時下，交流阻抗測量技術已成為車用燃料電池堆狀態(tài)診斷的一種必備手段。本文分享國內企業(yè)開展的車用燃料電池發(fā)動機交流阻抗測量技術和應用情況。



往期公眾號內分享過《豐田燃料電池堆含水量實時測量技術分析》，細致介紹了豐田汽車公司在2010年前開發(fā)的燃料電池堆交流阻抗測量實施方法與應用場景，其中高頻阻抗對應頻率300 Hz、耗時約170 ms。通過查閱豐田專利和技術報道可以發(fā)現豐田Mirai在2014年已實現燃料電池單體層面的交流阻抗測量，并同時測量高頻阻抗和低頻阻抗(頻率未知)。



目前，國內在燃料電池發(fā)動機級別的交流阻抗測量與應用仍較為少見。從實施步驟看，『燃料電池干貨』對國內交流阻抗測量技術的開發(fā)與應用情況進行了深入調查與分析。

施加交流電流擾動

據悉，在燃料電池發(fā)動機交流阻抗測量方面，目前尚無企業(yè)嘗試施加交流電壓擾動信號。據廣泛和深入調研，國內外專利中關于施加交流電流擾動的實施方法主要有三大類。據悉，三類方法在國內燃料電池發(fā)動機企業(yè)中均有應用。

第一大類是在DC/DC變換器內部內嵌一套交流電流擾動施加硬件模塊和電堆阻抗計算軟件。其硬件模塊與DC/DC變換器主拓撲無任何關聯性，僅僅是將硬件模塊與DC/DC變換器輸入端并聯，考慮零部件集成度、接插件、電安全、散熱、成本等，將硬件模塊內置于DC/DC變換器殼體內。其優(yōu)點是：相較于DC/DC變換器控制，硬件模塊控制較為簡單、可操作性強(交流電流擾動頻率和擾動幅值)。其缺點是：額外產品成本，只能測量電堆阻抗，硬件模塊有功率消耗而使得系統(tǒng)效率有損失(實際上交流阻抗并沒有實時且全時測量的必要性，僅僅取決于水含量動態(tài)變化的時間尺度)。



硬件模塊有三種實現方式：第一種方式是高頻開關+放電電阻，第二種方式是多個MOSFET并聯+調控門極電壓(類似于電子負載功能)，第三種方式是主功率DC/DC變換器與高頻DC/DC變換器并聯(類似于多相并聯式DC/DC變換器結構)。

第二大類在DC/DC變換器內部內嵌一套交流電流擾動施加軟件和電堆阻抗計算軟件。其優(yōu)點是：DC/DC變換器硬件集成度高、成本低、系統(tǒng)效率高（無額外能量損耗）。缺點是：只能測量電堆阻抗，交流電流擾動頻率控制難度高、擾動幅值控制難度高(取決于DC/DC變換器電路結構參數、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)。



第三大類是在單片電壓巡檢CVM內部內嵌擾動施加硬件模塊與單片阻抗計算軟件。其優(yōu)點是：降低了對DC/DC變換器軟硬件控制要求，硬件模塊控制較為簡單、可操作性強(交流電流擾動頻率和擾動幅值)，可測量單片交流阻抗。其缺點是：硬件模塊成本高，單片電壓巡檢兼具有執(zhí)行器功能而對系統(tǒng)可靠性設計要求增加，交流電流擾動頻率和幅值易于受到DC/DC變換器干擾(干擾程度不清楚)。其硬件模塊種類較多，可參考日產汽車相關燃料電池專利。



采集電流擾動和電壓響應信號

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際應用場景，從開機輸出電流到吹掃結束前變化范圍應該在0.1mΩ~10mΩ之間，加之交流電流擾動幅值3A~5A，也就是單片交流電壓響應幅值范圍應該在0.3mV~50mV且是有目標頻率要求的。從頻帶角度來講，信號處理電路一般采用如下模式：光耦選通電路將單片正負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極電壓中的共模信號消除而僅剩差分電壓(即為單片實際輸出電壓)并傳遞給帶通濾波電路，帶通濾波電路濾掉單片實際輸出電壓中的穩(wěn)態(tài)電壓、且提取出目標頻率處的交流電壓傳遞給增益調整電路，增益調整電路將不高于幾毫伏的交流電壓調整為幾百毫伏甚至幾伏的交流電壓信號傳遞給中位電壓調整電路，中位電壓調整電路將正弦交流擾動信號的偏置電壓調整為單片機A/D轉換模塊參考電壓的1/2，再由單片機A/D模塊實現單片交流電壓采集。



