燃料电池单片内阻在线测试与PEM含水量软测量研究-硕士论文

武汉理工大学硕士学位论文 燃料电池单片内阻在线测试与PEM含水量软测量研究 武汉理工大学 （申请工学硕士学位论文）燃料电池单片内阻在线测试与PEM含水量软测量研究 培养单位：自动化学院 学科专业：控制理论与控制工程 研究生： 指导老师： 教授 年4月乙分类号 密 级 UDC 学校代码 学 位 论 文题 目 燃料电池单片内阻在线测试与 PEM含水量软测量研究 英 文 Research on online monitoring system of each fuel 题 目 cell resistance and soft-sensing the PEM water content 研究生姓名 指导教师 姓名 职称 教 授 学位 博士 单位名称 自动化学院 邮编 申请学位级别 硕士 学科专业名称 控制理论与控制工程 论文提交日期 年 月 论文答辩日期 年 月 日 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 年4月武汉理工大学硕士学位论文摘 要目的 内容 方法 结论燃料电池是一种最具潜力的绿色发电装置，是当前新能源领域的研究热点。用12句描述研究意义燃料电池堆通常由多个单片电池串联组成，在运行过程中，单片电池的异常会影响整个电堆的性能与安全，为了评估各单片电池性能并及时发现异常的单片电池，必须实时监测各单片电池内阻与电压。该领域存在的问题质子交换膜（PEM）燃料电池的欧姆内阻在很大程度上是由PEM含水量决定的，从而影响燃料电池的发电效率。针对以上问题，本文开展燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试系统设计与电堆PEM平均含水量软测量研究。针对存在的问题，概括你的研究内容主要研究内容如下: 首先阐述了单片燃料电池的实验模型和等效电路模型，分析了PEM燃料电池内阻的组成部分及特点，比较了目前国内外燃料电池内阻测试法的优缺点，并基于交流阻抗法提出了燃料电池堆单片内阻在线测试系统的总体方案。对每个具体研究内容，阐述你的具体方法，强调特色、创新在系统总体方案的基础上，进行了以高性能的DSP为核心的系统硬件平台设计，具体设计了高精度的信号检测与处理电路、AD转换电路、SCI通信扩展电路、CAN通信电路等，并详细分析了各电路的设计原理及参数选择依据。在对系统软件进行需求分析的基础上，对软件功能模块进行了划分，基于DSP软件开发平台CCS设计了系统初始化程序、AD转换程序、中断程序等子程序，制定了具体的SCI和CAN通信应用层协议。同时运用VB设计了功能完善的上位机软件。针对PEM含水量不易直接测量的问题，分析单片电池PEM含水量与其欧姆内阻的机理关系，提出了基于RBF神经网络的电堆PEM平均含水量软测量方法，研究了软测量模型中辅助变量选取和数据预处理的方法，对RBF网络软测量模型进行了仿真实验验证，仿真结果表明：本文建立的RBF网络软测量模型能较好地预测电堆PEM平均含水量。整个系统电路简洁、清晰，可靠性高，测量精度高、速度快，较好地实现了对小型燃料电池堆各单片电池内阻与电压实时高精度监测。结论关键词：单片燃料电池，欧姆内阻，在线测试，PEM含水量，软测量AbstractKey words: single fuel cell, ohmic resistance, online monitoring, PEM water content, soft-sensing目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 课题研究意义21.3 国内外研究现状31.4 主要研究内容6第2章 燃料电池单片内阻在线测试系统方案设计72.1 燃料电池概述72.2 PEM燃料电池实验模型72.3 PEM燃料电池等效电路92.4 燃料电池单片内阻在线测试系统总体方案92.5 本章小结12第3章 燃料电池单片内阻在线测试系统硬件设计133.1 CPU模块133.1.1 TMS320LF2407A的最小系统设计143.1.2 外部存储器扩展153.2 交直流叠加电压与电流实时采集模块163.2.1 单电池端电压采集电路设计173.2.2 电流采集电路设计183.2.3 交直流分离电路设计193.3 真有效值测量电路223.4 相位差检测电路233.5 温度测量单元253.6 AD转换单元设计283.6.1 AD转换芯片的选择283.6.2 AD与DSP接口设计293.7 通信接口电路设计303.7.1 SCI通信接口扩展设计303.7.2 CAN接口电路设计313.8 硬件抗干扰措施333.9 本章小结34第4章 燃料电池单片内阻在线测试系统软件设计354.1 TMS320LF2407A DSP软件开发354.1.1 DSP集成开发环境CCS简介354.1.2 TMS320LF2407A的软件开发流程354.2 