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利用DC-DC变换器对燃料电池的电化学阻抗实时诊断
摘要：多端口双向DC-DC变换器用于燃料电池的诊断功能，它采用电化学阻抗分析的方法。所提出的变换器连接到双电层电容器，可以自由调节燃料电池没有负载电压波动的电压。一个包含多个频率的正弦波信号叠加为斩波电路的导通率信号连接到燃料电池，它使同步阻抗测量这些频率。燃料电池的电压电流值由数字信号处理器获取并快速进行傅立叶变换计算，以得到电压电流的波谱，该波谱的一部分得到电化学阻抗。本次实验用聚合物电解质膜燃料电池进行验证该方法。所施加的正弦波信号有多个频率，以减少测量时间。用该方法得到的阻抗特性与用电化学仪器得到的特性是一致的。为了证明所提出的方法，绘制出当燃料电池的电流，操作温度和化学计量比发生变化时的Nyquist曲线。
索引词：DC-DC变换器，数字信号处理器，电力双电层电容器，电化学阻抗分析，燃料电池。
1.引言
作为下一代能量转换装置，现在燃料电池受到越来越多的关注。聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）的操作温度比其他类型的燃料电池的温度较低，其性能是受环境条件，如操作的影响温度和相对湿度，从而影响水吸收到电解质膜中，这是PEMFC的一个关键组成部分。由过多的空气流速和低湿度形成的干燥电解质膜，具有较高的离子交换电阻和导致较大的电压降和性能的劣化。这样的条件延续会诱导高分子电解质膜和催化剂形成降解层，这往往会导致燃料电池系统的故障。另一方面，过量的水的产生也可以导致性能下降，被称为洪水。与洪水一样，冷凝水会阻塞气体通道和孔中的气体扩散层，从而导致反应物传送的阻塞。因此，水管理是PEMFC发展的关键的挑战，特别是对需要在各种条件下操作的应用，例如汽车和移动应用。为了平衡水的产生和清除率以及避免由于不恰当的工作条件导致的失败，对操作过程中燃料电池的性能等影响内部状态的监控，以及控制辅助元件，如温度和气体供给控制器是很有必要的。
电化学诊断方法在实验研究中通常被用于获得燃料电池和其他电化学装置的内部状态。电化学阻抗谱（EIS）可以得到电池的工作特性，如催化剂活性，膜水合，气体扩散层结构，毒性，和老化情况。图1所示是燃料电池的最简单的交流等效扰动电路，可以从等效电路中计算出Nyquist曲线。该等效电路包括一个串联电阻（Rm）和两个电阻与电容并联电路（Rct和Cdl） 部分。串联电阻代表膜电阻和其他电阻的欧姆阻值。电阻与电容并联电路为电阻分别双电层电容的阴极和阳极连接。一定频率交流小信号加到燃料电池的直流电压中可产生一定频率范围的交流电流。然后可以从交流电压和电流中得到特定频率的阻抗值。扫描频率范围和在复平面上标绘出每个频率的阻抗从而得到Nyquist图。Nyquist图可以得出等效电路的参数，可以根据该燃料电池的膜电阻等内部状态进行调整。
图1.燃料电池典型的交流等效电路（上）从等效电路中计算得到的Nyquist图（下）
最近，EIS也已用于PEMFC堆栈。 Andreasen等获得了PEMFC电堆在模拟高温条件下的阻抗特性。Dhirde等提出了市售的PEMFC堆叠在各种条件下等效电路模型。 Kim等分析了使用等效电路建模PEMFC的低频纹波电流。
虽然EIS通常用于实验室中并要求商业电化学仪器，但用于车载燃料电池的许多操作分析技术已经被开发出来了。Rubio等人提出一个用于PEMFC EIS分析方法的廉价的设备。这种方法利用了产生伪随机二进制序列负载电阻的微小变化。伪随机二进制序列用移位寄存器很容易产生，包含一系列频率的分量可以缩短测量时间。Ordonez等在低成本数字信号处理器（DSP）上开发实现了嵌入式频率响应分析器并实现在线监测一个1.2千瓦的PEMFC。数字锁定放大技术可保证测量的精度。
