（控制科学与工程专业论文）燃料电池单片内阻在线检测系统设计与实现.pdf

摘要 质子交换膜燃料电池清洁环保、节能高效，被认为是今后替代汽车传统内 燃机最理想的驱动源。内阻是反应燃料电池运行状态的一个重要参数，对其进 行检测具有重要意义。现有的燃料电池内阻检测系统都是离线使用的，为满足 在线检测需要，本文研究并设计一套高精度的质子交换膜燃料电池内阻在线检 测系统，主要工作如下： ( 1 ) 阐述了燃料电池的工作原理和特点，分析了质子交换膜燃料电池的试 验模型和等效电路，并在对国内外燃料电池内阻研究方法分析比较的基础上， 提出了基于e i s 法的系统整体设计方案。 ( 2 ) 设计了内阻检测系统两个重要组成部分的硬件电路底层测控单元 和高精度采样处理单元。底层测控单元设计包括m c u 最小系统电路设计、光纤 c a n 接口电路设计，双绞线c a n 接口电路设计，4 8 5 通讯接口电路设计；高精 度采样处理单元设计包括数据采集电路设计、直流信号处理电路设计、a d 转换 电路设计及处理单元核心电路由窄带变频滤波器、程控增益放大器和有效 值检测器、幅值比相位差检测器组成的交流信号处理电路设计。 ( 3 ) 设计了底层测控单元及高精度采样处理单元软件，对各软件功能模块 进行了划分，对其中的各种初始化程序、窄带变频滤波器的设置程序、片外a d 转换与d s p 之间的s p i 通讯程序及各种中断程序进行设计，同时制定了具体的 通信应用层协议。 设计完成后，在实验室环境下模拟了检测对象，对系统的核心窄带变 频滤波器以及整个检测系统进行了实验，证明了整个系统的高精度的特征，完 全能够满足燃料电池单片内阻的在线实时检测。 关键词：燃料电池，欧姆内阻，在线检测，窄带变频滤波，幅值比相位差检测 a b s t r a c t p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ( p e m f c ) ，w h i c hi sc l e a n ，g r e e na n d h i g h e n e r g ye f f i c i e n t ，i sc o n s i d e r e dt h eb e s tr e p l a c e m e n to ft r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o n e n 酉n e r e s i s t a n c ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ra n dr e s p o n s et of u e lc e l l r u n n i n g c o n d i t i o n s s oi t sv e r yi m p o r t a n tt om o n i t o rt h er e s i s t a n c eo fp e m f c 1 1 1 ec u r r e n t r e s i s t a n c et e s t i n gs y s t e m sc a no n l yr u no f n i n e t om e e tt h eo n l i n en e e d s t h i st h e s i s d e s i g n e dah i g h - p r e c i s i o np e m f cr e s i s t a n c eo n l i n ed e t e c t i n gs y s t e m m a i nc o n t e n t s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d e s c r i b e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l e so ff u e lc e l l s ，a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t t l ep e m f ct e s tm o d e la n dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i t a f t e rc o m p a r i n gt h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hm e t h o d so ff u e lc e l lr e s i s t a n c e , t h et h e s i sp r o p o s e dan e w t e s t i n gm e t h o db a s e do ne i s ( 2 ) d e s i g n e dt h eh a r d w a r eo fb o t t o mc o n t r o lu n i ta n dh i g h - p r e c i s i o ns a m p l i n g p r o c e s s i n gu n i to ft h es y s t e m f o rt h ef