下位机软件设计374.2.1 系统初始化程序394.2.2 AD转换程序设计394.2.3 中断程序设计414.2.4 SCI应用层协议及其程序设计424.2.5 CAN总线应用层协议及其程序设计444.3 上位机系统软件设计444.4 本章小结45第5章 燃料电池堆PEM含水量软测量研究465.1 软测量技术概述465.1.1 软测量的基本框架475.1.2 软测量建模方法475.2 基于人工神经网络的PEM含水量软测量485.2.1 燃料电池PEM中含水量分析485.2.2 人工神经网络软测量模型495.2.3 径向基函数RBF网络简介505.2.4 PEM含水量软测量模型辅助变量选择525.2.5 基于RBF网络的PEM含水量软测量525.3 本章小结56第6章 全文总结及展望576.1 全文工作总结576.2 展望58参考文献59攻读硕士学位期间发表的论文62致谢63IV第1章编号用阿拉伯数字章 绪论篇眉从第1章开始 1.1 引言对于当今时代而言，环境保护己经成为人类社会可持续发展战略的核心，是影响当前世界各国的能源决策和科技导向的关键因素，同时也是促进能源科技发展的巨大推动力。能源是社会和经济的命脉。然而随着日益增长的能源需求，传统的化石燃料能源体系正在面临挑战。首先，现在全世界依赖最深的主要传统能源仍集中于第一位的石油，以及分别占第二位及第三位的煤炭和天然气。其中，石油和天然气的蕴藏量较为有限，可能会在本世纪中叶日趋枯竭。同时，世界未来几十年的经济发展，还是要高度依赖石油和天然气，因此美国能源信息署在2004年4月的国际能源展望中，预测石油和天然气仍是未来25年增长最快的能源。同时现在引起全球气候恶化的温室效应，一半以上是由于目前的能源体系，即含碳化石燃料燃烧后所释放的CO2。人类社会发展至今，绝大部分的能量转化是通过热机过程来实现的。热机过程受卡诺循环的限制，不但转化效率低，造成严重的能源浪费，而且产生大量的粉尘、CO2、氮的氧化物和硫的氧化物等有害物质以及噪声。由此造成的大气、水质、土壤等污染，严重地威胁着人类的生存环境 1参考文献按顺序标注。因此，提高能源的利用率和发展替代能源已成为21世纪的主要议题之一。从环境保护和常规能源不可再生性的角度来看，开发清洁的可再生能源为人们所用，已成为当今世界能源利用的发展趋势。其中，氢能作为一种有发展前景、可再生的清洁能源，已引起了人们的广泛关注。目前，氢能的利用形式主要有两种，一是直接将氢燃烧，使氢能转化为热能或电能；二是通过先进的发电装置，如燃料电池（Fuel Cell），将氢能转化为电力。燃料电池是一种电化学的发电装置，不同于常规意义上的电池。燃料电池等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能，它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率较高（4060），而且环境友好，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，CO2的排放量也比常规发电厂减少 40以上2。正是由于这些突出的优越性，燃页码从第1章开始按连续编排；前面部分用罗马字母编排阿拉伯数据字连续编排料电池技术的研究和开发备受各国政府和大公司的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。世界上一些主要工业化国家，正在开发氢燃料电池驱动的电动汽车，并已取得进展。一旦非化石能源廉价制氢、安全贮氢输氢、高效耐用燃料电池等关键技术得到解决，尤其是太阳能、核能、生物质能大规模制氢的技术取得突破后，氢能将得到有效利用3。燃料电池发电系统是一个涉及电化学、流体力学、热力学、电工学等多种学科的复合系统，它在运行过程中需要调节和控制各种参数使反应物及整个反应过程的工作条件始终保持在理想状态4，因此一个实用的燃料电池发电系统必须具备精确监测和控制这些物理量的能力， 即燃料电池要在电堆主控系统的实时控制下才能运行。随着当前微电子技术的发展，集成了各种智能芯片和微处理器的主控系统可使燃料电池较好地正常发电，产生的电能一般经过电源变换后就可使用，当前成熟的功率电子技术使电能变换变得十分容易。然而，燃料电池主控系统对各单片电池的运行参数无法实时监测，于是各单片电池的健康状况没有得到保证，电池的发电效率和使用寿命也有待提高，如何监测燃料电池各单片电池的发电状况以及如何进一步提高燃料电池发电效率成为当前研究的热点5。1.2 课题研究意义尽管燃料电池研究开发的的最终目标、制造方法和工作方式不同，但都需要对燃料电池进行监控。就研究开发而言，测试可以描述和优化能量输出，延长燃料电池堆的使用寿命和耐久性。在设计方案的验证过程中，主要目标是优化设计，为批量生产作准备，以及在不降低效率的情况下降低电堆的总成本。在加工制造领域，监测电堆是为了确保它们符合设计规范。