燃料電池系統(tǒng)作為燃料電池汽車的“動(dòng)力心臟”，具有能量密度高、動(dòng)力性能強(qiáng)、排放零污染等性能優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于交通、船舶、熱電聯(lián)供及備用電源等領(lǐng)域。

電堆作為燃料電池系統(tǒng)的核心部件，維系著整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的能量輸出過程，在實(shí)際運(yùn)行過程中，受不同工況環(huán)境因素影響，易發(fā)生水淹、膜干等故障狀態(tài)，進(jìn)而影響燃料電池系統(tǒng)的工作性能，甚至縮短使用壽命。因此，對(duì)燃料電池的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，精準(zhǔn)識(shí)別已有或潛在故障風(fēng)險(xiǎn)，是非常必要的，也是保障燃料電池汽車安全、穩(wěn)定運(yùn)行，不可或缺的重要技術(shù)手段之一。

未勢(shì)能源燃料電池系統(tǒng)開發(fā)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)燃料電池技術(shù)痛點(diǎn)難題，自主開發(fā)新型燃料電池健康狀態(tài)在線診斷系統(tǒng)——“諾德醫(yī)生（NODS）”，通過AI智能診斷技術(shù)，準(zhǔn)確識(shí)別水淹和膜干故障狀態(tài)及產(chǎn)生機(jī)理，真正實(shí)現(xiàn)在線快速診斷“疑難雜癥”，讓燃料電池的在線水管理變得不再神秘。，時(shí)

諾德醫(yī)生（NODS）系統(tǒng)基于電化學(xué)阻抗譜（EIS）原理，就像心電檢測(cè)儀一樣，通過內(nèi)核系統(tǒng)軟硬件管理資源，搭建故障診斷模型，通過監(jiān)測(cè)電堆工作時(shí)的一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)，及時(shí)診斷、分析，并提取故障特征信號(hào)，根據(jù)故障狀態(tài)（如水淹、膜干等）快速響應(yīng)，調(diào)整控制策略及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)（如空氣計(jì)量比、溫度、濕度等），從而避免電堆故障的發(fā)生，最大限度確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)全生命周期管理體系閉環(huán)控制。

同時(shí)，基于阻抗數(shù)據(jù)制定不同溫度下的關(guān)機(jī)吹掃策略，最低可實(shí)現(xiàn)-30℃電堆無損冷啟動(dòng)，可以在各種復(fù)雜環(huán)境下提高系統(tǒng)的使用效率及壽命 。

顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新

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1

①實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)“車載化”

實(shí)驗(yàn)室EIS測(cè)試借助昂貴笨重的電化學(xué)工作站向燃料電池施加交流電流/電壓信號(hào)。該技術(shù)通過DCDC向燃料電池施加正弦交流擾動(dòng)信號(hào)，信號(hào)采集硬件及數(shù)據(jù)處理軟件模型均可集成到DCDC中，將原本只限于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量手段轉(zhuǎn)化為一項(xiàng)可以車載應(yīng)用的技術(shù)方法。

② EIS特征頻率，實(shí)現(xiàn)測(cè)量精準(zhǔn)化、常態(tài)化

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試EIS需要施加幾千到零點(diǎn)幾赫茲頻率的交流信號(hào)到電堆以獲得完整的阻抗譜進(jìn)行分析,整個(gè)過程持續(xù)十幾分鐘到半小時(shí)不等。該技術(shù)基于燃料電池在不同工況下運(yùn)行的大量EIS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取特征交流頻率，最終將需要施加的頻率個(gè)數(shù)縮小到十個(gè)頻點(diǎn)以內(nèi)，將獲得可用于判斷健康狀態(tài)EIS數(shù)據(jù)的時(shí)間縮短到幾秒之內(nèi)。

如圖1所示，灰色曲線為通過實(shí)驗(yàn)室設(shè)備獲得的電堆EIS數(shù)據(jù)，綠色曲線為使用幾個(gè)特征頻率獲得的EIS數(shù)據(jù)。通過施加特征頻率的交流信號(hào)獲得分析燃料電池EIS數(shù)據(jù)，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間。

