Paul Perrault, Micheal Lambe, Sasha Dass, 和 Greg Afonso

預(yù)計(jì)到10年，氫能市場將達(dá)到2050萬億美元（即萬億“T”）市場，或者 占全球GDP的13%，1氫燃料電池的增長速度激增 過去幾年，隨著越來越多的人開始認(rèn)真對(duì)待零碳 運(yùn)輸解決方案。氫動(dòng)力汽車開辟新市場 在水解器/電解槽周圍，氫氣實(shí)際上是在 加油站，而不是像我們今天用汽油那樣長途跋涉。 大多數(shù)產(chǎn)生氫氣的電解槽或使用的燃料電池的核心 氫發(fā)電，是一種質(zhì)子交換膜（PEM），如 如圖 1 所示。PEM單元的優(yōu)點(diǎn)是能夠在 溫度相對(duì)較低，同時(shí)具有尺寸和重量 優(yōu)勢，其他模型。只要提供氫氣和氧氣 燃料在適當(dāng)?shù)臄?shù)量和條件下，這種燃料電池產(chǎn)生電力。這 電解槽由類似的組件制成，基本上是反向運(yùn)行的： 電力供應(yīng)給水，產(chǎn)生氧氣和氫氣。

圖1.質(zhì)子交換膜燃料電池。

隨著PEM燃料電池被用于更多的運(yùn)輸車輛，如公共汽車、汽車和照明。 軌道車輛，在故障之前預(yù)測故障變得越來越重要 發(fā)生。文獻(xiàn)3,4已經(jīng)表明電化學(xué)阻抗譜 （EIS） 技術(shù)可用于檢測 PEM 內(nèi)的針孔故障，其中 其他故障模式。這通常在大型臺(tái)式儀器采購上完成 電流在 10 秒到 100 安培的范圍內(nèi)。但是，這些工具是 大型系統(tǒng)，不能很好地?cái)U(kuò)展到允許的可運(yùn)輸燃料電池 原位診斷。本文介紹了制造便攜式設(shè)備的挑戰(zhàn) EIS系統(tǒng)在1 A至100 A激勵(lì)電流下工作，并利用杠桿 AD5941W的優(yōu)勢5EIS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)

此開發(fā)的基本測量引擎是 AD5941W ADI公司，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量。為 這些測試，燃料電池（類似于電池）需要恒電流測量 產(chǎn)生電流并測量電壓的地方。參見框圖 如圖 2 所示。

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

該項(xiàng)目始于對(duì)電池專用阻抗CN0510的測試。 ADI為協(xié)助客戶進(jìn)行阻抗測試而制造的測量板 電池?cái)?shù)量采用強(qiáng)大的AD5941W EIS引擎，可實(shí)現(xiàn)高精度 阻抗測量。立即，很明顯有 這種方法的局限性，即用于交流激勵(lì)的低電流 該板上使用的外部放大器的電池和 1/f 噪聲角落， 同時(shí)對(duì)接收器鏈?zhǔn)褂媒涣魅ヱ睿拗频碗娖?頻率角的刺激和接收。對(duì)燃料電池有預(yù)期的見解 在 ~100 Hz 或以下和高達(dá) 10 秒的 kHz 頻率下發(fā)生，以及激勵(lì)電流 高達(dá) 10 A（為了高于燃料電池的過程噪音），很明顯 該委員會(huì)需要修訂。CN0510如圖3所示。

圖3.CN0510電池阻抗系統(tǒng)。

擴(kuò)展這種方法當(dāng)前激勵(lì)范圍的一種方法是采用 激勵(lì)激勵(lì)信號(hào)（圖0中的CE3）并將其發(fā)送到可遙控電子負(fù)載;在這種情況下，菊水PLZ303W。6顯示了此方法 示意圖如圖4所示。

圖4.菊水PLZ303W與CN0510板的電氣連接。

使用時(shí)考慮布線的寄生電感很重要 10 安培，并盡可能使用雙絞線以減少電壓噪聲 拾音器。該系統(tǒng)產(chǎn)生具有標(biāo)準(zhǔn)偏差的強(qiáng)阻抗數(shù)據(jù) 在1 mΩ DUT的~2 μΩ至10 μΩ范圍內(nèi)，如圖5所示。

圖5.來自使用菊水PLZ10W的303 mΩ DUT的數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)也是跨頻率采集的，以了解在 來自激勵(lì)的儀器，如圖6所示，誤差線顯示較差 激勵(lì)頻率降低時(shí)的可重復(fù)性，由于交流耦合 接收器信號(hào)鏈。

圖6.使用菊水 PLZ10W 在整個(gè)頻率范圍內(nèi)測量的 303 mΩ DUT。

需要注意的是，菊水設(shè)備重~10公斤，因此不適合 便攜式電子產(chǎn)品。然而，這驗(yàn)證了方法論并推動(dòng)了我們 走向小型化?；跇?biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的電壓控制電流 源極（VCCS）采用運(yùn)算放大器AD8618構(gòu)建。該放大器被選用于 適當(dāng)?shù)脑鲆鎺捯约安诲e(cuò)的精度性能。這顯示 示意圖如圖 7 所示。

圖7.用于分立VCCS測試的電路。

雖然圖7中電路的完整推導(dǎo)超出了 這篇文章，值得注意的是，任何更長的布線都應(yīng)該沿著 使用本地去耦來管理寄生電感。圖 2 中的 C7 用作降噪帽，但確實(shí)會(huì)導(dǎo)致上面的頻率滾降 ~1 千赫。圖8顯示了測量電路的更新框圖。

圖8.帶有新電流勵(lì)磁器級(jí)的更新框圖。

開發(fā)了一個(gè)自定義的Python腳本，允許直接控制刺激 激勵(lì)節(jié)點(diǎn)上的頻率、直流和交流幅度以及校準(zhǔn) 電阻調(diào)整。激勵(lì)信號(hào)和接收信號(hào)如 圖9.