在实际应用中，监控系统对电堆的正常工作、使用寿命、故障监测都至关重要。在燃料电池不同的应用阶段都需要设计精良、适用的监控系统，为研究、开发或制造燃料电池的科学家及工程师提供各种测试数据及分析工具来评估和验证燃料电池6。根据实际应用中对燃料电池功率要求，通常燃料电池堆由多个单片电池串联组成。在电堆运行过程中，单片电池的异常会影响整个电堆的性能与安全，为评估各单片电池性能并及时发现异常的单片电池，必须对各单片电池的相关参数实时监测7。单片燃料电池可等效为一个实际的可调电压源29，其内阻是衡量电子和质子在电极内传输难易程度的主要标志，是决定燃料电池发电效率的关键参数8，也是燃料电池是否正常的最直接反映，所以监测单片电池内阻具有十分重要的意义。同时，燃料电池单片电压是电池发电性能的直接反映，也需要实时监测。因此，为了确保燃料电池的安全、稳定、高效运行，必须对各单片电池内阻与电压进行实时监测。监测内阻也是为研究如何控制内阻、减小欧姆内阻、最终提高电堆发电效率奠定基础。目前，各国科学家都在全力开发绿色能源，各国政府都在大力推行节能减排政策，质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells，简称PEMFC第1次出现的英文缩写应写明全称）作为最具潜力的绿色能源，如何提高其发电效率已成为研究的热点问题之一。降低燃料电池欧姆内阻是提高燃料电池发电效率最直接、最行之有效的方法。文献表明电堆在运行过程中，PEM含水量在很大程度上决定了欧姆内阻的大小，PEM含水量过低或过高都会严重降低燃料电池的发电效率，燃料电池主控系统只有通过合理地调节电堆加湿水量改变PEM含水量，才能达到减小欧姆内阻、提高电堆发电效率的目的9,10,11，而电堆PEM平均含水量很难直接通过传感器或仪器进行测量，如何在线测量电堆PEM平均含水量成为一大难题。随着软测量技术（Soft-sensing Technique）的飞速发展，利用燃料电池欧姆内阻等可测信息来间接测量PEM含水量成为一种切实可行的方法。软测量技术也称为软仪表技术（Soft-sensor Technique）。概括地讲，所谓软测量技术就是利用易测过程变量（常称为辅助变量或二次变量Secondary Variable，例如工业过程中容易获取的压力、温度等过程参数），依据这些易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量（常称为主导变量Primary Variable，例如炼油厂精馏塔中的各种产品组分浓度，化学反应器的反应物浓度和反应速率，生物发酵略中的生物参数等）之间的数学关系（软测量模型），通过各种数学计算和估计方法，从而实现对待测过程变量的测量12。软测量技术作为一种新型的过程参数检测技术，为解决复杂过程参数的检测问题提供了一条有效的途经。本文所研究的内容来源于国家“十一五高技术研究发展计划”节能与新能源汽车重大专项课题。1.3 国内外研究现状由于时代进步、科技发展，160多年前发明的燃料电池正在经历技术商品化的初期阶段。虽然燃料电池的发电原理相当简单，但其发电性能却往往因不同的操作条件而有不同的表现，因此在技术发展过程中变得异常复杂。又因为它的发电特性，常常需要精密度很高的仪器去测量，才能判断燃料电池在不同情况下的性能表现，所以在发展燃料电池技术的过程中，性能测试便成为重要的一环13。研究开发合适的测试仪器和性能测试程序正在成为燃料电池技术发展的主流。从各种电池用化学物质的研究到电池组和电池模块的设计评价，对于系统的多产品测试，燃料电池测试技术面对极大的挑战与发展机遇14。2006年10月19-20日，IEC/TC105燃料电池技术年会在日本东京日立公司技术研发中心召开，来自中国、加拿大、德国、丹麦、法国、英国、意大利、日本、韩国、欧盟和美国等国家和地区的62位代表参加了会议。日本提出了质子交换膜燃料电池单体电池测试方法，该标准拟规定质子交换膜燃料电池的电池组合、测试设备、测量工具、测量方法、测试方法和有关测试报告，用于评价质子交换膜燃料电池的膜电极组件的性能、材料和构成以及燃料中的杂质对于燃料电池性能的影响15。目前此提案已获通过，单体电池测试方法的国际标准正在酝酿中但还未正式公布，所以还没有标准的测试设备及其供应商。目前，许多公司开始走近这项挑战，研究准确检测和监视燃料电池的解决方案。国外许多高校和国家实验室，如美国国家质量标准及技术研究所（KIST）、弗吉尼亚技术学院等，都把燃料电池测试系统的开发作为一个主要研究方向。国外一些燃料电池的研发机构已经成功开发出实用的测试系统，这些公司中最引人注目的是加拿大Hydrogenics公司和FuelCon Systems公司、美国国际燃料电池仪器公司和美国ElectroChem公司等6,16，它们推出了一些软硬件测试产品，能够兼容多种燃料电池，可测得电堆和单片电池几乎所有设计指标，实现了科学家所需要的大部分测量。