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设计用于燃料电池原位故障预测的便携式系统

2022-07-19 10:33:37 来源：用户：

大家好，小科来为大家解答以上问题。设计用于燃料电池原位故障预测的便携式系统这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

解答：

1、到2050年，氢有望成为一个10吨级(即万亿美元)的市场，占全球GDP的13%。[1]随着越来越多的国家开始认真考虑交通运输的零碳解决方案，氢燃料电池在过去几年里有了显著的增长。氢动力汽车开辟了围绕水解器/电解器的新市场，氢气实际上是在加油站生产的，而不是像我们今天使用汽油那样需要长途运输。质子交换膜(PEM)是大多数制氢电解槽或利用氢气发电的燃料电池的核心，如图1所示。

2、 1.PEM燃料电池。[2]

3、与其他型号相比，PEM电池具有能够在相对较低的温度下工作的优势，以及尺寸和重量方面的优势。只要以适当的量和条件供应氢气和氧气作为燃料，这种燃料电池就可以发电。电解池由相似的成分组成，基本上以相反的方式工作：向水供电，产生氧气和氢气。

4、随着质子交换膜燃料电池在公交车、汽车和轻轨车辆上的应用，在故障发生前进行预测变得越来越重要。参考文献[3，4]表明电化学阻抗谱(EIS)可用于检测PEM中的针孔故障和其他故障模式。这通常在提供10到100安培电流的大型台式仪器上进行。然而，这些仪器是大规模系统，不能很好地扩展到允许现场诊断的可运输燃料电池。本文介绍了如何利用AD5941W[5]EIS引擎的优势，使便携式EIS系统在1A至100A的激励电流下工作。这项工作可以应用于燃料电池，电解槽，电池和其他低阻抗系统。

5、实验

6、开发的基础测量引擎是ADI公司的AD5941W，是一款高精度阻抗和电化学前端，可以测量恒电位和恒电流。对于这些测试，燃料电池(类似于电池)需要恒定电流测量，其中产生电流并测量电压。请参考图2所示的框图。

7、图二。ad5941w的框图显示了用于激励的高带宽AFE路径以及用于校准和DFT/EIS分析的精密ADC路径。

8、该项目始于CN0510的测试。ADI公司制造的电池专用阻抗测量板可以帮助客户利用功能强大的AD5941WEIS引擎测试电池阻抗，该引擎可以执行精确的阻抗测量。很快，这种方法就明显有了局限性，即电池交流激励所用的小电流和本板上使用的外接放大器的1/f噪声角，以及接收机使用交流去耦链限制刺激和接收的低频角。燃料电池的预期洞察力出现在~100Hz或以下，高达10skHz，并且激励电流高达10A(以便超过燃料电池的过程噪声)。显然，这块板子需要修改。CN0510如图3所示。

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10、图3。CN0510电池阻抗系统。

11、扩展该方法的电流激励范围的一种方式是获得激励信号(图3中的CE0)并将其发送到可远程控制的电子负载；在这种情况下，聚水PLZ303W。[6]这种方法如图4所示。

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13、图4。KikusuiPLZ303W和CN0510板之间的电气连接。

14、使用10安培时，必须考虑布线的寄生电感，并尽可能使用双绞线来降低电压噪声拾取。在10mDUT上，系统产生标准偏差约为1至2的强阻抗数据，如图5所示。

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16、图5。数据来自使用KikusuiPLZ303W的10mDUT。

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图6.使用KikusuiPLZ303W在整个频率范围内测量的10mΩDUT。

需要注意的是Kikusui设备重约10公斤，因此它不适合便携式电子产品。然而，这验证了该方法并将我们推向小型化。使用AD8618运算放大器构建了基于标准运算放大器的压控电流源(VCCS)。选择此放大器是为了获得适当的增益BW以及良好的精度性能。这在图7中示意性地显示。

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图7.用于分立VCCS测试的电路。

虽然图7中电路的完整推导超出了本文的范围，但值得注意的是，任何较长的布线都应与使用局部去耦以管理寄生电感一起扭曲。图7中的C2用作降噪上限，但确实会导致约1kHz以上的频率滚降。图8显示了测量电路的更新框图。

开发了一个自定义Python脚本，以允许直接控制激励节点上的激励频率、直流和交流幅度，以及校准电阻器调整。激励信号和接收信号如图9所示。

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图8.更新后的框图，带有新的电流激励器级。

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图9.来自有源电流吸收器的1Hz和10Hz的激励和接收信号：Ch1—AD5941WCE0输出、Ch2—激励电流、Ch3—SNS_P输入信号、Ch4—到运算放大器的衰减信号。