圖9.來自有源吸電流的1 Hz和10 Hz激勵(lì)和接收信號(hào)：通道1 — AD5941W CE0輸出，通道2 - 激勵(lì)電流，通道3 - SNS_P輸入信號(hào)，通道4 - 衰減信號(hào)至運(yùn)算放大器。

圖10顯示了該有源吸電流的結(jié)果以及所獲取的結(jié)果 表1中接收信號(hào)鏈中的去耦電容不同，其 顯示了去耦電容上實(shí)際阻抗誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖 10.從100 mΩ實(shí)際阻抗（N = 10）返回的數(shù)據(jù)顯示較低頻率下的誤差。

很明顯，接收器信號(hào)鏈中的輸入電容具有 對(duì)平均阻抗測量及其可重復(fù)性的影響。 較大的電容值可改善誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差和 100 μF 是物理上適合此板的最大尺寸。

將DUT的阻抗調(diào)低至10 mΩ時(shí)，在較低的電阻下顯示類似的誤差。 頻率，如圖11所示。

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

該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步擴(kuò)展到1 mΩ，以評(píng)估多少 誤差會(huì)蔓延到測量中。如圖 12 所示。

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

既然基本的電子功能已經(jīng)使用電阻器得到了驗(yàn)證， 下一步是將這些方法應(yīng)用于實(shí)際的燃料電池。

燃料電池 EIS 測量

采用圖7所示的電路，下一步是查看實(shí)際的 氫燃料電池。彈性斯塔克7對(duì)燃料電池進(jìn)行測試以檢查奈奎斯特圖， 這是一種可視化實(shí)數(shù)/虛部阻抗的方法，其中頻率 在整個(gè)測量過程中發(fā)生變化。第一個(gè)測試如圖 13 所示。

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100mΩ，但AD5941W， 與有源電流吸收一起，能夠?qū)θ剂系淖杩惯M(jìn)行成像 電池頻率從 1 Hz 到 5 kHz。圖 13 中的奈奎斯特圖大致接近 預(yù)計(jì)來自該燃料電池，并且直流勵(lì)磁大于燃料 電池的額定能力以及實(shí)驗(yàn)可能受到一些影響 燃料匱乏程度。為使EIS而引入的交流擾動(dòng) 測量值也相當(dāng)大，超出了直流的線性響應(yīng) 激勵(lì)測量。不應(yīng)將任何功能見解解讀為此處 除顯示AD5941W EIS電路功能外的特定測試。更多 需要進(jìn)行測試以深入了解這種特定燃料的反應(yīng) 細(xì)胞。但是，如果應(yīng)用得當(dāng)，這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)給我們信心。 潛在地檢測氫交叉、氧氣濃度以及其他 潛在的故障模式也是如此。

在小型氫燃料電池上進(jìn)行測試后，對(duì)這種方法進(jìn)行了測試 在生產(chǎn)（66節(jié)）風(fēng)冷巴拉德燃料電池堆上評(píng)估其可行性 用于原位診斷。這將使氫燃料電池的運(yùn)營商能夠更好地 了解完整的燃料電池堆及其電化學(xué)功能 操作。目前，操作員唯一可用的診斷是生產(chǎn)的 來自電池組的電源。這種新的分析技術(shù)可以類比于 在機(jī)械師的商店插上你的車并拉出錯(cuò)誤代碼。

與圖7類似的設(shè)置也用于產(chǎn)生施加的電流 阻抗測量的擾動(dòng)很?。▇5%）的 燃料電池堆的預(yù)期直流工作點(diǎn)。這是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@允許 在線操作范圍內(nèi)成像的電化學(xué)系統(tǒng)，以及 然后允許阻抗數(shù)據(jù)的外推適用于 總系統(tǒng)。8

使用菊水EIS系統(tǒng)和 AD5941W系統(tǒng)如圖14所示。

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

圖14顯示了直流工作電流 范圍從 10 A 到 60 A。EIS測量范圍為1 Hz（右側(cè)） 半圓）至 5 kHz（左側(cè)）。實(shí)線（AD5941W儀器）和 虛線（菊水）排列得很好，直到更高的頻率水平，其中 設(shè)計(jì)限值（穩(wěn)定性和高頻能力之間的權(quán)衡）為 分立式VCCS開始顯現(xiàn)。在低頻和高頻EIS掃描中都有電化學(xué)價(jià)值，因此最好的電子設(shè)備 使用可能取決于用例。但是，此掃描顯示 手持式儀器，1/100千臺(tái)式儀器的重量和尺寸為 適用于氫燃料電池堆光譜。

正是這種車載燃料電池診斷的創(chuàng)新應(yīng)該有助于 允許氫經(jīng)濟(jì)有可能擴(kuò)大到其預(yù)測的萬億美元市場規(guī)模。協(xié)作結(jié)合電子領(lǐng)域的最佳知識(shí) 在電化學(xué)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是一種可能的方式，即 基于氫燃料的綠色經(jīng)濟(jì)可能開始出現(xiàn)。

審核編輯：郭婷