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    豐田燃料電池堆含水量實時測量技術分析

    發布日期: 2019-10-23
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    燃料電池堆由多片單體串聯組成,供氣結構設計等因素使得電堆內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,實時監測燃料電池單片水含量對于實現電堆性能穩定輸出異常重要。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。

    本文特邀行業技術專家撰稿,作者從業燃料電池領域多年,車用燃料電池研究與應用經驗豐富,國內開展和實現了車用燃料電池堆和單片交流阻抗測量技術研究與應用,擁有31項國內發明專li。

    氫燃料電池系統是由空氣系統、氫氣系統、冷卻系統和電氣控制系統及輔助系統組成,氫燃料電池系統控制策略是由空氣系統控制、氫氣系統控制、冷卻系統控制、故障診斷、系統功率控制和水管理等有機構成的。

    燃料電池系統輸出性能,是一種直觀評價燃料電池系統控制效果的指標。其得益于電壓和電流的可測量性,因此易于從時間和統計特性相結合的角度,去評價燃料電池系統預期工作條件選擇的合理性,去評價燃料電池系統設計匹配集成與控制的優化程度,進而決定了空氣系統、氫氣系統和冷卻系統三者控制策略的主要控制目標。與之對比,水管理策略則扮演著修正空氣系統、氫氣系統和冷卻系統三者控制策略的控制目標的角色。水管理依賴于燃料電池內水分布和水含量的測量結果(學術熱點和應用難點),其難度隨著燃料電池單片數量增加而加大(鮮有報道成果)。

    燃料電池水含量測量技術手段很多,目前公知的應用于車載燃料電池系統的是交流阻抗測量技術。交流阻抗與燃料電池水含量的聯系紐帶是膜電極內質子傳導率(反比于電阻率)與膜電極內水含量的正相關關系。下圖為2010年豐田在SAE文獻中報道的質子交換膜阻抗與燃料電池單片水含量的數據,阻抗測量頻率為1kHz。

    豐田質子交換膜阻抗與單片水含量關系

    用A、B、C、D四個點將圖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。豐田實驗數據表明,BC段是一定存在的,其存在的意義是燃料電池系統水管理策略的實時性要求有所降低,同時B點和C點的選擇是有依據的,至少有四個方面:第yi,B點和C點的燃料電池輸出電壓是相近的;第二,B點與C點之間的燃料電池阻抗變化必須是可測量的且可有效區分的;第三,B點和C點之間的燃料電池工作條件控制是易于實現的;第四,B點和C點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系

    值得注意的是,圖1和圖2出自同一篇文獻報道,但圖1和圖2所對應的燃料電池單片工作條件是不充分已知,在實際燃料電池系統應用中應因地制宜。此外,燃料電池單片水含量與交流阻抗的實測數據往往沒有公開,文獻報道中的數據也多年未更新,而近二十年內燃料電池膜電極材料性能提升顯著,因此圖1數據僅供參考。

    用交流阻抗估算燃料電池水含量有兩個重要環節,第yi是測量交流阻抗,第二是根據工作條件推測燃料電池水含量。下面以豐田公司技術為實例著重闡述第yi個環節。

    下圖為豐田燃料電池系統交流阻抗測量技術原理。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極相連,用于對燃料電池堆施加電激勵信號;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燃料電池動力系統構型與下圖有差異,但對燃料電池堆施加電激勵信號均為DC/DC變換器,只是DC/DC變換器主要服務對象從動力電池換成了燃料電池,在此不作區分。

    豐田燃料電池交流阻抗測量原理

    從阻抗測量角度講,燃料電池系統控制器發送命令給DC/DC變換器后,DC/DC變換器進入電激勵控制模式,對燃料電池堆施加電激勵信號,這僅僅完成了第yi步。第二步,燃料電池系統控制器(或DC/DC變換器控制器,在此不作區分)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信息。第三步,控制器內單片機按照固定采樣頻率快速同步轉換交流電壓信號和交流電壓信號(由于單片機不能采集負電壓,故分別疊加了一定幅值的直流電壓信號)。待采樣點數達到預設數值后(一般是2的整數次方數量),執行FFT計算(快速傅里葉變換)預設頻率點的阻抗,得到阻抗相位和幅值。

    在第三步中,單片機執行FFT計算是數字信號處理領域的有解決對策的計算問題。采樣點數越多,采樣花費時間越長;FFT計算量越大,單片機花費時間越長,單片機內存使用量越大;采樣點數越多,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)。實際應用中,需要考慮單片機計算處理能力,協調各個控制程序環節(定時中斷處理和隨機中斷處理)。

    豐田在文獻中指出,交流阻抗的目標阻抗頻率是300 Hz,信號采樣點數是512,采樣過程花費170 ms,簡單計算可知采樣頻率是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?有兩個理由:第yi,豐田給出了燃料電池阻抗頻譜測量結果,如下圖,重點指明300 Hz阻抗和1k Hz阻抗很接近;第二,豐田指出采樣頻率點必須要避開動力系統可能的共振頻率點。關于這兩個理由,姑且不懷疑豐田確實選擇了300 Hz,但有兩個可疑點:第yi,負載電流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果嗎?第二,采樣頻率3k Hz是否受限于DC/DC變換器開關器件的實際開關頻率,是否受限于DC/DC變換器本身的共振頻率(可參考2016年氫能雜志文獻和2017年SAE會議論文)?