我国在燃料电池测试设备开发上起步较晚，国内专门致力于开发燃料电池测控系统的机构和企业很少，目前还没有很成熟的产品。一些主要的燃料电池研发单位在测试其燃料电池性能时往往要依赖国外的技术和产品，这在一定程度上制约了我国燃料电池技术的发展4。加拿大、美国等国家先后开发了燃料电池内阻测试设备，例如加拿大的Hydrogenics公司17和FuelCon Systems公司18、美国ElectroChem公司19等，国外的测试检测设备体积较大，价格高，大都用在燃料电池系统的研发阶段,不适合用于燃料电池发电过程中。目前国内一些公司已开始重视燃料电池测控系统的研究，投入大量经费进行开发，其中就包括燃料电池单片内阻测试设备的研究开发，例如北京飞驰绿能公司制造的质子交换膜燃料电池测试台等10。国内的科研院校也在进行这方面的研究，例如清华大学学汽车安全与节能国家重点实验室已经建成了燃料电池测试系统，包含数据采集、实验控制、软件分析等较完善的模块，清华大学的裴普成等10,20利用此系统进行了质子交换膜燃料电池欧姆阻抗的测试；上海交通大学的莫志军等21进行了燃料电池广义内阻的在线测量研究。国内开发的内阻测试系统主要问题是系统成本高、结构复杂、精度达不到要求，而且欧姆内阻控制方面的研究涉及较少或没有。FuelCon Systems公司是目前全球领先的燃料电池测试设备供应商，许多领先的燃料电池制造商都在开发的各个阶段使用FuelCon Systems公司开发的硬件及软件工具来测试燃料电池。这些测试工具在许多类型的燃料电池生产及测试中都是至关重要的，包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物型燃料电池（SOFC）。FuelCon Systems公司已开发出能够描述电堆和单片电池的测试系统，特别包括燃料电池单片内阻测试功能，如图1-1所示，该系统以FuelCon Evaluator测试台和TrueData-EIS分析仪为硬件平台，以 FuelWork为测试软件，较好的解决了燃料电池堆单片交流内阻测试的难题，为燃料电池堆各单片电池内阻在线测试技术奠定了基础18。图1-1 FuelCon Systems公司开发的燃料电池测试系统图编号 图题在图下方居中文献显示目前燃料电池单片电压测试技术已较为成熟，相对而言，燃料电池单片内阻在线测试的难度较大，现有技术还不成熟，所以本文主要开展燃料电池单片内阻在线测试的研究，将单片电池电压测试集成到燃料电池单片内阻在线测试系统中。表1-1 Rs端选择的三种不同的工作方式表题、标号在表的上方居中Rs提供条件工作方式Rs上的电压或电流VRs0.75Vcc待机方式IRs|10A|10A -IRs200A斜率控制0.4Vcc VRs0.6VccVRs0.3Vcc高速方式-IRs500A由于PEM厚度大多只有几十微米，通过传感器或仪器直接测量PEM含水量十分困难，所以目前关于PEM含水量的研究几乎都是以建立实验模型为主，然后基于模型进行计算模拟，国内外科学家通过此方法确定了燃料电池PEM含水量。由于建立的实验模型是基于一些与燃料电池实际运行参数不相符的假设条件（前提条件）而确定的，所以基于实验模型并采用工程数值解析近似方法推导的PEM含水量是不太准确的。1.4 主要研究内容本文旨在设计一种小型燃料电池堆单片内阻与电压在线测试系统，并根据所测电堆欧姆内阻开展电堆PEM平均含水量软测量研究。主要研究内容如下：（1）燃料电池单片内阻在线测试系统总体方案设计。分析单片燃料电池实验模型和等效电路模型，结合PEM燃料电池内阻组成部分及具体特性，参考国内外相关技术路线，基于交流阻抗法设计燃料电池堆单片内阻在线测试系统。（2）燃料电池内阻在线测试系统的硬件电路设计。以TMS320LF2407A DSP的核心控制器，设计燃料电池内阻在线测试系统硬件电路，包括信号采集电路设计、信号处理电路设计、通信接口电路设计等。（3）燃料电池内阻在线测试系统软件设计，包括设计电流调幅调频程序、数据采集与处理程序、通信接口程序及各种中断程序等。同时设计功能强大的上位机软件。（4） 研究燃料电池堆PEM平均含水量软测量技术。PEM含水量与其欧姆内阻具有很强的耦合关系，在分析其机理模型的基础上，利用人工神经网络技术建立PEM含水量非线性软测量模型，重点研究RBF网络在PEM含水量预测中的应用，并进行仿真研究。正文中不得直接出现1、2、3等数字为标号，应用括号括上第2章 燃料电池单片内阻在线测试系统方案设计基于模块化设计思想，燃料电池单片内阻在线测试系统整体硬件电路分为以下几个模块进行设计：CPU 模块、信号检测与处理电路、AD转换单元、RS485和RS232串行通信单元、CAN通信模块，其中信号检测与处理电路是本系统的重点，它包括交直流叠加电压与电流实时采集模块、真有效值电路、相位差检测电路、电堆进出堆温度测量单元等，系统硬件框图如图3-1所示，下面对各功能模块的电路进行设计。