燃料电池使用DC-DC变换器的操作过程中的一些诊断方法已经提出来了。这种装置的分析功能被包括在DC-DC变换器，无需外部设备。Narjiss等通过改变隔离DC-DC变换器用于开关设备的门信号的占空比实现了电化学阻抗诊断。门信号的占空比根据不同频率的正弦波来设定，阻抗可从随使用DSP设定的门信号而改变的电压电流值计算得到。该转换器成功在一个20单元的燃料电池堆中检测到加湿不足。Hinaje等还开发了通过DC-DC变换器得电流和电压纹波来评估当前的加湿状态的方法。DC-DC变换器采用开关装置变换电能，使装置的电压和电流与DC-DC变换器在开关频率下的波动相匹配。在接近开关频率的高频情况下，当接触电阻可以忽略不计时，从电压和电流得到的阻抗相当于膜电阻。作为另一个例子，Huang 等采用用于电化学电池的阻抗测量方法，通过控制电源转换器和占空比扰动从而估测电池的充电状态（SOC）。
然而，占空比的故意波动会诱导负载电压在重叠信号的频率下的波动。即使利用电压和电流的纹波可以增加阻抗分析的精度，但必须放大纹波信号，这会延长超过操作时间并可能导致燃料电池劣化。叠加到燃料电池的交流信号具有单一频率，因此在同一时间只能得到一个阻抗值。
在我们以前的研究中，开发了一种包括燃料电池和双电层电容器（EDLCs）和多端口双向DC-DC变换器的混合电源系统，以减少燃料电池的负载变动并延长其寿命。混合电源系统有一个关于由燃料电池和双电层电容器所产生的功率的自由度。因此，燃料电池的输出可由无负载电压波动自由确定，因为EDLCs补偿燃料电池的输出和负载功耗之间的差额。此外，如果EDLCs具有足够的容量，想要的工作点也可以实现。工作点需要准确的阻抗测量。以我们目前的知识来看其他任何方法都无法达到这样的效果。在这项研究中，多端口双向dc-dc变换器被用来实现实时燃料电池的电化学阻抗分析。采用关于功率产生的自由度，无负载电压波动的情况下，交流信号叠加到一个直流偏置信号后施加到燃料电池作为电压。
在一般情况下，用于EIS所施加交流信号是一个频率单一的正弦波，可以得到这频率下的阻抗，必须要扫描频率以获得具有足够精度的等效电路的参数。因此，大的时间量，通常的几十分钟，需要进行一个完整的电化学阻抗分析，而内部状态，如燃料电池的膜电阻可以在几分钟的时间范围内变化。为了减少测量时间，包含多个宽频率的正弦波交流信号被用于同时获得多个阻抗值的测量中。该电压和电流在DSP中存储并分离成频率分量并进行通常用于EIS中的傅立叶变换（FFT）。Brunetto等在有关文献中也使用类似的技术作为多点位技术，这是一个耗时少的方法和使系统干扰最小化。原型dc-dc变换器用作实时燃料电池的诊断被开发，使用所提出的方法得到的阻抗特性和电化学得到仪器作为参考进行比较。
2．提出的方法
2.1电路及控制策略
DC-DC转换器由一个电力转换的电路和一个DSP组成。电路图和DSP的控制块如图2所示。在提出的拓扑结构中，负载电压假设高于燃料电池电压和EDLC电压，两个双向斩波器连接到负载上。图2中的电路参数是C =150mu;F，CL =1000mu;F，和L =125mu;H。金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）斩波电路在100kHz的频率切换到同步整流模式。负载电压由调节控制斩波器的占空比其中的DLC相连接。负载电压通过低通滤波滤波器（LPF）以除去噪声，然后在DSP中使用模拟- 数字转换器（ADC）取样，量化。数字电压值参考值的比值采用比例 - 积分（PI）控制器计算出占空比。这项研究中所用的脉冲宽度调制（PWM）有1290步的分辨率。
图2.电路原理图和DSP电路框图
当直流 - 直流变换器工作在无电化学阻抗诊断执行的正常模式中时，燃料电池的电压被控制以平衡电池与负载之间的功率。这两个设备之间的功率不足或过剩可以由EDLC补偿或提供，所以EDLC的电压必须加以控制，以保持电池在额定电压范围。EDLC的电压VEDLC可由DSP得到，另一PI控制器用于确定燃料电池的电压基准值，VFC*。相对较小的PI增益获得适合于低负荷以下特性的燃料电池的瞬态工作点。调谐的方法和关于PI增益的讨论在我们以前的工作已经阐述过。在这项研究中，燃料电池的输出是由燃料电池电压控制的，因为燃料电池内部的高阻抗性能，其电压会随电流发生显著变化。当直流 - 直流转换器工作在诊断模式下时，一个由多个频率的正弦波构成的交流信号（详见2.2的信息）叠加到直流偏置信号后加到PWM调制器形成MOSFET的门信号后通过LC滤波器加到燃料电池上。燃料电池的电压波动与所施加的信号成正比，并且燃料电池的电流随电压波动变化。燃料电池的电压和电流波形分别由DSP得到并离散为十进制数值存到存储器中。存储的电压Vn和电流In（n = 0，1，2，...，N- 1）分别通过离散傅立叶变换（DFT）转换成可在每个频率下编制幅度和相位的复杂形式。转换过程的公式如下：