帶通濾波電路帶來的直接問題是，每次選通一個單片的時候，對帶通濾波電路都是一個階躍激勵信號，帶通濾波電路的動態(tài)響應延時則直接導致阻抗測量的時間延長。如果帶通濾波電路是被高頻阻抗測量、低頻阻抗測量共用的，那么阻抗測量時間長度同步增加，對單片電壓巡檢的巡回電壓采集時序安排產生影響。在系統(tǒng)設計時，必須綜合考慮。

任何信號處理電路都面臨幅值增益、相位延遲問題。對于阻抗計算而言，幅值增益和相位延遲尤為關鍵，對阻抗的幅值測量精度、相位精度要求較高?？刂破鞯男盘柼幚黼娐愤x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乘積是非?？膳碌?。在筆者看來，需要在每個交流阻抗目標頻率處，對每一套信號處理電路進行幅值增益和相位延遲標定，每一套信號處理電路中包括電流采集電路(比如標定出某頻率下幅值增益是100倍、相位延遲是10°)、多個單片電壓采集電路(比如標定出某頻率下幅值增益是31倍、相位延遲是57°)。

在批量產品中，電路標定方法是必不可少的，反過來影響單片電壓巡檢的生產效率和周期。對于多套單片阻抗測量電路來說，有三個基本要求：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，兩套電路的阻抗測量結果幅值誤差在2%以內、相位誤差在5°以內；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進行測試，兩套電路的阻抗測量結果幅值誤差在2%以內、相位誤差在5°以內；第三，在單片電壓巡檢的全生命周期內，任意一套單片阻抗測量電路的阻抗測量結果幅值誤差控制在2%以內、相位誤差控制在5°以內。關于第三點，可以考慮在單片電壓巡檢內配備自動校準功能模塊，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處理電路對阻抗相位產生誤差以外，交流電流擾動采集和單片交流電壓響應采集之間，也存在時間差，筆者目前總結了兩種系統(tǒng)集成方案，主要取決于交流電流擾動信號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功能、電流傳感器、交流電流擾動信號采集電路與電流軟件信號處理，單片電壓巡檢CVM只集成單片交流電壓信號采集電路與軟件信號處理，由燃料電池系統(tǒng)控制器負責協調DC/DC變換器與單片電壓巡檢CVM的協同工作，那么DC/DC變換器必須具備硬線觸發(fā)信號采集起始時刻同步的功能，確保交流電流擾動采集與單片交流電壓響應采集之間是完全同步的、或者是存在固定時間差的。該方案缺點是相位同步難度大，優(yōu)點是電流傳感器內置于DC/DC變換器而不增加系統(tǒng)成本。



第二種方案是：單片電壓巡檢CVM同時集成了單片交流電壓信號采集電路與軟件信號處理、交流電流擾動信號采集電路與軟件信號處理，DC/DC變換器僅負責交流電流擾動功能，由燃料電池系統(tǒng)控制器協同單片電壓巡檢CVM和DC/DC變換器協同工作，由單片電壓巡檢CVM實現單片交流電壓信號與交流電流擾動信號采集同步。方案缺點是電流傳感器必須內置于燃料電池堆PACK內部，電流傳感器面臨位置固定與接插件問題，同時對于DC/DC變換器來說，為實現輸入電流閉環(huán)控制則必須要再次集成一個電流傳感器，增加了系統(tǒng)成本，同時燃料電池堆內部高溫易于導致電流傳感器采集結果產生偏差(需要不斷修正)。該方案優(yōu)點是相位同步簡單，單片電壓巡檢CVM可實現燃料電池堆輸出電流采集。



遵循前述思考過程、設計過程和分析過程，經過博士課題與博士后階段7年時間，筆者目前已經分別在CVM級別和DC/DC級別實現了一部分在線交流阻抗測量和計算功能(高頻與低頻、單次用時170 ms)，在燃料電池堆試驗臺架上進行了吹掃階段四個單片阻抗測量，試驗結果分享給大家。希望通過此次分享，促進國內燃料電池發(fā)動機級別交流阻抗測量的技術交流與發(fā)展。