除第1章和全文总结章外，每章前一段简要介绍本章的主要内容2.1 燃料电池概述燃料电池（Fuel Cell）是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的电池装置。与日常生活中常见的各种原电池或可充电电池等化学电源类似，燃料电池的工作原理也是通过电化学反应将燃料的化学能直接转化为电能，这是燃料电池这个名称得来的主要原因。然而，普通电池将化学能储存在电池内部的化学物质中，当电池工作时，这些有限的物质将随着反应的发生而逐渐减少，因此它只是一个有限的电能储存和输出装置。而燃料电池则不同，它更像是一个普通的发电机（有时燃料电池也被称为电化学引擎Electrochemical Engine），其参与电极反应的化学物质单独由外部的存储系统提供。因而从理论上讲，只要连续不断地给电池供应燃料和氧化剂，燃料电池就能连续不断地产生电能。迄今科学家已经开发出多种类型的燃料电池，燃料电池可依据其工作温度、燃料种类和电解质类型进行分类。最常用的分类方法是按照所采用的电解质类型的不同分类，据此可将燃料电池分为：碱电解质燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）。PEMFC除了具有一般燃料电池的优点外，还有功率密度高、能量转换效率高、工作温度低等特点。正是由于这些突出的优点，使得PFMFC成为非常适合车辆、船舶等交通工具使用的绿色动力源。目前，有关PEMFC的研究已成为燃料电池研究中最为活跃的领域之一。本文主要针对PEMFC展开研究。2.2 PEM燃料电池实验模型PEMFC实验模型主要是通过实验方法，建立描述电池输出特性（输出电压与电流密度或电流关系）的经验公式，以极化曲线表示，它是PEMFC基本特征曲线。Srinivasan等24认为在传质阻力不大和阳极过电位可忽略时，描述单片电池电压和电流密度的关系式为: U=U0-blgI-RI (2-1)公式编号右对齐，公式居中其中U为输出电压、R表示欧姆内阻、U0是可逆电动势、b是塔费尔（Tafel）斜率、I表示电流密度。该式只能较好地反映活化极化和欧姆极化对U的影响，也即反应低电流密度和中等电流密度与输出电压的关系，而对高电流密度，上式与实验数据有明显的偏差。Kim等25将上述半经验模型修正为：U=U0-blgI-mexp(nI)-RI (2-2)其中blgI代表活化损失、mexp(nI)代表浓差损失、RI代表欧姆损失，其中U是单电池输出电压、U0是理想的开路电压（无损电压）、b是塔费尔（Tafel）斜率、I是电流密度、R是电池的欧姆内阻、m是考虑传质受限对极化曲线线性区斜率的修正系数、n是在高电流密度下修正因传质受限引起的经验公式与实验数据之间的误差系数。Kim的经验公式中引入了非线性指数项后，能很好的描述整个电流密度范围单电池的输出特性，并得到了实验验证，如图2-1所示，随着电流密度I增加，电池电压U依次经历对数下降区、线性下降区和指数下降区。图2-1 燃料电池的极化损失示意图燃料电池实际运行过程中，电极过程不可能没有阻力，电流也不是无限小，因而会产生极化损失。极化损失造成了实际放电电位与理论值的偏差，如图2-1所示。根据电极过程阻力的性质可将极化损失划分为3种：活化极化、欧姆极化、浓差极化26，于是燃料电池内阻相应地包括以下3部分:（1）活化极化内阻Ract:由电化学反应速率限制所引起的电位损失，当电池体系和结构确定后，其Ract基本随之而定。（2）欧姆极化内阻Rohm:包括电池内部的电极、电解质膜、连接条和极柱等组成部分的电阻，其中电解质膜在运行中干涸、被污染、溶解、氧化、磺酸根基团的流失等是增大欧姆内阻的主要原因27。（3）浓差极化内阻Rcon:由反应离子浓度变化产生，只要电化学反应在进行，反应离子的浓度就在变化，Rcon的数值也处于变化状态。2.3 PEM燃料电池等效电路燃料（H2）和氧化剂（O2或空气）分别送入PEM燃料电池阳极和阴极流道，并通过各自扩散层到达催化层，阳极H2在催化剂Pt的作用下发生反应：H2=H+2e (2-3)生成的H+穿过电解质膜到达阴极，电子经过外电路也到达阴极。同时阴极的氧化剂同样在Pt催化剂作用下和H+、电子反应生成水，阴极电化学反应式为：O24 H+4e=2H2O+热 (2-4)在Pt催化剂上氢的氧化速率比氧的还原速率快得多，所以阴极阻抗在燃料电池内阻中起主导作用，于是在燃料电池阴极采用Randles电路模型表示PEM燃料电池等效电路28。阳极阻抗的相应部分合并到阴极，Ract和Rcon结合为极化内阻Rpol，电路中的双电层分布电容Cdl客观体现了燃料电池电极表面多孔结构的电学特性，一般在负载恒定以及电堆稳定运行时可忽略感性阻抗29，如图2-2所示。图2-2单片燃料电池等效电路2.4 燃料电池单片内阻在线测试系统总体方案根据实际应用中对燃料电池功率的要求，通常燃料电池堆由多个单片燃料电池串联组成，在燃料电池运行过程中，单片电池的异常会影响整个电堆的性能与安全，为了确保燃料电池的正常工作并评估其性能，必须对各单片电池的参数进行实时监测。