丰田燃料电池堆含水量实时测量技术分析-尊龙凯时·中国官方网站

燃料电池堆由多片单体串联组成，供气结构设计等因素使得电堆内各单片工作条件存在差异，引起单片水含量存在不一致，造成部分单片水含量过高或过低。因此，实时监测燃料电池单片水含量对于实现电堆性能稳定输出异常重要。本文介绍丰田汽车公司车载燃料电池堆交流阻抗在线测量技术。

本文特邀行业技术专家撰稿，作者从业燃料电池领域多年，车用燃料电池研究与应用经验丰富，国内开展和实现了车用燃料电池堆和单片交流阻抗测量技术研究与应用，拥有31项国内发明专li。

氢燃料电池系统是由空气系统、氢气系统、冷却系统和电气控制系统及辅助系统组成，氢燃料电池系统控制策略是由空气系统控制、氢气系统控制、冷却系统控制、故障诊断、系统功率控制和水管理等有机构成的。

燃料电池系统输出性能，是一种直观评价燃料电池系统控制效果的指标。其得益于电压和电流的可测量性，因此易于从时间和统计特性相结合的角度，去评价燃料电池系统预期工作条件选择的合理性，去评价燃料电池系统设计匹配集成与控制的优化程度，进而决定了空气系统、氢气系统和冷却系统三者控制策略的主要控制目标。与之对比，水管理策略则扮演着修正空气系统、氢气系统和冷却系统三者控制策略的控制目标的角色。水管理依赖于燃料电池内水分布和水含量的测量结果(学术热点和应用难点)，其难度随着燃料电池单片数量增加而加大(鲜有报道成果)。

燃料电池水含量测量技术手段很多，目前公知的应用于车载燃料电池系统的是交流阻抗测量技术。交流阻抗与燃料电池水含量的联系纽带是膜电极内质子传导率(反比于电阻率)与膜电极内水含量的正相关关系。下图为2010年丰田在sae文献中报道的质子交换膜阻抗与燃料电池单片水含量的数据，阻抗测量频率为1khz。

丰田质子交换膜阻抗与单片水含量关系

用a、b、c、d四个点将图1中曲线分成三段，ab段代表燃料电池单片水含量过低，cd段代表燃料电池单片水含量过高，无论燃料电池单片水含量过高或过低都将导致燃料电池输出性能下降(上图所示)，中间bc段代表燃料电池水含量和输出性能变化是有边界的。丰田实验数据表明，bc段是一定存在的，其存在的意义是燃料电池系统水管理策略的实时性要求有所降低，同时b点和c点的选择是有依据的，至少有四个方面：第yi，b点和c点的燃料电池输出电压是相近的；第二，b点与c点之间的燃料电池阻抗变化必须是可测量的且可有效区分的；第三，b点和c点之间的燃料电池工作条件控制是易于实现的；第四，b点和c点之间的燃料电池水含量变化对耐久性的损伤是较弱的，比如质子交换膜膨胀率、膜电极电流和温度分布均匀性。

丰田燃料电池输出性能与单片水含量关系

值得注意的是，图1和图2出自同一篇文献报道，但图1和图2所对应的燃料电池单片工作条件是不充分已知，在实际燃料电池系统应用中应因地制宜。此外，燃料电池单片水含量与交流阻抗的实测数据往往没有公开，文献报道中的数据也多年未更新，而近二十年内燃料电池膜电极材料性能提升显著，因此图1数据仅供参考。

用交流阻抗估算燃料电池水含量有两个重要环节，第yi是测量交流阻抗，第二是根据工作条件推测燃料电池水含量。下面以丰田公司技术为实例着重阐述第yi个环节。

下图为丰田燃料电池系统交流阻抗测量技术原理。从电气配置角度讲，具备高压dc/dc变换器、电流传感器、电压传感器。其中，高压dc/dc变换器与燃料电池堆正负极相连，用于对燃料电池堆施加电激励信号；电流传感器用于测量燃料电池堆的输出电流；电压传感器用于测量燃料电池堆的输出电压。尽管丰田mirai燃料电池动力系统构型与下图有差异，但对燃料电池堆施加电激励信号均为dc/dc变换器，只是dc/dc变换器主要服务对象从动力电池换成了燃料电池，在此不作区分。

