燃料电池系统FCCU功能详解

EDC电驱未来 2023年6月13日浏览：1608 评论：1

01/前言

氢燃料电池汽车是一种使用氢气作为燃料经由燃料电池系统产生电能驱动电动机，进而带动车辆运行的新型环保汽车。与燃油车相比较，氢燃料电池汽车具备：1.零排放：尾气排放仅为水蒸气，完全无二氧化碳和其他有害物质的排放，可以大幅降低对环境造成的危害；2.高能效：能源转换效率更高，能源利用率更加高效，单就燃料电池电堆而言效率理论值可达83%，整个燃料电池系统而言，最高效率也可以达到将近60%；与动力电池纯电动汽车相比，具有充电时间较短、长续航里程的优点，氢燃料电池汽车的续航里程平均可达到400-500公里以上，而处于全球技术领先的丰田”Mirai”二代，甚至可以实车续航测试达到1003公里。

燃料电池系统FCCU功能详解的图2

02/燃料电池系统

燃料电池，通常说的是质子交换膜燃料电池，是一种通过氢气和氧气进行氧化还原反应，将化学能转换成电能的发电装置。与一般的电池不同，燃料电池只需要提供稳定的氢气和氧气，即可连续不断的提供稳定电能。由于燃料电池的反应物是氢气和氧气，唯一生成物是水，应用在汽车上作为动力源能有效减少其它燃油车造成的环境污染问题，也因此，氢燃料汽车被认为是真正环保的新能源汽车。

燃料电池系统FCCU功能详解的图5

燃料电池工作时，阳极氢气在催化剂的作用下分解出氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜到达阴极，电子则沿着外部电路到达阴极（正极）产生电流。而在阴极，空气中的氢气与氢离子、电子反应生成水。

燃料电池系统FCCU功能详解的图6

上述过程的化学反应想要在不同期望状态稳定运行，必须依靠BOP部件运行来保持燃料电池各子系统稳定。如何通过控制上述过程是电控难点，也是燃料电池系统核心技术点之一。

03/燃料电池子系统及FCCU功能介绍

燃料电池系统可以大致划分为以下子系统，分别为：1.阴极空气子系统；负责控制提供足量氧气来满足功率需求。2.阳极氢气子系统；负责控制提供足量氢气来满足功率需求。3.水热管理子系统；负责控制燃料电池系统水热平衡。4.辅助电器子系统：除了提供所需的燃料和氧气外，还需要辅助电力来支持启动、调节温度、处理过程中的变化以及车内设备等。

辅助电力系统通常由电池、DC/DC转换器等组成。5.控制子系统：燃料电池堆的稳定运行需要精确的电子控制系统来确保各系统部件之间的相互协调和安全可靠的工作。该系统包括流量控制阀门、温度控制器、压力传感器、控制器和监测系统等。流量调节阀门用于控制氢气和空气进入燃料电池堆的速率，保持所需的功率输出。温度控制用于监测和控制燃料电池堆内部的温度，以确保在足够温度下执行反应。压力传感器用于监测各气流的压强，以确保其正常操作。

以下对燃料电池核心技术之一控制子系统进行说明。控制子系统按照功能划分，大致可以分为以下功能：

1.数据采集功能：通过使用不同的传感器，检测燃料电池系统各个子系统的实时状态，包括氢气和氧气流量、压力、燃料电池堆温度、湿度、压力、电压、电流等。传感器将这些信息反馈给控制器，以便控制器通过控制氢气、空气和冷却水的流量、压力和温度等参数，确保燃料电池堆可以始终以最佳状态运行，调节燃料电池堆或其他相关系统的工作状态；

2.状态控制功能：燃料电池系统分为初始化、待机、启动（正常启动、冷启动）、运行（怠速、运行、关机、吹扫）、关机吹扫、故障、紧急停机几种状态；检测燃料电池系统处于不同状态位，分发指令，执行对应状态位动作；

3.功率分配功能：对需求功率进行响应计算输出电流；实际运行中，请求功率与电堆输出功率之间有一定差值，该差值为满足BOP部件需求功率所需，因此请求功率等于电堆输出功率加BOP损耗功率，该功率在不同的功率点有对应要求；在特殊情况下，会对功率进行限制，如当电堆出入口温度达不到稳定运行要求时，会进行升温处理，在温度满足要求时再进行功率响应；如当触发二级故障时，也会对功率进行限制；

4.空压机转速控制功能：空压机作用为提供足量的化学计量比，即提供足量的空气质量，但空气质量不应过大，会影响系统整理效率；在怠速过程、冷启动过程、吹扫过程中，设置合理转速满足要求；同时在运行过程中，根据电堆厂家设置空气质量数来计算当下的转速，并通过闭环算法控制转速与空气质量。

5.节气门开度控制功能：空气子系统进气端，空气进入电堆的入口，可以为电堆提供燃料；并根据不同的工作状态下，调节节气门以保持适宜的流量和压力；在系统停止工作关闭时，关闭阀门，与其他阀门保证电堆的密封性。