由于单片燃料电池等效为一个实际的可调电压源29，所以实时监测燃料电池堆各单片内阻与电压具有十分重要的意义。目前，燃料电池单片电压测试技术已较为成熟，而燃料电池单片内阻在线测试的难度较大，所以本文主要进行燃料电池单片内阻在线测试的研究，将单片电压测试集成到燃料电池单片内阻在线测试系统中，并基于燃料电池堆欧姆内阻开展电堆PEM平均含水量测量的研究。目前，国内外专家都在积极进行燃料电池内阻测试研究，张金辉等10,20采用断流法对质子交换膜燃料电池欧姆阻抗进行了测试，并研究了各种工作条件对欧姆内阻的影响规律；Tuomas等34用断流法测得燃料电池堆的总欧姆极化和堆内各个单电池的欧姆极化之和，并对测试结果进行比较；莫志军等21提出广义内阻的概念，在直流等效电路基础上进行了广义内阻测量实验；郭建伟等35用交流阻抗法研究了燃料电池的欧姆阻抗；Cooper等28通过利用一台外置的交流毫欧表为燃料电池提供稳定的高频（一般为1kHz）正弦电流信号，测试燃料电池欧姆内阻。他们所涉及的测试方法有3种:断流法、极化曲线法、交流阻抗法。断流法是一种暂态法，它以燃料电池的直流等效电路为基础，先测量电流切断前后（20s左右）电池两端电压及带负载运行时的电流，然后计算燃料电池的欧姆内阻。该测试装置简单易操作，不过切断电流会给电路带来很大扰动，对燃料电池的寿命有一定的影响，只能用于低频（电流切断频率）、测试精度要求不太高的在线监测系统；极化曲线法是一种稳态法，通过稳态放电得到极化曲线，通过线性拟和得到电池的广义内阻，即表观内阻36，包括欧姆电阻、活化电阻和传质电阻。由于燃料电池实际所带负载是不可预知变化的，所以极化曲线法不适合用于燃料电池内阻在线测试；电化学阻抗谱法27,37（Electrochemical Impedance Spectroscopy，简称EIS）也称为交流阻抗法，是以一种小振幅的正弦波电流或电压信号作激励对电极体系进行扰动，然后测定其响应信号的测量方法。交流阻抗法既不是稳态法，也不是暂态法，而是在一个稳态下施加一个小的扰动，是一种准稳态方法。由于该方法可避免扰动对系统产生较大的影响，使扰动与系统的响应之间保持近似的线性关系，而且测量结果的很容易进行数学处理，所以非常适合应用于燃料电池内阻在线测试。由图2-2可以得到燃料电池内阻Nyquist图，如图2-3所示，由于Cdl在高频时是一个很小的阻抗，从电路上说相当于短路，因此在高频信号作用下只能观测到Rohm，于是可以利用该特点进行欧姆内阻测试28。测出燃料电池在不同频率交流电流作用下的阻抗Z，作Z的平面曲线图，从曲线跟实轴的交点即可得到Rohm和Rpol38。图2-3 燃料电池内阻Nyquist图根据EIS测试基本原理，为构建燃料电池内阻在线测试平台，选用程控交流电流激励源给燃料电池提供交流扰动，并选用DSP芯片作为测试系统核心，其系统结构框图如下图所示。图2-4 燃料电池单片内阻在线测试系统结构框图程控交流电流激励源串接隔直电容后再与燃料电池输出端并联，使其与燃料电池直流电流隔离，不受燃料电池的直流高压冲击。数字信号处理器DSP是整个测试系统的核心，DSP通过RS485通信接口控制交流电流激励源的频率和幅值，为使交流电流激励源不影响燃料电池的正常工作，同时达到在线测试效果，DSP控制其输出正弦交流电流幅值不大于电堆直流电流的539，为了对燃料电池阻抗全面测试并测出欧姆内阻，电流频率在100Hz3kHz之间可调。DSP通过SPI模块外扩一片高精度AD转换器，依次采集各单片电池的交直流电压与交直流电流信号，结合内阻相位差信号进行复数内阻计算。然后把电堆内阻实部最小值确定为电堆欧姆内阻，并将此时的电流信号频率（100Hz3kHz）确定为最佳测试频率，然后在电堆电流不变的情况下以该频率进行单片电池内阻测试，此后计算电堆PEM平均含水量，通过CAN接口给燃料电池主控系统发送电堆欧姆内阻值和PEM含水量，主控系统根据这些信息控制加湿水量以达到减小欧姆内阻、提高电堆发电效率的目的。同时测试系统通过RS232接口与上位机通信，将各单片电池电压与内阻值发送到上位机PC上显示，并在Access数据库中储存。2.5 本章小结除第1章和全文总结章外，每章应有小结本章简要介绍了燃料电池的概念和工作原理。阐述了单片燃料电池的实验模型和等效电路模型，分析了PEM燃料电池内阻的组成部分及特点，在比较目前国内外燃料电池内阻测试方法的基础上，基于交流阻抗法设计了燃料电池堆单片内阻在线测试系统的总体方案，介绍了该系统的工作原理以及各模块的主要功能。第3章 燃料电池单片内阻在线测试系统硬件设计基于模块化设计思想，燃料电池单片内阻在线测试系统整体硬件电路分为以下几个模块进行设计：CPU 模块、信号检测与处理电路、AD转换单元、RS485和RS232串行通信单元、CAN通信模块，其中信号检测与处理电路是本系统的重点，它包括交直流叠加电压与电流实时采集模块、真有效值电路、相位差检测电路、电堆进出堆温度测量单元等，系统硬件框图如图3-1所示，下面对各功能模块的电路进行设计。