o r m e r , t h ed e s i g nd e t a i l sc o n t a i nm c u m i n i m u ms y s t e mc i r c u i t ，f i b e rc a ni n t e r f a c ec i r c u i l p a i r - t w i s t e dc a ni n t e r f a c e c i r c u i t ，4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t ；f o rt h el a t e r , t h ed e s i g nd e t a i l sc o n t a i n d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，d cs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，a dc o n v e r t e rc i r c u i ta n da c s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t 1 1 1 ea cs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ti n c l u d e sn a r r o w b a n d f r e q u e n c yc o n v e r s i o nf i l t e r ，p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r s ，r o o t m e a n s q u a r ed e t e c t o r a n d a m p l i t u d ep h a s ed e t e c t o r ( 3 ) d e s i g n e dt h es o f t w a r eo fb o t t o mc o n t r o lu n i ta n dh i g h p r e c i s i o ns a m p l i n g p r o c e s s i n gu n i t s p e c i f i c a l l y , t h et h e s i sd i v i d e dt h es o f t w a r em o d u l e sa c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o n n ew h o l es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e si n i t i a l i z a t i o n p r o g r a m n a r r o w b a n d f r e q u e n c yc o n v e r s i o nf i l t e r ss e t u pf i l t e rp r o g r a m ，a dc o n v e r t e rp r o g r a m ， s p i c o r n m u n i c a t i o np r o g r a ma n di n t e r r u p t p r o g r a m a tl a s t ，t h et h e s i sm a d eu pa c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 a tl a s t ，t h et h e s i sd i ds o m ee x p e r i m e n t sa b o u tt h ew h o l es y s t e ma n d n a r r o w b a n d f r e q u e n c y c o n v e r s i o nf i l t e r t h e e x p e r i m e n t ss h o w e dt h eh i g hp r e c i s i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma n dp r o v e dt h es y s t e m sa b i l i t yt om e e tt h er e a l t i m e o n l i n ed e t e c t i o no fs i n g l er e m e c sr e s i s t a n c e k e yw o r d s ：f u e lc e l l ，o h mr e s i s t a n c e ，o n - l i n ed e t e c t i o n ，n a r r o w b a n df r e q u e n c y c o n v e r s i o nf i l t e r , a m p l i t u d ea n d p h a s ed e t e c t i o n i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：牲 日期： 学位论文使用授权书 洲6 箩；1 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ， 研究生( 签名) ：垄选导师( 签名) 刍鑫遁日期：己丛生生l 一 武汉理下大学硕七学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着世界环境污染的日益严重和能源逐渐短缺，以及在2 0 0 9 年的经济危机 后全球思考寻找新的经济增长点的大背景下，各国把注重环保和能源问题提升 到了新的高度。