作者：Paul Perrault,Micheal Lambe,Sasha Dass, andGreg Afonso

介紹

預(yù)計到2050年，氫能市場將達(dá)到10萬億美元（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)真對待零碳 運輸解決方案。氫動力汽車開辟新市場 在水解器/電解槽周圍，氫氣實際上是在 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)點是能夠在 溫度相對較低，同時具有尺寸和重量 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。2

隨著PEM燃料電池被用于更多的運輸車輛，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)，不能很好地擴(kuò)展到允許的可運輸燃料電池 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激勵電流下工作，并利用杠桿AD5941W的優(yōu)勢5EIS引擎。這項工作可以應(yīng)用于燃料電池， 電解槽、電池和其他低阻抗系統(tǒng)。

實驗

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。

該項目始于對電池專用阻抗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 電池數(shù)量采用強(qiáng)大的AD5941W EIS引擎，可實現(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， 同時對接收器鏈?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)前激勵范圍的一種方法是采用 激勵激勵信號（圖3中的CE0）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10 mΩ DUT的~1 μΩ至2 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 來自激勵的儀器，如圖6所示，誤差線顯示較差 激勵頻率降低時的可重復(fù)性，由于交流耦合 接收器信號鏈。

圖6.使用菊水 PLZ303W 在整個頻率范圍內(nèi)測量的 10 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，這驗證了方法論并推動了我們 走向小型化。基于標(biāo)準(zhǔn)運算放大器的電壓控制電流 源極（VCCS）采用運算放大器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 7 中的 C2 用作降噪帽，但確實會導(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.帶有新電流勵磁器級的更新框圖。

開發(fā)了一個自定義的Python腳本，允許直接控制刺激 激勵節(jié)點上的頻率、直流和交流幅度以及校準(zhǔn) 電阻調(diào)整。激勵信號和接收信號如 圖9.

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

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中接收信號鏈中的去耦電容不同，其 顯示了去耦電容上實際阻抗誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

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

很明顯，接收器信號鏈中的輸入電容具有 對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，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實際阻抗（N = 10）返回數(shù)據(jù)。

該實驗進(jìn)一步擴(kuò)展到1 mΩ，以評估多少 誤差會蔓延到測量中。如圖 12 所示。

圖 12.從1 mΩ實際阻抗（N = 10）返回數(shù)據(jù)。

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

燃料電池 EIS 測量

采用圖7所示的電路，下一步是查看實際的 氫燃料電池。彈性斯塔克7對燃料電池進(jìn)行測試以檢查奈奎斯特圖， 這是一種可視化實數(shù)/虛部阻抗的方法，其中頻率 在整個測量過程中發(fā)生變化。第一個測試如圖 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)計來自該燃料電池，并且直流勵磁大于燃料 電池的額定能力以及實驗可能受到一些影響 燃料匱乏程度。為使EIS而引入的交流擾動 測量值也相當(dāng)大，超出了直流的線性響應(yīng) 激勵測量。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估其可行性 用于原位診斷。這將使氫燃料電池的運營商能夠更好地 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 阻抗測量的擾動很小（~5%）的 燃料電池堆的預(yù)期直流工作點。這是至關(guān)重要的，因為這允許 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 在電化學(xué)和系統(tǒng)設(shè)計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