电堆状态在线诊断是燃料电池发动机运行中不可或缺的功能|详解燃料电池电堆状态在线诊断技术电堆状态在线诊断是燃料电池

电堆状态在线诊断是燃料电池发动机运行中不可或缺的功能，它能像心电监测仪预防心脏疾病一样，通过监测电堆工作时的一系列参数，及时给出警报，并提醒控制系统调整运行参数，从而避免电堆故障的发生。此外，及时诊断并处理电堆运行过程中出现的各种问题，可以在很大程度上提高电堆的寿命。
交流阻抗测量技术是目前车用燃料电池电堆状态诊断的一个常用手段，通过对电堆施加电流扰动，使用数据采集模块获得相应的响应电压，运算后得到对应的高、低频阻抗值。高频阻抗反映的是膜电阻，膜含水量越低，膜的质子传导率越低（即膜电阻越高），则高频阻抗越高。因此，高频阻抗可作为膜干的诊断指标。而低频阻抗反映的是质量传输电阻，当双极板内出现水淹时，气体传输受阻，质量传输电阻增大，则低频阻抗增大。低频阻抗会随着含水量的增加而增加，因此可通过低频阻抗与含水量的关系，来实时监测电堆内部含水量。
下文是国外几家企业的交流阻抗测量技术和应用情况：
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丰田
丰田在第一代Mirai上已实现如图1a)所示的含水量检测系统。通过阻抗和含水量之间的关系，可以进一步分析调控电堆内部含水量。由图1b)可知，若无含水量控制功能，车辆行驶期间含水量可能会超过上限值，甚至造成水淹故障。且若环境温度较低，停车时需要进行长时间吹扫以避免堆内液态水残留。而采用含水量反馈控制后，当行驶过程中含水量到达上限值时，控制系统会通过增加空气流量的方式降低含水量，使其保持在合适范围内，以保障车辆正常运行，节省停车后的吹扫时间，降低吹扫能耗。

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图1a)电堆含水量的反馈控制系统

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图1b)通过/不通过反馈控制来减少含水量的吹扫过程
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现代
现代提出的诊断方法是在燃料电池正常工作时监测输出电流，当电流发生变化时，通过多次采样获得多个电流、电压变化幅值及变化频率，并进一步计算获取相应阻抗值。若所测阻抗偏离预设范围，则判断电堆发生故障。

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图2用于测量阻抗以进行电堆诊断的系统结构
具体流程如下：
1）持续监测电堆电流，当电流变化值大于预设阈值时，则进入测量流程；
2）重设频率分析参数，多次采样电流及电压，并对电流电压变化频率进行分析，获得n组电流、电压、频率参数；
3）通过多组参数计算并得到阻抗值。

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图3现代用于测量阻抗以进行电堆诊断的流程图
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本田
丰田和现代采用的测量方式反映的是电堆整体特性，无法了解到局部情况。本田和通用联合提出了一种燃料电池分组测量的方法，将几节单电池分为一组，分别测量每组电池的阻抗、电流密度、电压或频率等参数，并以此为依据对控制参数进行调整。分组测量可以在避免噪声干扰的基础上，最大限度的测量电堆各个部分的运行状态，从而定位故障发生的区域。

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图4用于分组测量燃料电池参数的控制器
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宝马
由于低频阻抗测量耗时久，使常见的交流阻抗测量分析方式需要较长的反馈时间。宝马采用差分阻抗的方式，仅测量多个频率的高频阻抗，可以在极短时间内完成阻抗的检测，用于诊断缺氧、缺氢及膜干等故障，并对其进行快速响应。