到 2050 年，氫預(yù)計(jì)將成為 10 噸（即萬(wàn)億美元）的市場(chǎng)，占全球 GDP 的 13%，[1] 氫燃料電池在過(guò)去幾年中出現(xiàn)了大幅增長(zhǎng)，因?yàn)樵絹?lái)越多的世界開(kāi)始認(rèn)真考慮交通運(yùn)輸?shù)牧闾冀鉀Q方案。氫動(dòng)力汽車在水解器/電解器周圍開(kāi)辟了新的市場(chǎng)，氫氣實(shí)際上是在加油站產(chǎn)生的，而不是像我們今天用汽油那樣長(zhǎng)途運(yùn)輸。大多數(shù)產(chǎn)生氫氣的電解槽或使用氫氣發(fā)電的燃料電池的核心是質(zhì)子交換膜 (PEM)，如圖 1 所示。

圖 1. PEM 燃料電池。[2]

與其他型號(hào)相比，PEM 電池具有能夠在相對(duì)較低的溫度下運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有尺寸和重量?jī)?yōu)勢(shì)。只要以適當(dāng)?shù)臄?shù)量和條件提供氫氣和氧氣作為燃料，這種燃料電池就可以發(fā)電。電解槽由類似的部件制成，基本以相反的方式運(yùn)行：向水供電，產(chǎn)生氧氣和氫氣。
隨著 PEM 燃料電池在公共汽車、汽車和輕軌車輛等更多運(yùn)輸車輛中的應(yīng)用，在故障發(fā)生之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)變得越來(lái)越重要。文獻(xiàn) [3,4] 表明，電化學(xué)阻抗譜 (EIS) 技術(shù)可用于檢測(cè) PEM 內(nèi)的針孔故障以及其他故障模式。這通常在提供 10 到 100 安培范圍內(nèi)的電流的大型臺(tái)式儀器上完成。然而，這些儀器是大型系統(tǒng)，不能很好地?cái)U(kuò)展到允許就地診斷的可運(yùn)輸燃料電池。本文介紹了使便攜式 EIS 系統(tǒng)在 1 A 至 100 A 的激勵(lì)電流下工作以及利用AD5941W的優(yōu)勢(shì)所面臨的挑戰(zhàn)[5] EIS 引擎。這項(xiàng)工作可以應(yīng)用于燃料電池、電解槽、電池和其他低阻抗系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)

該開(kāi)發(fā)的基本測(cè)量引擎是 Analog Devices 的 AD5941W，它是一款高精度阻抗和電化學(xué)前端，能夠進(jìn)行恒電位和恒電流測(cè)量。對(duì)于這些測(cè)試，燃料電池（類似于電池）需要進(jìn)行恒電流測(cè)量，其中會(huì)產(chǎn)生電流并測(cè)量電壓。請(qǐng)參見(jiàn)圖 2 所示的框圖。

圖 2. AD5941W 框圖顯示了用于激勵(lì)的高 BW AFE 路徑以及用于校準(zhǔn)和 DFT/EIS 分析的精密 ADC 路徑。

該項(xiàng)目從CN0510的測(cè)試開(kāi)始，ADI 制造的電池專用阻抗測(cè)量板，可利用強(qiáng)大的 AD5941W EIS 引擎幫助客戶進(jìn)行電池阻抗測(cè)試，該引擎可進(jìn)行精確的阻抗測(cè)量。很快，這種方法顯然存在局限性，即用于電池交流激勵(lì)的低電流和該板上使用的外部放大器的 1/f 噪聲角，以及對(duì)接收器使用交流去耦鏈限制刺激和接收的低頻角。燃料電池的預(yù)期洞察發(fā)生在 ~100 Hz 或以下，最高 10s kHz，以及高達(dá) 10 A 的刺激電流（為了超過(guò)燃料電池的過(guò)程噪聲），很明顯該板需要修訂。CN0510 如圖 3 所示。

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圖 3. CN0510 電池阻抗系統(tǒng)。

擴(kuò)展這種方法的電流激勵(lì)范圍的一種方法是獲取激勵(lì)激勵(lì)信號(hào)（圖 3 中的 CE0）并將其發(fā)送到可遠(yuǎn)程控制的電子負(fù)載；在這種情況下，菊水 PLZ303W.[6] 這種方法如圖 4 所示。

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圖 4. Kikusui PLZ303W 與 CN0510 板的電氣連接。

當(dāng)使用 10 安培時(shí)，考慮布線的寄生電感很重要，并盡可能使用雙絞線以減少電壓噪聲拾取。該系統(tǒng)在 10 mΩ DUT 上產(chǎn)生了標(biāo)準(zhǔn)偏差在 ~1 μΩ 至 2 μΩ 范圍內(nèi)的強(qiáng)阻抗數(shù)據(jù)，如圖 5 所示。