汽车行业是造成能源消耗和环境污染的重点行业，如何减少汽 车对石油的消耗和对环境的污染问题，成为汽车行业科学发展的重中之型1 1 。解 决办法初步看来有限制汽车工业的发展、提高能源的利用率和发展替代能源等， 然而从长远来看，最终的解决之道不是限制汽车工业发展，而是寻找替代能源， 大力发展新能源汽车。 温家宝总理2 0 1 0 年在十一届全国人大三次会议政府工作报告中指出，在大 力培育战略性新兴产业方面，要大力发展新能源、新材料、节能环保、生物医 药、信息网络和高端制造产业等；同时，新能源、节能环保、电动汽车、新材 料、新医药、生物育种和信息产业入选战略性新兴产业发展规划。无不体现 了国家对新能源汽车发展的决心，加速推进新能源汽车产业化进程是落实国家 关于加强节油工作部署的重要举措，也是缓解石油供需紧张矛盾、减少污染排 放、保护气候环境的重要措施。 电动汽车研究开发和推广的核心在于研发高性价比的电池，传统的蓄电池 的性能和价格均远未达到使电动汽车实用化的要求。燃料电池是一种将氢和氧 的化学能通过电极反应直接转换为电能的装置，它的重要特点是能量转化效率 极高，无污染或低污染。而质子交换膜燃料电池( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e l c e l l ，p e m f c ) 作为燃料电池的一种，它更具有效率高、使用广、可快速补充能 量、具有模块化结构等特点【2 1 。因此，它被认为是今后替代传统内燃机的电动汽 车上最理想的驱动源。 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，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 在比较理想的状态，因此必须实时的精确检测和控制这些物理量才能使其稳定 高效的运行。当前燃料电池检测系统能够对其中一些参数，如各单片电压等进 行实时检测和控制，达到了可以安全稳定运行的程度，然而，燃料电池主控系 统对各单片电池的某些运行参数尚无法获知，如燃料电池内阻等，导致各单片 武汉理工大学硕士学位论文 电池的健康状况没有得到真正保证，电池的发电效率和使用寿命也有待提高【3 】。 因此，如何更加全面的检测燃料电池各单片电池的运行参数，从而进一步提高 燃料电池发电效率成为当前研究的热点。 1 2 课题研究意义 作为电动汽车最理想的驱动源，p e m f c 的性能问题事关整个电动汽车行业 的发展，如何提高其性能已成为当前全球研究的热点问题之一。对于p e m f c 而 言，无论是从前期开发、中期调试研究，还是后期使用维护上，实时监控其运 行状态，对其优化设计，降低开发成本，确保质量，故障排查，提高使用效率 及寿命等方面都至关重要【4 】。因此，设计精度高、适用性强的监控系统，能在燃 料电池研究、开发或制造以及不同的应用阶段为研究人员及工程师提供各种检 测数据，便于利用分析工具来评估和检验燃料电池。 在实际应用中，燃料电池必须输出较大功率，因此通常是由多个单片电池 串联组成燃料电池堆来满足需要。然而，正是由于电堆的这个特点，单片电池 的异常便会影响整个电堆的性能与安全，必须对各单片电池的相关参数实时监 测【5 】。单片燃料电池的内阻是其运行是否正常的直接反映之一，它能衡量质子和 电子在电极内传输难易程度，决定燃料电池发电效率，是十分重要的参数。就 目前的理论而言，欧姆内阻与电堆内湿度关系紧密，如电堆湿度过大会引起水 淹，严重影响电堆性能，并对电堆有一定的破坏性，而电堆湿度的测量比较复 杂，准确测量电堆中各单片电池的湿度更是不可行，最好的办法是通过实时检 测内阻，并通过内阻与湿度之间的关系来进行研究【6 】。 研制燃料电池内阻在线检测系统来实时检测运行中的燃料电池堆各单片电 池内阻可以获取电堆的实时动态信息，增进对燃料电池反应机理的理解，便于 研究如何通过控制控制减小欧姆内阻，提高电堆发电效率，确保燃料电池的安 全、稳定、高效运行，同时为燃料电池实时监控与机理分析提供一种新的研究 手段。可见，实时检测燃料电池单片内阻意义重大。 本文所研究的内容是关于p e m f c 单片内阻在线检测系统样机的设计与实 现，来源于“国家8 6 3 计划项目( 2 0 0 8 a a 0 5 2 1 0 5 ) ，燃料电池内阻在线测试与湿 度软测量技术研究 课题，是整个课题的基础。 2 武汉理：r = 大学硕十学位论文 1 3 国内外研究现状 近年来，很多国家无论是政界还是企业界，都前所未有的关注新能源以及 电动汽车的发展。