图3-1燃料电池单片内阻测试系统硬件框图3.1 CPU模块CPU模块是整个系统的核心，它负责数据的采集、计算、处理、传输等，还负责协调各功能模块间的相互工作。因此系统的核心处理器必须选用高性能、快速、功能强大的处理器。TMS320LF2407A DSP是TI公司推出的TMS320C24xx系列DSP中最新的功能最齐全最强大的16位定点数字信号处理器。与传统的C24xx DSP相比，TMS320LF2407A 在性能上有很大的提高：指令最大执行速度为40MIPS（24x为20MIPS，240x为30MIPS），几乎所有的指令都可以在一个25ns的单周期内执行完毕，这种高性能使复杂控制算法的实时执行成为可能，同时，非常高的采样速率也可以使环路延迟达到最小；软件加密功能，能够有效地防止片内软件的非法拷贝；在比较控制寄存器（COMCONx）中使用功率驱动保护中断引脚/PDPINTx，该位在240x系列中为保留位。在C24xx DSP基础上添加了这些新优点，使TMS320LF2407A DSP不但具有信号处理和数字控制功能所必需的体系结构特点，而且强化了高速数字信号处理能力、强大的事件管理能力和嵌入式功能，特别适用于数据处理繁重的测控场合，因此，选用TMS320LF2407A DSP作为燃料电池单片内阻在线测试系统的核心处理器是非常合适的。3.1.1 TMS320LF2407A的最小系统设计TMS320LF2407A DSP最小硬件配置包括：电源电路、晶振电路、PLL滤波器输入电路、看门狗复位电路、JTAG调试接口。电源电路：TMS320LF2407A DSP对电源需求多样化，FLASH编程（VCCP）采用5V数字电压供电，内核（VDD）、I/O（VDDO）和锁相环（PLLVCCA）采用3.3V数字电压供电，AD转换器（VCCA）采用3.3V模拟电压供电。可以看出DSP既需要5V和3.3V两种供电电压，同时又区分模拟电压和数字电压，这就给我们硬件电路设计带来了难度。本系统没有利用片内AD转换器，所以只需要提供5V数字电压和3.3V数字电压，所以在设计时需要将5V数字电压变换为3.3V数字电压来供电，可使用TI公司专门为其系列DSP产品推出的5V/3.3V转换芯片TPS75733，该芯片是3.3V稳压输出，最大可输出3A的电流，完全足够给一块全部模块都运行的DSP和光电隔离芯片供电。其电路如图3-2所示。晶振电路：为避免高频干扰，提高系统的稳定性，本系统采用了16MHz无源 晶振作为DSP微控制器的外部振荡器，其谐振电容选取22pF。PLL滤波器输入电路： PLL模块使用外部滤波器电路回路来抑制信号抖动和电磁干扰，使信号抖动和干扰影响最小，依据TI公司给定的参数，结合本设计要求，我们选择PLL滤波器输入的谐振电阻为18，与之串联的电容为0.33F，与它们相并联的电容为0.0068F。看门狗复位电路：DSP受到干扰而失控，引起程序跑飞，也可能使程序陷入“死循环”。指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境，通常采用程序监视技术，又称“看门狗”技术（Watchdog），使程序脱离“死循环”。TMS320LF2407A DSP有自带的看门狗电路模块，但是内部的看门狗芯片有很多的弊端，所以本系统采用了外部看门狗技术，选用看门狗芯片DS1832，2脚TD端是可以设置看门狗喂狗的时间。TD接地表示最大喂狗时间为150ms，悬空的最大时间为600ms，接电源VCC的最大时间为1200ms。7脚ST接DSP的一个I/O口，低电平用来喂狗，6脚/RST接DSP的复位端/RS。程序正常运行时，DSP在TD所允许的时间内，定时给/ST发一个至少20ns高电平信号，6脚/RST保持高电平。当程序跑飞或死机时，超过了TD设定的时间没有执行喂狗的命令，或者将1脚/PBRST接地20ms以上可实现手动复位操作，该看门狗芯片的6脚/RST就会出现一个低电平的复位脉冲，迫使DSP复位，从而保证了本系统正常工作，如图3-3所示。 图3-2 TPS75733电源转换电路 图3-3 DS1832看门狗电路JTAG调试接口：JTAG是Joint Test Action Group的缩写，是IEEE1149.1标准，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真和调试。在TMS320LF2407A DSP中，可以通过JTAG直接控制其内部总线及I/O口，完成仿真器与DSP之间的数据交互，从而达到调试的目的。DSP内已经集成了JTAG仿真和测试模块，所以JTAG接口的设计比较简单，将DSP的八条JTAG仿真和测试引脚引出即可。3.1.2 外部存储器扩展TMS320LF2407A DSP片内带有高达32K字的Flash EEPROM和2.5K字的程序/数据RAM，足够一般程序的存储。