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圖 5. 來(lái)自使用 Kikusui PLZ303W 的 10 mΩ DUT 的數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)也是跨頻率采集的，以了解儀器因激勵(lì)而產(chǎn)生的滾降，如圖 6 所示，誤差條顯示隨著激勵(lì)頻率降低，由于接收器信號(hào)鏈中的交流耦合，可重復(fù)性較差。

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圖 6. 使用 Kikusui PLZ303W 在整個(gè)頻率范圍內(nèi)測(cè)量的 10 mΩ DUT。

需要注意的是 Kikusui 設(shè)備重約 10 公斤，因此它不適合便攜式電子產(chǎn)品。然而，這驗(yàn)證了該方法并將我們推向小型化。使用AD8618運(yùn)算放大器構(gòu)建了基于標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的壓控電流源 (VCCS) 。選擇此放大器是為了獲得適當(dāng)?shù)脑鲆?BW 以及良好的精度性能。這在圖 7 中示意性地顯示。

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圖 7. 用于分立 VCCS 測(cè)試的電路。

雖然圖 7 中電路的完整推導(dǎo)超出了本文的范圍，但值得注意的是，任何較長(zhǎng)的布線都應(yīng)與使用局部去耦以管理寄生電感一起扭曲。圖 7 中的 C2 用作降噪上限，但確實(shí)會(huì)導(dǎo)致約 1 kHz 以上的頻率滾降。圖 8 顯示了測(cè)量電路的更新框圖。

開(kāi)發(fā)了一個(gè)自定義 Python 腳本，以允許直接控制激勵(lì)節(jié)點(diǎn)上的激勵(lì)頻率、直流和交流幅度，以及校準(zhǔn)電阻器調(diào)整。激勵(lì)信號(hào)和接收信號(hào)如圖 9 所示。

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圖 8. 更新后的框圖，帶有新的電流激勵(lì)器級(jí)。

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圖 9. 來(lái)自有源電流吸收器的 1 Hz 和 10 Hz 的激勵(lì)和接收信號(hào)：Ch 1—AD5941W CE0 輸出、Ch 2—激勵(lì)電流、Ch 3—SNS_P 輸入信號(hào)、Ch 4—到運(yùn)算放大器的衰減信號(hào)。

圖 10 顯示了此有源電流吸收器的結(jié)果，以及表 1 中接收信號(hào)鏈中不同去耦電容的結(jié)果，表 1 顯示了去耦電容上實(shí)際阻抗誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

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圖 10. 來(lái)自 100 mΩ 實(shí)際阻抗 (N = 10) 的返回?cái)?shù)據(jù)顯示了較低頻率下的誤差。

表 1. 0.1 Hz 激勵(lì)、100 mΩ DUT 時(shí)的誤差比較

很明顯，接收器信號(hào)鏈中的輸入電容器對(duì)平均阻抗測(cè)量及其可重復(fù)性都有影響。較大的電容值會(huì)改善誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差，而 100 μF 是該電路板上實(shí)際適合的最大尺寸。

將 DUT 的阻抗降低到 10 mΩ 會(huì)在較低頻率下顯示類似的誤差，如圖 11 所示。

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圖 11. 10 mΩ 實(shí)際阻抗 (N = 10) 的返回?cái)?shù)據(jù)。

該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步擴(kuò)展到 1 mΩ，以評(píng)估測(cè)量中有多少誤差。如圖 12 所示。

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圖 12. 1 mΩ 實(shí)際阻抗 (N = 10) 的返回?cái)?shù)據(jù)。

既然已經(jīng)使用電阻器證明了基本的電子功能，下一步就是將這些方法應(yīng)用于實(shí)際的燃料電池。

燃料電池 EIS 測(cè)量

采用圖 7 中描述的電路，下一步是查看實(shí)際的氫燃料電池。測(cè)試了 Flex-Stak[7] 燃料電池以檢查 Nyquist 圖，這是一種可視化實(shí)/虛阻抗的方法，其中頻率在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中發(fā)生變化。第一個(gè)測(cè)試如圖 13 所示。

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圖 13. Flex-Stak 燃料電池 EIS 奈奎斯特圖。