③故障診斷更為高效、便捷

人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等在其他領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在燃料電池領(lǐng)域應(yīng)用有限。燃料電池是一個(gè)集電能、化學(xué)能、熱能為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，該技術(shù)將燃料電池阻抗譜數(shù)據(jù)與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法相結(jié)合，避免了因?qū)θ剂想姵氐膶I(yè)知識(shí)了解不足造成故障診斷分析錯(cuò)誤。使用模糊邏輯等無監(jiān)督式數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方法進(jìn)行聚類分析，根據(jù)聚類分析結(jié)果可獲得燃料電池不同運(yùn)行狀態(tài)下的輸入?yún)?shù)范圍。借助聚類分析結(jié)果，結(jié)合故障樹等診斷方法，形成一套精確高效的故障診斷機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。

2

實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)下沉

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① 微小交流信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量

DCDC通過采集施加的交流電流信號(hào)及電堆兩端的電壓信號(hào)，計(jì)算不同頻率的阻抗數(shù)據(jù)。為保證電堆的正常運(yùn)行，交流信號(hào)幅值不能過大，一般控制在電堆輸出電流的8%以下，且由于電堆阻抗較?。▎纹姵卣＿\(yùn)行條件下的歐姆內(nèi)阻在1～2mΩ），電堆反饋的交流電壓信號(hào)幅值也會(huì)很小。為避免交流電壓湮沒在直流電壓中，保證交流信號(hào)的精確測(cè)量，硬件電路借助多級(jí)濾波及放大電路，通過穩(wěn)定電路避免信號(hào)失真，軟件增加冗余計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量交流電壓。

②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障狀態(tài)

燃料電池故障診斷通常借助CVM或其它傳感器信號(hào)檢測(cè)當(dāng)前是否處于故障狀態(tài)，但無法確定處于何種故障狀態(tài)（如水淹、膜干、空氣不足等）。該技術(shù)借助EIS(電化學(xué)阻抗譜),可在不影響燃料電池運(yùn)行狀態(tài)的條件下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其健康狀態(tài)，判斷是否處于故障狀態(tài)。

基于EIS數(shù)據(jù)不僅可檢測(cè)到燃料電池處于何種故障狀態(tài)，且可對(duì)具體故障狀態(tài)的成因進(jìn)行分析，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法可確定當(dāng)前故障狀態(tài)由哪種參數(shù)（如溫度、濕度、空氣計(jì)量比）不合理造成。

③ 快速優(yōu)化控制策略調(diào)整

若處于故障狀態(tài)，系統(tǒng)控制器可根據(jù)規(guī)律及時(shí)調(diào)整當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)控制策略，避免出現(xiàn)燃料電池在含水量過多或過少的條件下運(yùn)行，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如下圖所示：

圖2 燃料電池故障診斷系統(tǒng)工作流程圖

借助此技術(shù)，系統(tǒng)可形成一套完整的反饋機(jī)制，避免了燃料電池在極端狀況下持續(xù)運(yùn)行而造成的加速老化,使系統(tǒng)高效平穩(wěn)地運(yùn)行。

全面提升產(chǎn)品綜合性能

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3

① 提高燃料電池耐久性，延長(zhǎng)使用壽命

燃料電池作為清潔、無污染、高效的發(fā)電裝置，受到全球范圍的高度重視。對(duì)于燃料電池系統(tǒng)來說，提高其耐久性和可靠性是影響其商用化的關(guān)鍵。燃料電池的設(shè)計(jì)安裝、運(yùn)行條件（氫氣純度、反應(yīng)物不足、低溫等）均會(huì)影響其使用性能，燃料電池常見的故障類型中，水管理問題占比52%（水淹占比33%，過干占比19%），老化問題占比12%，反應(yīng)物泄露占比9%。燃料電池的水管理對(duì)提高其使用性能及延長(zhǎng)其使用壽命非常關(guān)鍵，質(zhì)子交換膜的濕度可增強(qiáng)質(zhì)子電導(dǎo)率，過多的水含量則會(huì)阻塞催化劑層和氣體擴(kuò)散層的氣孔，影響氣體的反應(yīng)。燃料電池長(zhǎng)期處于極端條件下進(jìn)行，也會(huì)影響其使用壽命。因此，對(duì)燃料電池的健康狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)非常必要。

