預測燃料電池故障的可攜式測試系統

作者 : Paul Perrault、Micheál Lambe、Sasha Dass、Greg Afonso,Embedded.com

隨著質子交換膜(PEM)燃料電池在公共汽車、汽車和輕軌車輛等越來越多的運輸車輛中得到應用,在故障發生之前,對其進行預測就變得越來越重要。

預計到2050年,氫能源將成就高達10兆美元、約佔全球13%的市場。氫燃料電池市場在過去幾年中出現了激增,有越來越多的國家開始認真考慮交通運輸的零排放解決方案。

氫動力車還開闢了新的水解器/電解槽市場,因為不像汽油那樣還需要長途運輸,而氫氣實際上是在加氫站產生。大多數產生氫氣的電解槽或使用氫氣發電的燃料電池的核心是質子交換膜(PEM),其原理如圖1所示。

 

圖1:PEM燃料電池原理示意圖。

 

與其他電池相比,PEM電池具有能夠在相對較低的溫度下工作的優點,還具有尺寸和重量方面的優勢。只要以適當的數量和條件提供氫氣和氧氣作為燃料,這種燃料電池就可以發電。電解槽由一些類似的零件組成,工作方式基本上就是反過來:向水中供電,然後產生氧氣和氫氣。

隨著PEM燃料電池在公共汽車、汽車和輕軌車輛等越來越多的運輸車輛中得到應用,在故障發生之前,對其進行預測就變得越來越重要。電化學阻抗譜(EIS)技術可用來檢測PEM內的針孔故障,以及其他故障模式。但這種檢測工作通常只能在可提供10~100A範圍電流的大型桌上型儀器上才能實施。這些大型儀器系統,無法縮小成可支援現場診斷的可攜式燃料電池測試系統。

試驗

該開發的基本測量引擎是ADI的AD5941W,這是一款高精準度阻抗和電化學前端,能夠進行恆電位和恆電流測量。燃料電池要求進行恆電流測量,過程中要產生一個測量電流,而測量物件卻是電壓,框架圖參見圖2。

 

圖2:AD5941W框架圖(包含了用於激勵的高頻寬AFE通道,以及用於校準和DFT/EIS分析的精密ADC通道)。

 

該試驗專案從CN0510測試開始。選用一款ADI提供的電池專用阻抗測量板,利用強大的支援精密阻抗測量的AD5941WEIS引擎,能夠幫助客戶完成電池阻抗測試。但結果很快發現,這種方法明顯存在局限性,例如用於電池交流激勵的低電流和板上使用的外部放大器的1/f雜訊,以及接收器鏈上的交流去耦會限制激勵和接收的低頻角等。有鑑於燃料電池預期工作頻率下至100Hz以下,上至數10kHz,而激勵電流則高達10A (以壓制燃料電池的製程雜訊),故該設計需要修訂,CN0510原理如圖3所示。

 

圖3:CN0510電池阻抗系統示意圖。

 

擴展電流激勵範圍的一種方式是獲取激勵訊號(圖3中的CE0),並將其發送給可遠端控制的電子負載,本例中為Kikusui PLZ303W,原理如圖4所示。

 

圖4:PLZ303W與CN0510的電氣連接圖。

 

在電流達到10A以上時,佈線寄生電感的控制很重要,而且為了減少電壓雜訊的拾取,應盡可能使用絞線。該系統將在10mΩ DUT上產生足夠的阻抗資料,標準差在1~2μΩ範圍內,如圖5所示。

 

圖5:使用PLZ303W測量時在10mΩ DUT上產生的資料。

 

這些資料也是在測試頻率範圍內採集,可用來瞭解儀器因激勵而產生的滾降,如圖6所示,誤差條說明隨著激勵頻率降低可重複性較差,原因是接收器訊號鏈中採用了交流耦合。

 

圖6:在測試頻率上利用PLZ303W對10mΩ DUT進行測量的結果。

 

值得注意的是,PLZ303W設備重約10公斤,因此不適合作為可攜式電子產品。不過,這驗證了該方法,並推動了小型化設計。基於標準運算放大器的壓控電流源(VCCS)用的是AD8618運算放大器,目的是為了獲得合適的增益頻寬,以及良好的精準度性能,原理參見圖7。

 

圖7:用於離散式VCCS測試的電路圖。

 

請注意,任何較長的佈線都應採用絞線的方式,並結合局部去耦措施來有效控制寄生電感。圖7中的C2用作降噪電容,但確實也會導致1kHz以上的頻率滾降,圖8為更新後的測量電路框架圖。

 

圖8:更新設計採用了新的電流激勵器電路。

 