丰田燃料电池交流阻抗测量原理

从阻抗测量角度讲，燃料电池系统控制器发送命令给dc/dc变换器后，dc/dc变换器进入电激励控制模式，对燃料电池堆施加电激励信号，这仅仅完成了第yi步。第二步，燃料电池系统控制器(或dc/dc变换器控制器，在此不作区分)采集电压传感器和电流传感器反馈的电信号，同步提取用于计算阻抗的交流电压信号和交流电流信号，丰田并没有在上图中给出详细信息。第三步，控制器内单片机按照固定采样频率快速同步转换交流电压信号和交流电压信号(由于单片机不能采集负电压，故分别叠加了一定幅值的直流电压信号)。待采样点数达到预设数值后(一般是2的整数次方数量)，执行fft计算(快速傅里叶变换)预设频率点的阻抗，得到阻抗相位和幅值。

在第三步中，单片机执行fft计算是数字信号处理领域的有解决对策的计算问题。采样点数越多，采样花费时间越长；fft计算量越大，单片机花费时间越长，单片机内存使用量越大；采样点数越多，被采样信号的信号分析频谱频率分辨率越高(注意，不是阻抗频谱)。实际应用中，需要考虑单片机计算处理能力，协调各个控制程序环节(定时中断处理和随机中断处理)。

丰田在文献中指出，交流阻抗的目标阻抗频率是300 hz，信号采样点数是512，采样过程花费170 ms，简单计算可知采样频率是3k hz，信号分析频谱的频率分辨率是5.88 hz。丰田为什么选择300 hz作为采样频率点？有两个理由：第yi，丰田给出了燃料电池阻抗频谱测量结果，如下图，重点指明300 hz阻抗和1k hz阻抗很接近；第二，丰田指出采样频率点必须要避开动力系统可能的共振频率点。关于这两个理由，姑且不怀疑丰田确实选择了300 hz，但有两个可疑点：第yi，负载电流10a下测量的燃料电池阻抗频谱，能指代其他电流密度的测量结果吗？第二，采样频率3k hz是否受限于dc/dc变换器开关器件的实际开关频率，是否受限于dc/dc变换器本身的共振频率（可参考2016年氢能杂志文献和2017年sae会议论文）？

丰田燃料电池阻抗频谱实验数据

丰田dc/dc变换器电压激励信号产生方法

丰田如何运用dc/dc变换器实现电激励信号的呢？丰田专li中指出，采用dc/dc变换器输入电压(燃料电池堆输出电压)闭环控制算法，在燃料电池堆的目标稳态输出电压基础上，叠加一个幅值较小的交变目标输出电压。根据燃料电池堆目标输出电压与实际输出电压差值，调整dc/dc变换器功率开关器件的占空比(唯yi的执行器件)，如下图。

燃料电池极化曲线与阻抗测量关系

第二，我们知道阻抗的定义是量化电气对象对流经电气对象电流的阻碍作用。对燃料电池而言，施加电压激励信号和施加电流激励信号本质上并无区别。同样，对于dc/dc变换器，无论采用电压闭环控制，还是电流闭环控制，唯yi可控的执行器件为功率开关，可变的变量为功率开关的占空比。占空比分辨率决定了电压控制或电流控制的精细程度。从表象上看，电压控制时电压度更高而电流相对粗犷，电流控制时电流度高而电压相对粗犷。无论采用电压闭环控制，还是电流闭环控制，技术执行手段都是一样，技术问题都是如何实现交变电激励信号的信号采集反馈。

第三，闭环控制算法虽然也很重要，但不是技术难点。值得注意，电激励信号与变换器纹波信号处在不同的频带上且相差甚远。从实际应用角度讲，纹波频率至少是电激励信号频率的10倍，其原因是控制器离散控制必须要将目标频率的交变电激励信号的波形进行离散化。以正弦波为例，一个波形被分散成10段，也就是在一个波形内只能有10次有效的占空比控制。可以想象，这样的波形会变成什么样子。如果关注10这个数字的话，容易想到丰田采用的300 hz交流电激励信号、采用的3khz采样频率与采用的未知的开关器件开关频率间的关系。

在上述针对丰田技术方案的第yi步和第三步讨论中，我们指出了一些问题。可以肯定的是，相比于第yi步而言，第二步才是技术关键，在技术难度上，第二步>第yi步>第三步。为什么要这样排序呢？根据前面的讨论，我们发现第yi步的技术关键点其中之一就是目标交流电激励信号的信号采集反馈，很容易联想到第二步中必须要解决的信号采集问题。