圖3 燃料電池的故障類型

②提高系統(tǒng)運(yùn)行效率

受限于多種因素，燃料電池內(nèi)部無法安裝大量傳感器，系統(tǒng)無法對(duì)燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)有較為全面的了解。如系統(tǒng)在傾斜狀態(tài)下，電堆進(jìn)出口容易出現(xiàn)局部疏水困難的情況，但是進(jìn)出口監(jiān)測(cè)的是整體壓力變化，局部干燥局部水淹難以識(shí)別。NODS基于EIS原理、正確的故障診斷方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)處于極端環(huán)境下運(yùn)行的燃料電池，以及合理高效的應(yīng)對(duì)策略，不斷調(diào)整燃料電池的運(yùn)行參數(shù)，直到故障狀態(tài)解除，使電堆處于最佳條件下運(yùn)行。通過避免燃料電池在極端條件下運(yùn)行，可以提高其使用性能，系統(tǒng)運(yùn)行效率。

③提高低溫冷啟動(dòng)成功率

低溫冷啟動(dòng)是燃料電池汽車冬季運(yùn)行的最大挑戰(zhàn)，也是目前燃料電池行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)與難題。目前，廣泛應(yīng)用的低溫關(guān)機(jī)策略是通過設(shè)定關(guān)機(jī)吹掃時(shí)間，到達(dá)預(yù)訂時(shí)間則停止吹掃。該方法忽略了關(guān)機(jī)前電堆的運(yùn)行狀況等變量的影響，可能造成吹掃不充分或過度吹掃。NODS借助可以反映MEA含水量的高頻阻抗，制定不同溫度下的關(guān)機(jī)吹掃策略，能夠有效預(yù)防低溫下停機(jī)后質(zhì)子交換膜因殘余水分凍結(jié)而導(dǎo)致的電堆性能下降，同時(shí)增加低溫冷啟動(dòng)成功率。目前該技術(shù)已成功應(yīng)用于未勢(shì)能源燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了-30℃高寒環(huán)境下電堆無損冷啟動(dòng)，保證續(xù)航里程的穩(wěn)定輸出，有效提高電堆使用壽命。

4

賦能多元化應(yīng)用場(chǎng)景

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①已成功應(yīng)用于乘用車、商用車等多種車型

目前，搭載NODS技術(shù)的冬標(biāo)測(cè)試車輛已實(shí)現(xiàn)-30℃冷啟動(dòng)成功率100%，具有低溫性能可靠性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已搭載乘用車、商用車等多種車型，可移植到船舶、航天等多種領(lǐng)域。該技術(shù)的成功應(yīng)用，可以有效解決寒冷地區(qū)燃料電池汽車?yán)錃饫щy及里程焦慮問題。

②可應(yīng)用于現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)構(gòu)件中且優(yōu)化系統(tǒng)硬件空間

不同于CVM(電壓巡檢儀)需要檢測(cè)每片電堆電壓，NODS只需要檢測(cè)整堆電流及電壓，系統(tǒng)中的線束可由幾百根減為兩根。該技術(shù)集成度高，不受功率及體積限制，可輕松應(yīng)用于不同的燃料電池系統(tǒng)構(gòu)件中。隨著該技術(shù)的優(yōu)化，還可逐步減少燃料電池系統(tǒng)中溫度、壓力或濕度傳感器的數(shù)量，大大減少系統(tǒng)中硬件的使用數(shù)量，方便系統(tǒng)空間布置。

③可應(yīng)用于多種類型的燃料電池

該技術(shù)不僅可應(yīng)用于不同功率級(jí)別的PEMFC（質(zhì)子交換膜燃料電池），也可應(yīng)用于SOFC(固體氧化物燃料電池)等多種燃料電池。EIS是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的電化學(xué)技術(shù)，不同燃料電池或者動(dòng)力電池均可應(yīng)用，借助該技術(shù)的硬件及軟件平臺(tái)，不僅可實(shí)現(xiàn)多種類型燃料電池的EIS檢測(cè)，同時(shí)可對(duì)健康狀態(tài)進(jìn)行在線診斷分析。

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