導 語

燃料電池系統作為燃料電池汽車的“動力心髒”，具有能量密度高、動力性能強、排放零污染等性能優勢，已被廣泛應用于交通、船舶、熱電聯供及備用電源等領域。

電堆作為燃料電池系統的核心部件，維系着整個燃料電池系統的能量輸出過程，在實際運行過程中，受不同工況環境因素影響，易發生水淹、膜幹等故障狀态，進而影響燃料電池系統的工作性能，甚至縮短使用壽命。因此，對燃料電池的健康狀态進行實時監控，精準識别已有或潛在故障風險，是非常必要的，也是保障燃料電池汽車安全、穩定運行，不可或缺的重要技術手段之一。

未勢能源燃料電池系統開發團隊，針對燃料電池技術痛點難題，自主開發新型燃料電池健康狀态在線診斷系統——“諾德醫生（NODS）”，通過AI智能診斷技術，準确識别水淹和膜幹故障狀态及産生機理，真正實現在線快速診斷“疑難雜症”，讓燃料電池的在線水管理變得不再神秘。

諾德醫生（NODS）系統基于電化學阻抗譜（EIS）原理，就像心電檢測儀一樣，通過内核系統軟硬件管理資源，搭建故障診斷模型，通過監測電堆工作時的一系列關鍵數據，及時診斷、分析，并提取故障特征信号，根據故障狀态（如水淹、膜幹等）快速響應，調整控制策略及系統運行參數（如空氣計量比、溫度、濕度等），從而避免電堆故障的發生，最大限度确保系統穩定運行，實現全生命周期管理體系閉環控制。

同時，基于阻抗數據制定不同溫度下的關機吹掃策略，最低可實現-30℃電堆無損冷啟動，可以在各種複雜環境下提高系統的使用效率及壽命 。

颠覆性的技術創新

FTXT / 諾德醫生— NODS

①實驗室檢測技術實現“車載化”

實驗室EIS測試借助昂貴笨重的電化學工作站向燃料電池施加交流電流/電壓信号。該技術通過DCDC向燃料電池施加正弦交流擾動信号，信号采集硬件及數據處理軟件模型均可集成到DCDC中，将原本隻限于實驗室的測量手段轉化為一項可以車載應用的技術方法。

② EIS特征頻率，實現測量精準化、常态化

實驗室測試EIS需要施加幾千到零點幾赫茲頻率的交流信号到電堆以獲得完整的阻抗譜進行分析,整個過程持續十幾分鐘到半小時不等。該技術基于燃料電池在不同工況下運行的大量EIS實驗數據，提取特征交流頻率，最終将需要施加的頻率個數縮小到十個頻點以内，将獲得可用于判斷健康狀态EIS數據的時間縮短到幾秒之内。

如圖1所示，灰色曲線為通過實驗室設備獲得的電堆EIS數據，綠色曲線為使用幾個特征頻率獲得的EIS數據。通過施加特征頻率的交流信号獲得分析燃料電池EIS數據，大大縮短了檢測時間。

實驗數據阻抗譜Vs特征頻率獲得的阻抗譜

③故障診斷更為高效、便捷

人工智能、神經網絡等在其他領域應用廣泛，但在燃料電池領域應用有限。燃料電池是一個集電能、化學能、熱能為一體的複雜系統，該技術将燃料電池阻抗譜數據與模糊邏輯、神經網絡等算法相結合，避免了因對燃料電池的專業知識了解不足造成故障診斷分析錯誤。使用模糊邏輯等無監督式數據學習方法進行聚類分析，根據聚類分析結果可獲得燃料電池不同運行狀态下的輸入參數範圍。借助聚類分析結果，結合故障樹等診斷方法，形成一套精确高效的故障診斷機制，實現對燃料電池運行狀态的準确判斷。

實現核心技術下沉

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① 微小交流信号實現精确測量

DCDC通過采集施加的交流電流信号及電堆兩端的電壓信号，計算不同頻率的阻抗數據。為保證電堆的正常運行，交流信号幅值不能過大，一般控制在電堆輸出電流的8%以下，且由于電堆阻抗較小（單片電池正常運行條件下的歐姆内阻在1～2mΩ），電堆反饋的交流電壓信号幅值也會很小。為避免交流電壓湮沒在直流電壓中，保證交流信号的精确測量，硬件電路借助多級濾波及放大電路，通過穩定電路避免信号失真，軟件增加冗餘計算，最終實現高精度測量交流電壓。