    豐田燃料電池阻抗頻譜實驗數據

    豐田DC/DC變換器電壓激勵信號產生方法

    豐田如何運用DC/DC變換器實現電激勵信號的呢?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)閉環控制算法,在燃料電池堆的目標穩態輸出電壓基礎上,疊加一個幅值較小的交變目標輸出電壓。根據燃料電池堆目標輸出電壓與實際輸出電壓差值,調整DC/DC變換器功率開關器件的占空比(唯yi的執行器件),如下圖。

    燃料電池極化曲線與阻抗測量關系

    第二,我們知道阻抗的定義是量化電氣對象對流經電氣對象電流的阻礙作用。對燃料電池而言,施加電壓激勵信號和施加電流激勵信號本質上并無區別。同樣,對于DC/DC變換器,無論采用電壓閉環控制,還是電流閉環控制,唯yi可控的執行器件為功率開關,可變的變量為功率開關的占空比。占空比分辨率決定了電壓控制或電流控制的精細程度。從表象上看,電壓控制時電壓度更高而電流相對粗獷,電流控制時電流度高而電壓相對粗獷。無論采用電壓閉環控制,還是電流閉環控制,技術執行手段都是一樣,技術問題都是如何實現交變電激勵信號的信號采集反饋。

    第三,閉環控制算法雖然也很重要,但不是技術難點。值得注意,電激勵信號與變換器紋波信號處在不同的頻帶上且相差甚遠。從實際應用角度講,紋波頻率至少是電激勵信號頻率的10倍,其原因是控制器離散控制必須要將目標頻率的交變電激勵信號的波形進行離散化。以正弦波為例,一個波形被分散成10段,也就是在一個波形內只能有10次有效的占空比控制??梢韵胂?,這樣的波形會變成什么樣子。如果關注10這個數字的話,容易想到豐田采用的300 Hz交流電激勵信號、采用的3kHz采樣頻率與采用的未知的開關器件開關頻率間的關系。

    在上述針對豐田技術方案的第yi步和第三步討論中,我們指出了一些問題??梢钥隙ǖ氖?,相比于第yi步而言,第二步才是技術關鍵,在技術難度上,第二步>第yi步>第三步。為什么要這樣排序呢?根據前面的討論,我們發現第yi步的技術關鍵點其中之一就是目標交流電激勵信號的信號采集反饋,很容易聯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細節,我們不妨分析下信號采集的難點,以及簡介可能的技術方案。

    豐田燃料電池水含量調節模式

    以豐田燃料電池質子交換膜阻抗為例進行說明。燃料電池正常工作狀態下(非停機吹掃或冷啟動),豐田設定質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。假設豐田采用的燃料電池單片面積為250 cm2,那么質子交換膜阻抗允許的變化范圍是0.72 mΩ到0.88 mΩ。當然這是2010年的材料技術水平。根據實際測試經驗來看,在正常工作狀態下,現在單片質子交換膜阻抗一般在0.1到0.5 mΩ范圍內。

    燃料電池單片輸出電流變化范圍為0到500A,根據交流阻抗測量的線性化要求,(在這里我們不區分電流激勵信號或電壓激勵信號,只從測量原理角度進行考慮),一般選擇交變電流激勵信號幅值是燃料電池穩態輸出電流的1%到10%,工程上一般認為5%是合理的測量范圍,那么實際應用的交變電流激勵信號幅值在0到2,當然我們傾向于選擇到10A作為幅值。當對燃料電池堆施加幅值為到10A的300Hz的交變電流激勵信號時,燃料電池單片在穩態輸出電壓的基礎上產生了一個幅值在0.5mV到5mV的交變電壓響應信號。如果對燃料電池堆施加交變電壓響應信號幅值為0.5mV到5mV,對應的燃料電池堆在穩態輸出電流的基礎上產生了一個幅值在到10A的交變電流響應信號。兩種方式,無本質區別。

    燃料電池單片的輸出電壓一般在0.6V到0.8V之間,在此電壓平臺上采集一個毫伏量級的交變電壓信號,電壓比例不足1%,已經到了普通電壓傳感器的精度量級,考慮到噪聲干擾,技術難度是比較大的。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燃料電池單片串聯組成,每個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,因為燃料電池單片是在0.6V到0.8V的電壓平臺上采集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問題,其實我們也很好奇豐田到底是怎么解決電激勵信號閉環控制中的電激勵信號反饋的,答案是不知道的,我們不用去做過多猜想?;氐叫盘柌杉旧韥碛懻撘幌?。

    我們的采集目標是這樣一個信號,穩態直流信號+交變電信號,兩者存在至少兩個數量級上的幅值差異。為了采集穩態直流信號,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交變電信號頻率兩側的其他頻率信號。目前,能夠同時兼容兩者的信號處理電路是不容易設計的??紤]交變電信號閉環控制,直觀的解決思路是將兩種信號先剝離,調整幅值后再融合。從阻抗測量角度,只需要采集交變電信號,無需關心穩態直流信號,那么信號處理電路設計方案是很簡單的。這是控制與信號分析的不同之處。

    假設我們設計出了滿足控制和信號分析要求的信號處理電路,就會有個新的問題,因為信號處理電路會影響原始信號幅值和相位,阻抗計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:易于設計和易于標定出兩個交變信號處理的差異。后一個需要關注的問題是,把這項技術應用于車載燃料電池系統上,如何保證測量結果與商用的電化學工作站相比是在可接受的范圍內。

    豐田第yi代燃料電池系統系統水含量控制

    豐田第二代燃料電池系統系統水含量控制

    在此將豐田文獻中給出的一些車用測試結果分享給大家,作為結束。上述兩幅圖為豐田在第yi代和第二代燃料電池系統中水含量控制效果。

     

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