但在软件开发时期，为了便于程序调试，我们外扩了一片64K16位的SRAM，用于程序/数据的译码。这是因为如果把程序烧到Flash中调试时，在全部程序中，只能设置一个硬件断点，而且每次修改程序都需要重新烧写Flash，相反如果把程序Load到片外SRAM中，不仅速度快，简单方便，而且调试时可加任意多个断点。在外扩存储器时必须考虑到存储器的读写速度，以使之与DSP的处理速度相匹配，为此我们选用了CYPRESS公司的SRAMCY7C1021CV33-12ZC。它是16位高速CMOS SRAM，存储速度为12ns，并且采用3.3V电压供电，与DSP的电源电压一致，可以很方便的与DSP芯片相连。为了减少编程译码的难度，在设计中将CY7C1021CV33-12ZC的高八位使能引脚/BHE、低八位使能引脚/BLE全部拉低进行使能，芯片使能引脚/CE与DSP 的程序选通引脚/PS相连，其地址线、数据线可直接与DSP 的地址线、数据线相连，接口电路原理如图3-4所示。图3-4 外扩存储器与DSP的连接图3.2 交直流叠加电压与电流实时采集模块本系统基于EIS法进行燃料电池单片内阻测试，所以只有满足因果性、线性、稳定性、有限性等EIS测试的四个前提条件才能保证数据的有效性37。当对电极体系施加小振幅的正弦波交流电压信号时，电极端电压为： (3-1)该电极系统将产生一个相同频率的正弦波电流响应： (3-2)Vac是电压信号的振幅，Iac是电流响应的振幅，是交流扰动信号的角频率，是电流和电位间的相位差。根据EIS的线性条件，当扰动电位幅值在1050 mV时，可忽略式（3-2）中倍频项27,41，于是电极的阻抗可表示成复平面的矢量形式： (3-3)燃料电池单片内阻很小，一般为几百到几m，我们所研究的燃料电池的正常工作电流一般在30100A左右，根据EIS测试的四个前提条件和在线测试系统的原则，要求DSP将正弦交流扰动电流幅值控制在燃料电池直流电流的5%以内，这样既可以满足EIS测试的前提条件，也不干扰燃料电池正常的运行，对电池的性能也不产生不良影响。3.2.1 单电池端电压采集电路设计我们以一个由16个单片电池组成的燃料电池堆对为测试对象。由于施加的交流电流幅值在燃料电池直流电流的5%以内，所以各单片电池两端的交流电压大约在几百V到几十mV之间，为了能够准确测量出各单片电池两端的电压值，必须对电压信号进行放大处理。由于燃料电池单片电压信号为差模小信号，并含有较大的共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此，要求信号处理单元的运算放大电路应具有较强的抑制共模信号的能力。我们选用的差分放大器是高精密度仪表放大器AD621，其核心电路为三运放电路，具有很高的共模抑制比CMRR（120dB） 、低输入失调电压（最大250uV）、低输入偏置电流（最大2nA），而且温度稳定性好、噪声系数小，设置10和100倍增益的增益电阻器已经集成在芯片内无需使用外部电阻器，它在规定温度范围内提供优良的增益稳定性，因为片内增益电阻跟踪反馈电阻的温度系数TC，确保信号准确放大。选择100倍增益只需要一个外部跨接线（在引脚1和8之间），对于10倍增益，断开引脚1和引脚 8即可。AD621的供电电压为+Vs=15V和-Vs=-15V时，输出电压在-1515V之间。燃料电池工作时单片电压小于1.2V，所以AD621引脚1和8断开将单片电压信号放大10倍，5脚的参考电压为地电平。由于对16片电池依次进行测试，于是16片AD621的输出端与一个16通道的模拟开关相连。单片电压经过AD621放大10倍后最高可达12V，此处我选用美国 Analog Devices 公司的16路模拟开关ADG406，其供电电压为VDD=15V和VSS=-15V时可选通-1717V的电压信号，导通电阻Ron仅为50，最大Ron为30，于是信号在开关上的损失很小，也不会使信号出现较大波动，DSP处理信号时对信号适当补偿即可。ADG406的 EN、A3、A2、A1和A0引脚分别经过光电隔离芯片后与DSP五个I/O口相连，如图3-5所示。DSP通过对这5个控制端进行不同的数字编码可对16片单电池任意选通（高电平“1”对应大于2.4V的电压，低电平“0”表示低于0.8V的电压），D为信号输出端。图3-5 信号调理电路与选通电路3.2.2 电流采集电路设计燃料电池正常工作电流很大，而且随负载变化而变化，一般可正常工作在30100A。本系统中程控交流电流激励源串接隔直电容后再与燃料电池输出端并联，交流电流激励源给燃料电池注入交流电流，正弦交流电流幅值不大于燃料电池直流电流的5%。对于这种直流叠加正弦交流电流的电流信号可采用精密霍尔电流传感器进行测量，霍尔电流传感器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元