雖然該燃料電池的阻抗僅為 100 幾 mΩ，但 AD5941W 與有源電流吸收器一起能夠?qū)?1 Hz 至 5 kHz 的燃料電池阻抗進(jìn)行成像。圖 13 中的奈奎斯特圖大致近似于該燃料電池的預(yù)期值，并且直流激勵(lì)大于燃料電池的額定容量，并且該實(shí)驗(yàn)可能遭受了某種程度的燃料不足。為進(jìn)行 EIS 測(cè)量而引入的交流擾動(dòng)也非常大，并且超出了測(cè)量的直流激勵(lì)的線性響應(yīng)。除了展示 AD5941W EIS 電路的功能外，不應(yīng)閱讀此特定測(cè)試的功能洞察力。需要更多的測(cè)試來(lái)深入了解這種特定燃料電池的響應(yīng)。然而，這種電路拓?fù)洌绻麘?yīng)用得當(dāng)，

在對(duì)小型氫燃料電池進(jìn)行測(cè)試后，該方法在生產(chǎn)（66 節(jié)）風(fēng)冷巴拉德燃料電池堆上進(jìn)行了測(cè)試，以評(píng)估其原位診斷的可行性。這將使氫燃料電池的運(yùn)營(yíng)商更好地了解完整的燃料電池堆及其在運(yùn)行中的電化學(xué)功能。目前，操作員唯一可用的診斷是電池組產(chǎn)生的電力。這種新的分析技術(shù)可以類比為將您的汽車插入修理廠并拉出錯(cuò)誤代碼。

與圖 7 類似的設(shè)置也用于在燃料電池堆的預(yù)期直流工作點(diǎn)的一小部分 (~5%) 處生成用于阻抗測(cè)量的應(yīng)用電流擾動(dòng)。這是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@允許電化學(xué)系統(tǒng)在線性操作范圍內(nèi)成像，然后將允許阻抗數(shù)據(jù)的外推適用于整個(gè)系統(tǒng)。 [8]

使用 Kikusui EIS 系統(tǒng)和 AD5941W 系統(tǒng)的比較測(cè)試結(jié)果如圖 14 所示。

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圖 14. 巴拉德氫燃料電池堆上 Kikusui EIS 和 ADI AD5941W EIS 系統(tǒng)的比較。

圖 14 顯示了直流工作電流范圍為 10 A 至 60 A 時(shí)的奈奎斯特圖。EIS 測(cè)量范圍為 1 Hz（右側(cè)半圓）至 5 kHz（左側(cè)）。實(shí)線（AD5941W 儀器儀表）和虛線（Kikusui）與較高的頻率水平相一致，其中分立式 VCCS 的設(shè)計(jì)限制（穩(wěn)定性和高頻能力之間的權(quán)衡）開(kāi)始變得明顯。電化學(xué)在低頻和高頻 EIS 掃描中都有價(jià)值，因此最好使用的電子設(shè)備可能取決于用例。然而，該掃描表明，重量和尺寸僅為臺(tái)式儀器 1/100 的小型手持式儀器對(duì)于氫燃料電池堆光譜學(xué)是可行的。

正是這種車載燃料電池診斷方面的創(chuàng)新應(yīng)該有助于氫經(jīng)濟(jì)潛在地?cái)U(kuò)大到其預(yù)計(jì)的萬(wàn)億美元市場(chǎng)規(guī)模。合作結(jié)合電子學(xué)、電化學(xué)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的最佳知識(shí)是開(kāi)始出現(xiàn)基于氫燃料的完全綠色經(jīng)濟(jì)的一種可能方式。

參考

1 Alberto Gandolf、Ajay Patel、Michele Della Vigna、Mafalda Pombeiro 和 Mathieu Pidoux。綠色氫：公用事業(yè)行業(yè)的下一個(gè)轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)力。高盛集團(tuán)，2020 年 9 月。

2質(zhì)子交換膜燃料電池。維基百科。

3 Jacob W. Devaal、Hooman Homayouni 和 Farid Golnaraghi?！坝糜趦?chǔ)能系統(tǒng)診斷的降低堆棧 電壓電路?！?巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司，2018 年。

4 Ghassan Hassan Mousa、Jacob William De Vaal 和 Farid Golnaraghi?！笆褂?a href="http://hljzzgx.com/tags/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/" target="_blank">神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 EIS 信號(hào)分析來(lái)量化 運(yùn)行 PEM 細(xì)胞中的 H2 原位交叉。 ”巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司，2020 年。

5“用于小型化實(shí)驗(yàn)室級(jí)電化學(xué)測(cè)量的電子解決方案。” Analog Devices, Inc.，2019 年 11 月。

6《菊水PLZ303W遙控電流源說(shuō)明書》。菊水電子株式會(huì)社

7“ Flex-Stak 燃料電池?！?燃料電池商店。

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

所有圖片和表格均由ADI公司提供。

審核編輯 黃昊宇