另外,還開發了一個客製的Python腳本,允許直接控制激勵節點上的激勵頻率、直流和交流幅度,並支援校準電阻調整。激勵訊號和接收訊號電路如圖9所示。

 

圖9:來自主動電流吸收器的1Hz和10Hz激勵和接收訊號。圖中,CH1為AD5941W CE0輸出;CH2為激勵電流;CH3為SNS_P輸入訊號;CH4為連接運算放大器衰減後的訊號。

 

圖10所示為應用上述主動電流吸收器的結果,同時也顯示了採用表1列出的接收訊號鏈中不同去耦電容的結果。表1顯示了去耦電容實部阻抗的標準差。

 

圖10:來自100mΩ實部阻抗(N = 10)的返回資料提供了較低頻率時的誤差。

 

表1:100mΩ DUT上激勵頻率為0.1Hz時的誤差比較。

 

很明顯,接收訊號鏈中的輸入電容對平均阻抗測量及其可重複性都有影響。較大的電容值會改善誤差的標準差,而該電路板實際適合的最大電容值為100μF。

將DUT的阻抗調低到10mΩ,會在更低頻率下顯示同樣的誤差,如圖11所示。

 

圖11:來自10mΩ實部阻抗(N = 10)的返回資料。

 

為了評估測量中究竟產生了多少誤差,該試驗將阻抗進一步擴展到了1mΩ,結果如圖12所示。

 

圖12:來自1mΩ實部阻抗(N = 10)的返回資料。

 

使用電阻測量已經證明了基本電子功能是正常的,下一步就是將這些方法應用於實際燃料電池測量。

燃料電池的EIS測量

根據圖7所描述的電路,下一步是觀察實際的氫燃料電池。透過測試Flex-Stak燃料電池可以檢查奈奎斯特(Nyquist)圖,這是一種視覺化實部/虛部阻抗的方法,頻率在整個測量過程中會發生變化,第一個測試如圖13所示。

 

Flex-Stak燃料電池的EIS奈奎斯特圖。

 

雖然該燃料電池的阻抗僅為100mΩ多一點,但AD5941W與主動電流吸收器一起,能夠在1Hz~5kHz範圍內對燃料電池阻抗進行成像。圖13中的奈奎斯特圖與該燃料電池的預期結果大致近似,直流激勵則大於燃料電池的額定值,該試驗可能會遇到某種程度的燃料不足問題。

為進行EIS測量而導入的交流擾動也非常大,並且超出了測量中直流激勵的線性響應。除了展示AD5941W EIS電路的功能外,這種特殊測試不應再讀取功能性資料。要想深入瞭解這種特殊燃料電池的響應,尚需做更多測試。然而,如果應用正確的話,這種電路拓撲結構將有助於檢測氫耦聯、氧過濃,以及其他潛在的故障模式。

在對小型氫燃料電池進行測試後,還在風冷式Ballard燃料電池堆的生產中對該方法進行了驗證測試,以評估其現場診斷的可行性。這可以幫助氫燃料電池營運商,更好地瞭解完整的燃料電池堆及電池堆運作中的電化學功能(而目前,操作員唯一可用的診斷功能是測試電池堆產生的功率)。這項新的分析技術類似於將汽車「插入機器」,即可提取出錯誤程式碼。

利用與圖7非常類似的設備來生成用於阻抗測量所施加的電流擾動,其位於燃料電池堆的預期直流工作點處的一個小區間(~5%)內。這是至關重要的,因為這樣就允許電化學系統在線性操作範圍內成像,並允許阻抗資料的外推值應用於整個系統。使用Kikusui EIS系統和AD5941W系統的測試比較結果如圖14所示。

 

圖14:對Ballard氫燃料電池堆分別應用Kikusui EIS和ADI AD5941W EIS系統進行測試的結果比較。

 

圖14顯示了直流工作電流範圍為10~60A時生成的奈奎斯特圖。EIS測量範圍為1Hz (右側半圓)至5kHz (左側),實線(AD5941W儀器)和虛線(Kikusui)在更高頻率上一致性良好,而離散VCCS的設計極限(穩定性和高頻能力之間的權衡)開始顯現。電化學在低頻和高頻EIS掃描中都有價值,而最好用的電子設備應該與用例有關,然而,該掃描結果顯示,重量和尺寸僅為桌上型儀器1/100的小型掌上型儀器,用於氫燃料電池堆光譜分析是可行的。

(參考原文:Designing a portable system for in situ failure prediction in fuel cells,by Paul Perrault、Micheál Lambe、Sasha Dass、Greg Afonso)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年11月號

 

 

 

 

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