针对信号采集，既然丰田没有介绍技术细节，我们不妨分析下信号采集的难点，以及简介可能的技术方案。

丰田燃料电池水含量调节模式

以丰田燃料电池质子交换膜阻抗为例进行说明。燃料电池正常工作状态下(非停机吹扫或冷启动)，丰田设定质子交换膜面积阻抗允许的变化范围是180到220mω·cm2，如上图所示。假设丰田采用的燃料电池单片面积为250 cm2，那么质子交换膜阻抗允许的变化范围是0.72 mω到0.88 mω。当然这是2010年的材料技术水平。根据实际测试经验来看，在正常工作状态下，现在单片质子交换膜阻抗一般在0.1到0.5 mω范围内。

燃料电池单片输出电流变化范围为0到500a，根据交流阻抗测量的线性化要求，(在这里我们不区分电流激励信号或电压激励信号，只从测量原理角度进行考虑)，一般选择交变电流激励信号幅值是燃料电池稳态输出电流的1%到10%，工程上一般认为5%是合理的测量范围，那么实际应用的交变电流激励信号幅值在0到2，当然我们倾向于选择到10a作为幅值。当对燃料电池堆施加幅值为到10a的300hz的交变电流激励信号时，燃料电池单片在稳态输出电压的基础上产生了一个幅值在0.5mv到5mv的交变电压响应信号。如果对燃料电池堆施加交变电压响应信号幅值为0.5mv到5mv，对应的燃料电池堆在稳态输出电流的基础上产生了一个幅值在到10a的交变电流响应信号。两种方式，无本质区别。

燃料电池单片的输出电压一般在0.6v到0.8v之间，在此电压平台上采集一个毫伏量级的交变电压信号，电压比例不足1%，已经到了普通电压传感器的精度量级，考虑到噪声干扰，技术难度是比较大的。燃料电池单片的输出电流采集有两种方式，霍尔电流传感器同样面临传感器本身的精度量级问题，分流器式传感器可以一定程度上摆脱霍尔电流传感器的困境。

燃料电池堆是由多个燃料电池单片串联组成，每个单片的输出电流相同而电压不同。因此，燃料电池堆的交变电流信号采集与燃料电池单片的交变电流信号采集问题是一致的。然而，燃料电池堆的交变电压信号采集与燃料电池单片的交变电压信号采集问题是不一样的，因为燃料电池单片是在0.6v到0.8v的电压平台上采集0.5mv到5mv的交变电压信号，燃料电池堆是在222v到296v的电压平台上采集111mv到1850mv的交变电压信号，两者虽然比例一致，但信号处理元器件面临的信号量级不一样，信号处理电路元器件的耐压级别有差异，在此我们不做过多讨论。

前面谈到的具体技术问题，其实我们也很好奇丰田到底是怎么解决电激励信号闭环控制中的电激励信号反馈的，答案是不知道的，我们不用去做过多猜想。回到信号采集本身来讨论一下。

我们的采集目标是这样一个信号，稳态直流信号 交变电信号，两者存在至少两个数量级上的幅值差异。为了采集稳态直流信号，一般采用低通滤波电路去除交变电信号；为了采集交变电信号，一般采用带通滤波电路去除目标交变电信号频率两侧的其他频率信号。目前，能够同时兼容两者的信号处理电路是不容易设计的。考虑交变电信号闭环控制，直观的解决思路是将两种信号先剥离，调整幅值后再融合。从阻抗测量角度，只需要采集交变电信号，无需关心稳态直流信号，那么信号处理电路设计方案是很简单的。这是控制与信号分析的不同之处。

假设我们设计出了满足控制和信号分析要求的信号处理电路，就会有个新的问题，因为信号处理电路会影响原始信号幅值和相位，阻抗计算涉及到交变电压信号采集分析和交变电流信号采集分析，类似于a=b/c，b和c的测量精度直接影响a的测量精度。对信号处理电路提出的新要求：易于设计和易于标定出两个交变信号处理的差异。后一个需要关注的问题是，把这项技术应用于车载燃料电池系统上，如何保证测量结果与商用的电化学工作站相比是在可接受的范围内。

丰田第yi代燃料电池系统系统水含量控制

丰田第二代燃料电池系统系统水含量控制

在此将丰田文献中给出的一些车用测试结果分享给大家，作为结束。上述两幅图为丰田在第yi代和第二代燃料电池系统中水含量控制效果。