目前，全世界每年用于燃料电池开发与研究的经费估计在上 百亿美元左右，在各国政府的大力支持下，p e m f c 在集成度、高性能等方面取 得了长足的进步，各国还成立了一些制定燃料电池标准的协会，如中国燃料电 池标准化技术委员会于2 0 0 8 年6 月1 0 同在北京铁道大厦成立掣7 】。但p e m f c 要达到实用化还面临一些挑战，主要表现在寿命和成本问题这两方面。随着对 燃料电池研究的深入，燃料电池内部湿度和温度是非常重要的状态参数，而现 有手段和方法往往难以直接获得这些参数。研究表明，燃料电池内阻能反应燃 料电池内部湿度、温度等重要参数的变化，通过对各单片电池内阻进行在线检 测，可以获取电堆的实时动态信息，通过控制内阻来使得燃料电池始终工作在 更安全、高效的工作区间，这对提高燃料电池耐久性及使用寿命具有非常重要 的意义。 由此可见，燃料电池内阻是个很重要的指标，是决定电堆发电效率的关键 参数。由于它可以呈容性、感性或纯阻性，大小在皿、m q 级，而且实时变化， 对它进行精确测量有一定的困难，有关文献显示燃料电池的交流阻抗只能使用 顶级的实验室设备来测试。国内外有多家公司专门从事燃料电池测试设备的开 发并提供燃料电池测试服务，国外的如加拿大g r e e n l i g h t 公司，美国e l e c t r o c h e l t l 公司，日本的h o n d a 公司，美国康涅狄格州大学等；国内一些公司、科研院所 等也投入大量经费研究燃料电池测试设备，如亚太、力兴、上海神力、中科院 大连化物所、清华大学、同济大学、武汉理工大学等近三十家企业和科研机构。 无论是国外还是国内研究的燃料电池测试设备，均包括许多相互连接的子系统， 一般有燃料电池测试台、电子负载、频率分析仪等高档复杂仪器，而且需要技 术人员正确配置它们的硬件连线、软件程序和接口通信协议等，这使得该测试 平台复杂、成本很高，故此类燃料电池测试仪大都用在燃料电池系统的研发阶 段【引。国内外研发的具有代表性的设备如图1 1 、1 2 、1 3 、1 - 4 所示。 武汉理工丈学硕士学位论文 孵 畸砖崎 ；鞴 图1 - 1 美国康涅狄格州大学电池实验平台 图1 - 2 e l e g a o e h e m 公司电池性能测试平台 幽1 0 亚太科技f c e d - p 5 0 电池研究测试平台 ， f ； 剧1 4 亚太科技a s c t - 0 0 1 电池性能检* 4 仪 具体来说，国内外已有些对燃料电池内阻特别是欧姆内阻的研究论文和 成果，如郭建伟等用交流阻抗法对p e m f c 电化学行为进行了研究，并分析了放 电电位、催化层结构及加湿温度等参数对电池内阻的影响”；j e f e r s o n 等提出了 比较先进的等效电路模型并根据此模型模拟了p e m f c 在运行过程中的动态过 程等”0 1 ：t u o m a s 等用断电法多次试验，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，并对测试结果进行了比较详细的分析和比对”； v e r b r u g g e 采用n e r n s t - - p l a a e k 方程研究膜的电导率，并根据研究结果计算了燃 料电池欧姆阻抗，结果虽然有一定的误差，但是有比较大的参考性”2 1 ；张金辉等 使用设备在各种试验条件下对燃科电池内阻进行研究分析了各工作条件对燃 料电池欧姆阻抗的影响，得出质子交换膜的增湿情况对燃料电池欧姆阻抗影响 最大的结论i j ；z a w o d 2 i n s k i 等基于半经验的试验模型研究了质子变换膜中水的 扩散系数随膜中水含量和温度的变化对膜电阻的影响“q ；莫志军等通过大量的试 验研究，提出广义内阻的概念，并指出广义内阻的测量便于对电堆进行实时控 制、故障检测和工程电路分析等 i s l 。 综上所述，国内外科研机构已充分认识到燃料电池内阻研究的必要性和意 义所在。但是现有的燃料电池内阻检测系统都是基于实验室平台的，相当于是 ，k 武汉理工大学硕士学位论文 离线检测，没有一个系统性的、实用的检测装置。 1 4 本文主要研究内容 本论文正是立足于前期对燃料电池大量研究和测试的基础上，为方便整个 课题建立燃料电池内阻与湿度、温度参数的关系模型并且控制系统参数从而保 证燃料电池处于健康的运行状态和高效的发电效率，研究并设计了高精度的质 子交换膜燃料电池内阻在线检测系统，实现了燃料电池电堆各单片电池内阻的 智能化在线高精度测量，文章主要研究内容如下： ( 1 ) 燃料电池内阻检测系统总体方案设计。在对燃料电池特性以及内阻等 效模型电路进行分析，并对现主流的燃料电池阻抗研究方法进行研究后，根据 实际检测要求和电化学阻抗谱检测法理论，设计了基于分布式检测的内阻检测 系统的总体方案。 ( 2 ) 燃料电池内阻检测系统硬件设计。论文对燃料电池内阻检测系统的设 计需求作了详尽分析，明确了检测系统的具体功能和技术指标之后，根据结构 化设计思想，设计了整个检测系统中的底层测控单元和高精度采样处理单元这 两大核心部分，并将此两部分有机统一，完成了功能齐全，符合要求的硬件系 统。 ( 3 ) 在底层测控单元的设计中采取了基于双c a n 网的管理模式，保障了 系统的实时性要求，解决了累积电势的问题；在高精度采样处理单元的设计中， 针对系统的高精度要求，设计了电压、电流采集模块，窄带变频滤波器，程控 放大器，幅值比相位差检测器等电路，同时对整个硬件系统的误差来源以及抗 干扰措施等进行分析和研究。 ( 4 ) 对高精度采样处理单元中的核心部分窄带变频滤波器的试验结果 以及整个系统的最终检测结果作了分析，证明了整个系统的高精度特征。 武汉理工人学硕七学位论文 第2 章燃料电池内阻检测系统方案设计 目前全球史无前例的关注燃料电池，尤其是p e m f c 的发展，为了更好的研 究其特性，各大公司及科研机构开发出了越来越先进的燃料电池检测设备。要 研究燃料电池，首先要先了解它的工作原理和特点，在燃料电池内阻研究中更 要对燃料电池电化学模型及等效电路进行分析，目前主流的检测燃料电池内阻 的方法有断流法、交流阻抗法、高频阻抗法和电化学阻抗谱法四种，各有特点， 各机构所开发出的各种燃料电池检测设备也均是基于这四种方法，本章将详细 介绍作者如何根据实际需求进行选择，设计出实用的、在线的燃料电池内阻检 测系统。 2 1p e mf c 简介 2 1 1 燃料电池工作原理 燃料电池( f u e lc e l l ) 是一种将燃料( 通常为氢) 和氧化剂( 通常为氧或含 氧的空气) 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，燃料电池是由阴极、阳极 和电解质构成，一般在其阳极( a n o d e ) 上连续供给气态燃料，如氢气，而阴 极( c a t h o d e ) 上则连续供给氧气( 或由空气代替) ，这样就可以在电极上连 续发生电化学反应，并产生电流，带动负载。燃料电池通过电化学反应生成能 量和水，也就是说它产生的是完全清洁的能源，燃料电池结构示意图如图2 1 所 示。从理论上讲，只要连续不断地给燃料电池供应燃料和氧化剂，它就能连续 不断地产生电能，这是燃料电池这个名称得来的主要原因，从这一特点来看， 燃料电池更像是一台发电机，因此，燃料电池也被称为电化学引擎【1 6 1 。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 2 1 2p e m f c 的特点 图2 - 1 燃料电池结构示意图 在引言及燃料电池工作原理的描述中提到，燃料电池的重要特点是能量转 化效率极高，无污染或低污染。同时它与普通电池比较大的区别是：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 料电池在原料充足的情况下几乎是无限的电能输出装置。而作为今后替代传统 内燃机的电动汽车上最理想的驱动源的p e m f c 更具有一些优越的特点【1 7 1 ： ( 1 ) 工作温度低，一般工作温度为3 0 。一8 0 。，具备在低温下启动快的特 点，不会导致发动机过热等危险情况出现。 ( 2 ) 能量密度和转化率极高，比传统内燃机的能量利用率高3 倍以上。 ( 3 ) 对瞬时的载荷反应良好，比较能适应汽车上的各种加速，爬坡等瞬时 负载增加的情况。 ( 4 ) 无化学腐蚀，无排放污染，其反应生成物是水。 2 2p e m f c 试验模型及等效电路 2 2 1p e m f c 试验模型 燃料电池的单片电压很低，一般接近l v ，因此必须将单片电池以串联或者 并联的方式堆栈起来以满足大功率的要求。p e m f c 试验模型主要是通过实验方 法，建立描述电池输出电压与电流密度的经验公式并以极化曲线的形式表示出 7 武汉理工大学硕士学位论文 来，此极化曲线即为p e m f c 的基本特征衄线。图2 2 为典型的燃料电池单片电 压对电流密度的极化特性图。 堕 片 电 压 ( v ) 0 oo 。5 电流密度( i c m 2 ) 图2 2 燃料电池的极化特性图 从图中可以看出，在低电流密度区域，电池的损失主要是活化极化损失 ( r e a c t i o nr a t el o s s e s ) ，它是由电化学反应速率限制所引起的电位损失，一般当 电池体系和结构确定后即为定值。在电流密度适中时存在一个线性区域，此时 电池的损失主要是欧姆损失( r e s i s t a n c el o s s e s ) ，它主要是由电池内部电阻的电 极、电解质膜、连接条和极柱等各个组成部分引起，其中电解质膜在运行中出 现的干涸，溶解，氧化，被污染等是最主要的原因。在高电流密度时，欧姆损 耗就变得不那么明显，此时起主导作用的是浓度极化损失( g a st r a n s p o r tl o s s e s ) ， 电池中反应离子的浓度时刻随着电化学反应的进行变化，因此它处于时变状态 【1 引。， 建立p e m f c 模型的主要目的是研究电池运行过程中由于负荷突然增加而 引起的水淹问题，以及质子交换膜长期运行导致的干涸问题。通过这个模型， 可以得到方程： 2 一圪一。( 2 - 1 、 其中为燃料电池的输出电压，为燃料电池理想输出电压，圪甜为电池 活化极化损失电压，为欧姆损失电压，圪枷为浓度极化损失电压。国内外研 究人员就此模型从各个角度给出了详细的分析，就对内阻的研究而言，对于特 武汉理下大学硕士学位论文 定的p e m f c ，能够量化的，同时也是对研究最有利的就是v 0 枷。因此，要检测 出p e m f c 的欧姆内阻，来进行其与电池反应中一系列如温度、湿度等关系的研 究，最终提高p e m f c 的性能和发电效率。