6.背压阀开度控制功能：节气门作用为提供足量的化学计量比，即提供足量的空气质量，以及保持系统阴极流道压力；在怠速过程、冷启动过程、吹扫过程、运行过程中，根据电堆厂家设置期望流道压力来计算当下开度，设置合理开度满足要求；

7.燃料供气阀组控制功能：供气阀组可以分为比例阀门和开关阀门两部分；开关阀门主要作用是提供氢气，有打开和关闭两种状态；比例阀门主要作用为提供足量氢气，保持阳极流道内压力；在不同的状态下应使用不同控制方法以满足流道压力要求；在排气排水时，应设置一定补偿来使压力状态保持稳定。

8.氢气循环泵控制功能：主要作用为将系统阳极末端未充分利用的氢气循环至阳极入口，同时保持阳极入口与出口压力差；根据不同的状态以及不同的电流点，分别输出不同的氢气循环泵转速；在启动阶段，可以设置氢气循环泵以固定转速运行；在吹扫阶段，可根据实际情况适当提高氢气循环泵转速；

9.排泄阀门控制功能：根据电堆电流需求，在不同的电流输入情况下，进行标定不同的开启排气事件和排气周期，或根据CVM检测到单片电压不均衡状态进行快频率短时间排气；根据电堆电流需求，在温度保持在适应温度情况下，排水阀根据电流积分计算，累计积分值大于一定值，电堆生成水相对固定，打开排水阀门直至压力传感器下降设定压力后，判断当前排水完成，储液罐中水基本排尽；

10.水泵控制功能：水泵主要作用为循环燃料电池系统水路中冷却液，可以交换燃料电池电

堆中多余的热量，同时保持与阴阳极流道压力的平衡；

11.散热管理控制功能：满足系统稳定运行要求，根据电堆厂家建议设置水路出口温度，或入口温度；通过控制散热部件进行调节，使系统可以稳定运行在设置温度条件下。系统散热控制在大部分情况下主要由两个部件来进行调控，两部件分别为节温器与散热风扇，水路的散热任务应该主要交由散热风扇来进行满足，在运行过程中需要避免节温器的频繁变动，以造成节温器控制失效；

12.冷启动管理控制功能：检测环境温度或水路温度低于设定阈值时，可执行冷启动运行指令；冷启动运行前，需要对可能结冰部件进行冷启动检测，防止强行启动，造成电堆损伤；

13.开机吹扫控制功能：水路开启，水泵转速设定，检测水循环回路电堆出口温度传感器的温度，若出口冷却液温度≤30℃，节温器角度设置，设定PTC功率最大值，对电堆温度出入水温度快速升温；氢气子系统开启，启动氢气循环泵，设定转速运行，在满足阴阳极压差的基础上尽可能高；设定阳极压力，打开开关阀，控制比例阀，使得其输出压力等于设定值；并快速连续打开几次排气阀，进行排气；完成上述工作后，空气子系统开启。

14.停机吹扫控制功能：系统运行一段时间后，流道存在各种气体、电堆内部水含量可能过高，需要将阴极流道中的氧气尽可能消耗完毕，避免造成燃料电池寿命损耗；将电堆内部尽可能统一化，以便下次系统的稳定健康运行；

15.故障诊断控制功能：完成对各总线各节点在线状态诊断；完成对各节点故障状态容错处理；完成对各节点故障上报；

04/总结

燃料电池可以应用在1.交通运输：如上文所述、2.家庭能源：可以结合太阳能板、风力涡轮机等再生能源，供应家庭的电力需求、3.工业应用：可以为工业设备及军事设施等提供可靠的备用电源，以及使用固体或高温燃料电池进行热电联产。

尽管理想丰满，但是现实骨干，燃料电池系统具有许多优点，但其在实际应用中也面临着诸多挑战：1.燃料成本较高：目前，燃料电池所需的氢气成本相对较高，就客户端来说与传统燃油车相比没有任何优势；2.存储问题：氢气在一般温度和压力下是无法存储的，需要在高压、低温环境下进行贮存，这就给燃料电池出行带来了不便；3.系统脆弱性：燃料电池系统中包含了许多复杂的组件，这些组件反应敏感，极容易出现性能下降及失效；4.技术成本高：由于燃料电池技术相对成熟度较低，加之需要使用高清洁度的纯化氢气等高科技工艺, 燃料电池系统的研发、生产和维护成本均较高。

燃料电池系统直接将可再生资源转换为电能，是实现可持续发展的潜在选择之一。根据欧盟要求在2030年，到达“碳中和”的目标。针对燃料电池面临的挑战，有关部门、科研机构和企业正在积极开展技术研究和创新，燃料电池技术面对的机遇和挑战亟需政府、企业及社会各方共同携手，推动技术突破和成本降低，为未来能源可持续发展提供强力支撑。