②實時監測故障狀态

燃料電池故障診斷通常借助CVM或其它傳感器信号檢測當前是否處于故障狀态，但無法确定處于何種故障狀态（如水淹、膜幹、空氣不足等）。該技術借助EIS(電化學阻抗譜),可在不影響燃料電池運行狀态的條件下，實時監測其健康狀态，判斷是否處于故障狀态。

基于EIS數據不僅可檢測到燃料電池處于何種故障狀态，且可對具體故障狀态的成因進行分析，借助神經網絡等算法可确定當前故障狀态由哪種參數（如溫度、濕度、空氣計量比）不合理造成。

③ 快速優化控制策略調整

若處于故障狀态，系統控制器可根據規律及時調整當前運行參數，實時優化系統控制策略，避免出現燃料電池在含水量過多或過少的條件下運行，保證系統高效運行。

整個系統運行流程圖如下圖所示：

燃料電池故障診斷系統工作流程圖

借助此技術，系統可形成一套完整的反饋機制，避免了燃料電池在極端狀況下持續運行而造成的加速老化,使系統高效平穩地運行。

全面提升産品綜合性能

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① 提高燃料電池耐久性，延長使用壽命

燃料電池作為清潔、無污染、高效的發電裝置，受到全球範圍的高度重視。對于燃料電池系統來說，提高其耐久性和可靠性是影響其商用化的關鍵。燃料電池的設計安裝、運行條件（氫氣純度、反應物不足、低溫等）均會影響其使用性能，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%，過幹占比19%），老化問題占比12%，反應物洩露占比9%。燃料電池的水管理對提高其使用性能及延長其使用壽命非常關鍵，質子交換膜的濕度可增強質子電導率，過多的水含量則會阻塞催化劑層和氣體擴散層的氣孔，影響氣體的反應。燃料電池長期處于極端條件下進行，也會影響其使用壽命。因此，對燃料電池的健康狀态進行檢測非常必要。

燃料電池的故障類型

②提高系統運行效率

受限于多種因素，燃料電池内部無法安裝大量傳感器，系統無法對燃料電池的運行狀态有較為全面的了解。如系統在傾斜狀态下，電堆進出口容易出現局部疏水困難的情況，但是進出口監測的是整體壓力變化，局部幹燥局部水淹難以識别。NODS基于EIS原理、正确的故障診斷方法及時發現處于極端環境下運行的燃料電池，以及合理高效的應對策略，不斷調整燃料電池的運行參數，直到故障狀态解除，使電堆處于最佳條件下運行。通過避免燃料電池在極端條件下運行，可以提高其使用性能，系統運行效率。

③提高低溫冷啟動成功率

低溫冷啟動是燃料電池汽車冬季運行的最大挑戰，也是目前燃料電池行業的關鍵技術與難題。目前，廣泛應用的低溫關機策略是通過設定關機吹掃時間，到達預訂時間則停止吹掃。該方法忽略了關機前電堆的運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機吹掃策略，能夠有效預防低溫下停機後質子交換膜因殘餘水分凍結而導緻的電堆性能下降，同時增加低溫冷啟動成功率。目前該技術已成功應用于未勢能源燃料電池發動機，實現了-30℃高寒環境下電堆無損冷啟動，保證續航裡程的穩定輸出，有效提高電堆使用壽命。

賦能多元化應用場景

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①已成功應用于乘用車、商用車等多種車型

目前，搭載NODS技術的冬标測試車輛已實現-30℃冷啟動成功率100%，具有低溫性能可靠性高、性能穩定等優點，已搭載乘用車、商用車等多種車型，可移植到船舶、航天等多種領域。該技術的成功應用，可以有效解決寒冷地區燃料電池汽車冷氣困難及裡程焦慮問題。

②可應用于現有的燃料電池系統構件中且優化系統硬件空間

不同于CVM(電壓巡檢儀)需要檢測每片電堆電壓，NODS隻需要檢測整堆電流及電壓，系統中的線束可由幾百根減為兩根。該技術集成度高，不受功率及體積限制，可輕松應用于不同的燃料電池系統構件中。随着該技術的優化，還可逐步減少燃料電池系統中溫度、壓力或濕度傳感器的數量，大大減少系統中硬件的使用數量，方便系統空間布置。

③可應用于多種類型的燃料電池

該技術不僅可應用于不同功率級别的PEMFC（質子交換膜燃料電池），也可應用于SOFC(固體氧化物燃料電池)等多種燃料電池。EIS是一項廣泛應用的電化學技術，不同燃料電池或者動力電池均可應用，借助該技術的硬件及軟件平台，不僅可實現多種類型燃料電池的EIS檢測，同時可對健康狀态進行在線診斷分析。

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