这也是本论文研发燃料电池内阻在线 检测系统的目的。 2 2 2p e m f c 等效电路 在p e m f c 测试过程中，极化曲线图反应了其稳态运行的特征，通过p e m f c 等效电路模型，利用e i s 法等测试方法，可以获得p e m f c 的动态特性。目前， 最基本的p e m f c 等效电路是r a n d l e s 电路模型 1 9 1 ，如图2 3 所示： c d l i i 厂。l 一 r p o l 图2 3r a n d l e s 等效电路模型 其中，如。为欧姆内阻，如，为极化内阻( 它是咫d 和k 的结合) ，r v o t ) ， 巳为双电层分布电容，它客观体现了燃料电池电极表面多孔结构的电学特性。 通过此等效电路模型可以得知，在高频段，c 0 相当于短路，此时r 蒯可以忽略 不计，整个电路的电阻为r 。m ，在低频段，q 表现为开路，此时整个电路的电 阻由如。+ r 耐组成，在所有的频段进行测试可获得需要的阻抗谱信息。然而， 此模型也有一定的不足，主要因为它并没有将浓度极化损失考虑在内，为了研 究的方便而没有将电堆的电化学特性反应完整，因此，不少研究人员基于r a n d l e s 电路模型，增加了一个电容和一个电阻，构成了如图2 4 所示的模型。本文将其 称为改进型模型【2 0 1 。 c d l( = t = l r p o l r d 图2 4 改进型等效电路模型 9 武汉理工大学硕士学位论文 此模型将电堆任何运行过程中( 尤其是大电流或者缺乏燃料时) 所有的损 失考虑了进来( 活化极化损失，欧姆损失，浓度极化损失) ，其中c 。和r 主要 用于描述离子在电堆中的传输效果因素所产生的影响。 基于r a n d l e s 模型，可以得到如下方程： iz1 其中： o c - r p o , 七r o h m p = 2 n c d l r 呻1 y 2 2 n c m r p o i r o h m 同样，也可以得到改进型模型的方程： ( 2 2 ) 12 1 = p 南+ 南】2 + c 尚+ 南r 限3 、 其中： 艿= 2 万e 吃占= 2 石z = 兄枷缈= r m ，1 9 = 蜀 当然，目前还有一些研究人员由于研究的方向不同或者侧重点不同而提出 其它的电路模型，但是主流的研究模型仍然是以上提出的两种。针对这两种电 路模型，可以通过分析得到燃料电池内阻n y q u i s t 图，如图2 5 和2 - 6 所示： z ( 趁部 图2 - 5r a n d e l s 模型n y q u i s t 图 图2 - 6 改进型模型n y q u i s t 图 尽管这两种电路模型有一定的区别，但是对于设计系统来说并无影响，对 于实际的p e m f c 电池堆，可能通过测试而绘制出来的n y q u i s t 图与理想的有较 大差别，但是对于正常运行的电堆，其趋势仍然是不会改变的，正如图2 5 和图 2 - 6 所示，整个曲线趋势是一致的，具体特定的p e m f c 电池堆所测试出来的结 果是哪种曲线，或者说比较符合哪种模型，可以根据测试结果进行进一步的研 究。 l o 武汉理t 大学硕士学位论文 2 3 系统整体方案设计 目前，常用于燃料电池内阻在线测试的方法主要有断流法、高频阻抗法、 交流阻抗法和电化学阻抗谱法这四种。在k r c o o p e r 等人的文酬2 l 】里对这四种 方法的测试原理、应用场合及优缺点进行了详细分析，主要内容如下： 断流法是操作最简便的方法，在对燃料电池内阻研究之前就经常用于测算 干电池的欧姆内阻。它利用在切断系统输出电流后，欧姆损失消失的速度要比 极化损失快得多的特点，通过测量在切断电流前后瞬间电池两端电压的变化量 v 和输出电流的变化量i ，通过公式r 。= d z d s 计算即可得到电池的欧姆内 阻。该方法操作简单，可以直接得到欧姆内阻，但切断电流会给电路带来较大 扰动，也对燃料电池的寿命造成不利影响。因此，断流法只适用于燃料电池系 统的离线检测，并不适合用于本系统所需要的在线检测。 交流阻抗法是利用交流阻抗测试设备向燃料电池施加一个高频正弦扰动信 号，测出该频率下燃料电池与负载并联时的总阻抗大小，然后经过计算去除负 载阻抗的影响而得到燃料电池内阻。相对于系统输出的大直流电流而言，施加 的交流扰动相对较小，基本不对系统造成影响，因此适用于燃料电池运行过程 中的内阻在线测量。然而，交流阻抗法测量结果单一，要利用该方法准确获得 燃料电池内阻值对负载的状态要求过高，现实中很多负载的精确特性是无法获 知的，因此它有比较大的局限性。 高频阻抗法是通过向负载施加一个高频交流微弱激励信号，然后使用频率 响应分析仪测出该频率下的交流响应电压和电流间的幅值比与相位差两个参 数，进而计算出燃料电池的复阻抗实部值。该方法对系统扰动很小，因此适合 常规的、周期性的内阻在线测量。然而，它所检测的燃料电池内阻信息并不全 面，而且检测结果不一定就是欧姆内阻，同时由于不同被测系统特性存在差异， 最佳激励信号频率也就不同，要想获得比较详细的内阻信息需要重复进行多次， 检测过程较为复杂，不够智能。 