【摘 要】
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质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）作为一种可再生、无污染的新能源发电技术,得到了国内外广泛研究与应用。PEMFC健康状态（State of Health,SOH）检测是电池故障诊断的重要基础,包括了电堆的电极水淹、膜脱水、催化剂中毒、氧饥饿等诸多不良状态。针对PEMFC运作过程中水淹和膜脱水问题,电化学阻抗谱法（Electroch
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2017YFB0903503）270kW高能量效率液流电池储能模块； 中央基本业务经费项目（PA2018GDQT0021）；
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质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）作为一种可再生、无污染的新能源发电技术,得到了国内外广泛研究与应用。PEMFC健康状态（State of Health,SOH）检测是电池故障诊断的重要基础,包括了电堆的电极水淹、膜脱水、催化剂中毒、氧饥饿等诸多不良状态。针对PEMFC运作过程中水淹和膜脱水问题,电化学阻抗谱法（Electrochemical impedance spectroscopy,EIS）是一种重要的间接表征方案。离线EIS方法需要电子负载等昂贵测试设备,完整的一次测试所消耗时间较长。为了便捷、低成本的实现精度良好的PEMFC在线EIS测试,论文将EIS方法集成于PEMFC系统的变换器控制环节,实现较宽频率范围的EIS测试,设计了一种二进制测试信号组进行激励注入。论文将从测试信号设计、激励注入策略、系统模型构建、实验设计与验证四个方面展开研究,主要研究工作和创新如下:（1）研究了电堆EIS测试激励信号,采用了一种含有丰富频率和良好谱线强度的激励信号——伪随机二进制序列（Pseudo-Random Binary Sequence,PRBS）设计了测试信号组,能够应用于快速的宽频率EIS测试。（2）针对PEMFC系统在线电堆EIS测试要求,设计了集成EIS扰动测试的DC/DC变换器,通过将激励信号施加于DC/DC变换器的环路控制信号上,在直流电压功率变换的同时,实现电堆的宽频带EIS激励和测量。为结合不同应用拓扑结构的EIS测试方法设计做了基础性铺垫。（3）基于MATLAB/Simulink软件进行了系统建模,对于实验系统的基本结构和测试策略进行了仿真。对论文EIS测试策略在负载波动状态进行了实验分析,证明了一定的抗干扰性;对电堆膜干和水淹状态进行了仿真测试;对论文设计信号与多频率正弦信号激励进行实验对比;考虑了Boost变换器输入电容对于EIS测试的影响;提出了一种端口参数辨识策略,并进行了验证。（4）基于NI燃料电池半实物实时仿真平台与DSP控制器开展了硬件在环仿真实验研究,进行了控制器程序设计,实现了EIS在线测试,获取了PEMFC电堆模型的电化学阻抗谱。利用软件对实验数据进行参数识别,证实了本方法用于电堆在线状态检测和评估的可行性,适合嵌入式设备应用,具有一定工程使用价值。
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