图10显示了此有源电流吸收器的结果，以及表1中接收信号链中不同去耦电容的结果，表1显示了去耦电容上实际阻抗误差的标准偏差。

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图10.来自100mΩ实际阻抗(N=10)的返回数据显示了较低频率下的误差。

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表1.0.1Hz激励、100mΩDUT时的误差比较

很明显，接收器信号链中的输入电容器对平均阻抗测量及其可重复性都有影响。较大的电容值会改善误差的标准偏差，而100μF是该电路板上实际适合的最大尺寸。

将DUT的阻抗降低到10mΩ会在较低频率下显示类似的误差，如图11所示。

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图11.10mΩ实际阻抗(N=10)的返回数据。

该实验进一步扩展到1mΩ，以评估测量中有多少误差。如图12所示。

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图12.1mΩ实际阻抗(N=10)的返回数据。

既然已经使用电阻器证明了基本的电子功能，下一步就是将这些方法应用于实际的燃料电池。

燃料电池EIS测量

采用图7中描述的电路，下一步是查看实际的氢燃料电池。测试了Flex-Stak[7]燃料电池以检查Nyquist图，这是一种可视化实/虚阻抗的方法，其中频率在整个测量过程中发生变化。第一个测试如图13所示。

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图13.Flex-Stak燃料电池EIS奈奎斯特图。

虽然该燃料电池的阻抗仅为100几mΩ，但AD5941W与有源电流吸收器一起能够对1Hz至5kHz的燃料电池阻抗进行成像。图13中的奈奎斯特图大致近似于该燃料电池的预期值，并且直流激励大于燃料电池的额定容量，并且该实验可能遭受了某种程度的燃料不足。为进行EIS测量而引入的交流扰动也非常大，并且超出了测量的直流激励的线性响应。除了展示AD5941WEIS电路的功能外，不应阅读此特定测试的功能洞察力。需要更多的测试来深入了解这种特定燃料电池的响应。然而，这种电路拓扑，如果应用得当，

在对小型氢燃料电池进行测试后，该方法在生产（66节）风冷巴拉德燃料电池堆上进行了测试，以评估其原位诊断的可行性。这将使氢燃料电池的运营商更好地了解完整的燃料电池堆及其在运行中的电化学功能。目前，操作员唯一可用的诊断是电池组产生的电力。这种新的分析技术可以类比为将您的汽车插入修理厂并拉出错误代码。

与图7类似的设置也用于在燃料电池堆的预期直流工作点的一小部分(~5%)处生成用于阻抗测量的应用电流扰动。这是至关重要的，因为这允许电化学系统在线性操作范围内成像，然后将允许阻抗数据的外推适用于整个系统。[8]

使用KikusuiEIS系统和AD5941W系统的比较测试结果如图14所示。

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图14.巴拉德氢燃料电池堆上KikusuiEIS和ADIAD5941WEIS系统的比较。

图14显示了直流工作电流范围为10A至60A时的奈奎斯特图。EIS测量范围为1Hz（右侧半圆）至5kHz（左侧）。实线（AD5941W仪器仪表）和虚线（Kikusui）与较高的频率水平相一致，其中分立式VCCS的设计限制（稳定性和高频能力之间的权衡）开始变得明显。电化学在低频和高频EIS扫描中都有价值，因此最好使用的电子设备可能取决于用例。然而，该扫描表明，重量和尺寸仅为台式仪器1/100的小型手持式仪器对于氢燃料电池堆光谱学是可行的。

正是这种车载燃料电池诊断方面的创新应该有助于氢经济潜在地扩大到其预计的万亿美元市场规模。合作结合电子学、电化学和系统设计方面的最佳知识是开始出现基于氢燃料的完全绿色经济的一种可能方式。

参考

1AlbertoGandolf、AjayPatel、MicheleDellaVigna、MafaldaPombeiro和MathieuPidoux。绿色氢：公用事业行业的下一个转型驱动力。高盛集团，2020年9月。

2质子交换膜燃料电池。维基百科。

3JacobW.Devaal、HoomanHomayouni和FaridGolnaraghi。“用于储能系统诊断的降低堆栈电压电路。”巴拉德动力系统公司，2018年。

4GhassanHassanMousa、JacobWilliamDeVaal和FaridGolnaraghi。“使用神经网络和EIS信号分析来量化运行PEM细胞中的H2原位交叉。”巴拉德动力系统公司，2020年。

5“用于小型化实验室级电化学测量的电子解决方案。”AnalogDevices,Inc.，2019年11月。

6《菊水PLZ303W遥控电流源说明书》。菊水电子株式会社

7“Flex-Stak燃料电池。”燃料电池商店。

8RichardG.Compton和CraigE.Banks。了解伏安法。世界科学，2018年8月。

所有图片和表格均由ADI公司提供。审核编辑黄昊宇

本文到此结束，希望对大家有所帮助。

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