始信號幅值和相位，阻抗計(jì)算涉及到交變電壓信號采集分析和交變電流信號采集分析，類似于A=B/C，B和C的測量精度直接影響A的測量精度。對信號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)交變信號處理的差異。后一個(gè)需要關(guān)注的問題是，把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于車載燃料電池系統(tǒng)上，如何保證測量結(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)中給出的一些車用測試結(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。