其中，N是采样数，k是频率f与基准频率的比值。在实际中，FFT得到的结果与可以减少计算时间和内存需求的DFT得到的结果完全相同。正弦波与交流信号叠加的每个频率下的电压和电流的比值就是阻抗。阻抗的幅度和相位由以下式子得到：
2.2叠加信号
所提出的方法的基本概念是，燃料电池电压波动随斩波电路开关器件的占空比而改变，可以从燃料电池的电压和电流分解的频率中计算得到阻抗。占空比信号包括多个频率的正弦波，能同时测量这些频率下的阻抗值。虽然选择更多的频率可以增加得到的阻抗测量值数目，但也导致占空比信号更高的峰值，这是所有正弦信号的总和。 一个极高的峰值会导致糟糕的线性并且/或不可接受的占空比，如高于1或低于0。因此，应选择适合的频率值。
离散占空比信号dn由下式确定：
其中D是燃料电池的直流偏置电压的恒定占空比，Ak和phi;K分别是正弦波的振幅和相位，。 alpha;为过采样因数，以减小相位误差。在本次研究中，采样数取为1024以获得f0- 384f0的动态频率范围。过采样因数取8。因此，叠加信号的总采样数为8192。从f0- 384f0的频率范围内选择17倍频率（这些频率的乘法数在图3有说明）。 图3中展示了正弦波（细彩线）的应用和他们的总和（粗黑线）。正弦波的总和在相同的相位处会局部地加剧峰值。为了避免出现这种情况，该正弦波的相位利用广义简约梯度转移方法使和信号的峰值最小化到三分之一。
图3.斩波电路开关器件占空比交流信号的波形（粗线）和组成该交流信号的正弦波波形（细彩线）
采样周期Ts影响在频率范围得到的阻抗，其中基频f0，为f0= 1 /NTs。考虑到指定的动态频率范围。采样周期为10.24ms和80mu;s，其对应于频率范围为95.4mH-36.6 Hz和12.2 Hz-4.69 kHz。
2.3实验条件
实验评估采用的是由Nafion212电解质膜，阳极和阴极的铂量为0.5mg / ，有效面积为25 ，气体扩散层为碳布材料（ELAT-LT1400 W，E-TEK）制成的PEMFC。气体通道加工成石墨板，其宽度，高度和厚度均为1mm。在阳极和阴极以1.05：4.0化学计量比分别通入干燥的氢气和氧气。采用柔性橡胶加热器使电池的温度保持在50℃。电流维持在3 A，其对应的电流密度为120mA/ 。五个EDLC并联使用，其中每个EDLC的电容为5.6 F ，额定电压为2.5V。负载的额定电压为2.5V，比燃料电池和EDLCs的要高。该负载电流用电子负载进行控制。
3结果与讨论
从ADC中可以得到燃料电池的电压和电流的波形，在此期间门信号的占空比根据交流信号变化而变化，示于图4。图4（a）和（b）分别为在95.4mHZ和12.2HZ的基频下的波形。图4（a）所示是低频波形，电压波形的波动与交流信号如图3所示，因为燃料电池的电压是随开关器件占空比成正比变化的。注意到即使燃料电池的电压和占空比之间的线性关系是不完整的，但是FFT能够去除由于非线性造成的误差。与此相反，较高基频下的波形如图4（b）所示，电压的变化变得平滑，高频部件通过LC滤波器衰减，滤波器能够减少电路产生的纹波。燃料电池在基频上的电流随电压变化而变化。
图.4当叠加交流信号时在不同的基频从ADC得到电压和电流波形。
（a）的基频为95.4mH，（b）为12.2HZ
FFT变换将通过DSP所得到的电压和电流变换对应成频率下的幅度和相位。图5所示是从信号的电压和电流变换而得的振幅波谱图。完成FFT计算前经过的时间为2.1毫秒。要注意对于电路中的控制不能中断，因为计算在
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