电化学阻抗谱法( e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ，e i s ) 是高频阻 抗法的扩展，但比它更加智能：一是电化学阻抗谱法不仅仅是为了获取阻抗的 实部值，更要监测交流电压与电流间的幅值比与相位差的变化情况，以确定系 统的复阻抗特性；二是电化学阻抗谱法不是单一频率而是一系列频率下的阻抗 测量，是一种扫频方式的测试方法，在对燃料电池系统进行研究时，能比其他 的内阻检测方法获取更多的信息( 如欧姆阻抗、极化阻抗、双层电容效应以及 武汉理工人学硕十学位论文 扩散阻抗等) ，充分利用这些参数可较全面、准确地分析燃料电池的运行性能f 2 1 1 。 通过以上比较和分析可以看出，电化学阻抗谱法是一种比较理想和有效的 燃料电池内阻在线测试方法，能够获得十分全面准确的内阻信息，它也是目前 研究人员研究p e m f c 阻抗特性用得最广泛的一种方法。本课题立足于前期对 p e m f c 大量的测试和控制工作基础上，基于电化学阻抗谱法来进行整个系统方 案设计。本文所设计的检测系统结构框图如图2 7 所示： 图2 7 燃料电池内阻检测系统结构框图 其中，质子交换膜燃料电池堆是检测对象，电子负载是配合检测过程的设 备，程控交流激励电源、采样处理单元、底层测控单元、上位机处理单元是整 个检测系统的组成部分。 作为f e m f c 内阻在线检测的交流激励电源，要求其交流频率范围在 1 0 0 h z 2 0 k h z 之间变化，其交流电流幅值控制在燃料电池直流电流的5 以内， 而燃料电池的工作电流往往可以达到上百安，传统可控交流电流源的交流电流 频率和幅值往往无法满足以上要求，即使可以满足，也不能够和其它设备进行 比较智能的通讯，不方便进行频带内各种阻抗的检测。燃料电池单片电池内阻 很小，通过施加激励后产生的交流电压也非常微弱，所以如何有效地抑制干扰 和噪声，提高采样处理单元的精度在内阻检测中十分重要，同时，如何克服累 积电势的问题，测量大、中功率燃料电池堆的各单片内阻，也需要很好的底层 管理单元来进行管理，确保所测结果的准确性和实时性。上位机系统主要用于 直观显示检测结果，本检测系统必须有与其对应的上位机系统才完整。基于以 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 上原因，课题组拟自行设计检测系统中上述的程控交流激励电源、底层测控单 元、高精度采样处理单元和上位机系统四个组成部分。 本文主要对底层测控单元和高精度采样处理单元的设计与实现进行详细阐 述。 2 4 本章小结 在本章的第1 节主要对燃料电池的工作原理进行了分析，尤其对p e m f c 的 特点进行了比较详细的描述；在第2 节根据所阅读的文献资料给出了两种 p e m f c 的试验模型和等效电路并进行了简要的分析；在第3 节对现有四种主流 检测燃料电池内阻的方法进行了详细分析，阐明了本系统采用e i s 法的理由， 设计了基于e i s 法的燃料电池内阻在线检测系统的总体方案，并对整个系统的 几个重要模块进行了简单介绍，为下一章做了铺垫。 武汉理工人学硕士学位论文 第3 章p e m f c 内阻在线检测系统硬件设计 在确定了系统整体设计方案以后，就要对系统硬件分模块来展开设计，硬 件设计围绕提高实时性和精度两个宗旨，分底层测控单元硬件设计和高精度采 样处理单元硬件设计两大部分，其中前者主要功能是处理数据和整合通讯，表 现在提高系统的实时性和解决电势累计的问题上，而后者的功能是高效准确的 采集燃料电池单片内阻信息，表现在保障系统高精度上。本章将详细介绍底层 测控单元和高精度采样处理单元的硬件设计。 3 1 底层测控单元硬件设计 3 1 1 底层测控单元硬件结构 燃料电池根据功率大小往往由几十片甚至几百片组成，对各单片电池在 1 0 0 h z 2 0 k h z 频段内进行多频率点的检测，需要一定的时间。为了实现高速检测， 满足内阻检测的实时性，本文采取分布式检测结构，设计了由一块底层测控单 元电路板和多个高精度检测单元电路板组成的双c a n 网内阻检测系统。其中底 层测控单元主要用于对高精度采样处理单元所发送数据的处理以及与主c a n 网、程控交流激励电源、p c 机的通讯，高精度采样处理单元和电堆相连接，用 于直接检测各单片电池内阻。 在c a n 网络拓扑结构中经常会用到网络控制单元，而这里的底层测控单元 包括了网络控制的功能，除了具有数据处理和中继功能以外，还具有一定的网 桥功能，因为它具备报文转发功能和报文过滤功能，通过在硬件和软件设计中 加以适当的改进和优化，可以最大限度的减少m c u 处理报文的负担，以改善实 时操作的能力，在实际应用中有很好的效果。具体底层测控单元原理框图如图 3 1 所示。 1 4 武汉理。i j 大学硕士学位论文 i 一蘸赢谳芫一l 总c 心网 图3 1 底层测控单兀原理框图 底层测控单元主要是设计围绕两个t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( 以下分别称为m c u l 和m c u 2 ) 为核心芯片的各种通讯接口 电路，包括c a n 总线接口电路、4 8 5 通讯接口电路、光纤c a n 接口电路。 系统运行前需对c a n 子网的每个高精度采样处理单元i d 号进行设置，这 些i d 号依次递增。底层测控单元中的m c u 2 主要用于预处理由多块高精度采样 处理单元通过内部c a n 通讯传送上来的数据，将整个电堆的各单片内阻值整理 完毕后发送给m c u l ，同时通过4 8 5 通讯接口发送至上位机系统进行实时显示， m c u 2 通过内c a n 网不断的依次循环呼叫子网中的各个高精度采样处理单元， 高精度采样处理单元的数据准备好以后，逐个发送至底层测控单元的m c u 2 ， 未准备好的数据则发送上一次的历史数据，由于呼叫频率极高，即使数据是上 一次的历史数据，也不会影响系统反映电堆实时状态。 而m c u l 主要用于计算各单片电池内阻信息，并将有用信息通过光纤c a n 通讯发送至总c a n 网或燃料电池发动机主控系统等本系统外的设备，同时，它 还还可以根据其它设备的需求来扩展一些如u s b 通信，网口通信等接口，为系 统的二次开发做了预留。m c u 2 与高精度采样处理单元构成c a n l ，m c u l 与外 部总c a n 网构成c a n 2 ，两个c a n 网络彼此独立，构成网络拓扑结构，能够 1 5 武汉理工人学硕士学位论文 有效的保障整个系统的实时性。 3 1 2m c u 最小系统电路设计 m c u 作为整个系统的核心，必须具备功能全面、处理速度快的特点，在一 般的检测系统设计中，经常使用普通的单片机或者性能较好的具有多模块集成 的单片机就能够满足要求，然而，燃料电池内阻检测是个比较复杂的工作，每 次检测需要检测5 个参数，同时还需多次检测求平均值得出的结果，对此结果 还要进行一定的处理、计算，而对于上百片单片电池组成的燃料电池，用这些 普通的m c u 作为微处理器，要达到比较高的实时性可谓是望尘莫及。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 是t i 公司推出的t m s 3 2 0 c 2 4 x x 系列d s p 中的功能 比较齐全的1 6 位定点数字信号处理器。它相比普通的单片机或者其它处理器， 具备如下特点【2 2 1 ： ( 1 ) 采用改进型哈佛结构，其程序存储器和数据存储器具有各自的总线结 构，具备硬件乘法器，指令最大执行速度为4 0 m i p s ，周期为2 5 n s 。在内阻检测 过程中，数据量比较庞大，处理起来有一定的难度，必然会影响系统的实时性， 而其主频高，具有硬件乘法器的特点恰好能够保证复杂的数据处理过程得以轻 松实现。 ( 2 ) 片内存储容量大，具备齐全的通信接口，如s c i 通信、s p i 通信和c a n 通信接口，具备p 1 j i m 功能模块，同时有高达4 1 个i o 口。在本系统中，由于窄 带变频滤波器，程控放大器，模拟多路复用器，各种通讯接口中的控制端以及 用于方便程序调试的l e d 显示都需要通过i 0 口来实现，所以其4 1 个i o 口不 仅能够满足整体要求，还可以为今后的扩展作预留。 ( 3 ) 有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构特点，有强大的数 字信号处理能力，以及事件管理能力和嵌入式功能。这一点也证明了其特别适 用于数据处理繁重的测控场合的特点，符合燃料电池内阻检测系统的要求。 ( 4 ) 具备软件加密功能，能够有效地防止片内软件的非法拷贝，在知识产 权安全性方面有一定的保障。 同时，整个系统中不仅是底层测控单元，同时多个高精度采样处理单元均 需要此d s p 作为m c u 实现测控和数据处理功能，可以避免重复开发，降低了 成本。基于功能上，成本上的综合考虑，选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 这款d s p 作为 燃料电池单片内阻在线俭测系统的核心处理器比较合适。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 在选择了合适的m c u 以后，需要对其最小系统进行设计，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的最小系统包括：电源电路、晶振及p l l 滤波器输入电路、j t a g 调试接口，同 时，为提高系统的抗干扰能力，使用了3 片7 4 a c l 6 2 4 5 总线驱动芯片和大量光 隔对d s p 的输入输出信号进行驱动和光电隔离，以及使用看门狗芯片进行掉电 保护和防止程序跑飞。 由于其最小系统在各种场合的设计和应用介绍得比较详细，本文不再做详 细描述，只对其中的电源电路和看门狗电路中的部分重点加以强调： t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 对电源需求比较多样，内核、f l a s h 编程以及模数转换 器等都需要提供不同的电源( + 3 3 v 数字电源，+ 5 v 数字电源和+ 5 v 模拟电源) ， 但由于设计中采用片外模数转换器，所以只涉及到+ 3 3 v 数字电源和+ 5 v 数字电 源，而选择电源模块的时候往往只选用+ 5 v 作为数字电源，3 3 v 电源需要用其 他芯片通过转换来获得。t p s 7 5 7 3 3 k t t 是t i 公司专门