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1　目標和概述

由于能源需求的日益增長(cháng)，化石燃料的消耗與CO2排放總量快速上升，“清潔、低碳、安全、高效”的能源變革已是大勢所趨。而氫是一種潔凈的二次能源載體，能方便地轉換成電和熱，既可為燃料電池提供氫源，也可綠色轉化為液體燃料，從而有可能實(shí)現由化石能源順利過(guò)渡到可再生能源的可持續循環(huán)，催生可持續發(fā)展的氫能經(jīng)濟。發(fā)展氫能是全球實(shí)現新能源革命、構建碳中和社會(huì )的必然選擇。氫燃料電池已被明確作為全球能源可持續發(fā)展的重要技術(shù)路徑。2020年年底，我國累計銷(xiāo)售氫能汽車(chē)7352輛，建成加氫站127座。2020年9月，五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展燃料電池汽車(chē)示范應用的通知》，各地相關(guān)支持政策也相繼出臺，氫能汽車(chē)產(chǎn)業(yè)迎來(lái)空前發(fā)展機遇。

本方案通過(guò)設計分布式燃料電池能源管理系統，采用智能控制、數據驅動(dòng)、多傳感器融合等技術(shù)，設計模塊化多參數協(xié)同控制策略，實(shí)現燃料電池系統的高精度管控和故障診斷，有效提升管控系統的性能，解決燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統的能源管理問(wèn)題，在系統架構設計、控制算法設計、系統管理策略開(kāi)發(fā)等方面具有較高的創(chuàng )新水平。方案能夠顯著(zhù)增強燃料電池系統在新能源汽車(chē)核心零部件產(chǎn)業(yè)鏈上的競爭優(yōu)勢，提高了新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈的集群制造配套能力，推動(dòng)新能源技術(shù)和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展。

2　方案詳細介紹

2.1　解決方案的系統架構

2.1.1　總體架構（如圖1所示）

圖1 總體架構圖

燃料電池管理系統主芯片選用恩智浦32位芯片。數據輸入模塊主要接收從多個(gè)傳感器獲得的電力學(xué)信息和從CAN通訊獲得的信息，并將其轉化和處理為管理模塊和控制模塊能夠理解和處理的數據類(lèi)型；數據輸出模塊主要將經(jīng)管理模塊和控制模塊處理后的數據依據通訊協(xié)議實(shí)現將部分傳感器、繼電器、故障、性能信息向VCU/EMS發(fā)送。

2.1.2　應用層架構

系統的應用層主要以底層數據為依托，負責系統控制算法的完成與實(shí)現，保障燃料電池系統的安全高效運行。需要設計的應用層需要完成四個(gè)模塊的功能要求：數據處理模塊、管理模塊、控制模塊和CAN數據打包模塊。其中，管理模塊包括系統診斷、狀態(tài)調度和故障診斷；控制模塊主要包括空氣系統控制、氫氣系統控制和水熱管理。應用層的總體框圖如圖2所示。

圖2 軟件架構圖

2.2　硬件平臺

2.2.1　硬件各零部件原理與選型

（1）電源管理模塊

FCU由蓄電池取電，電壓為24V左右，主控制器中的大部分器件都是5V供電，數字核心的某些引腳需要使用3.3V供電，用于模擬量輸入的運算放大器需要使用15V供電，PWM輸出電路芯片需要15V供電。因此在電源模塊電路設計的過(guò)程中，需要配合對應的濾波電路，設計15V、5V和3.3V的電壓輸出端口。

（2）MOS驅動(dòng)模塊

本項目執行器的開(kāi)關(guān)量包括兩個(gè)方面：一是電磁開(kāi)關(guān)閥、風(fēng)扇、加熱器、泵等12V或24V開(kāi)關(guān)量控制，二是空壓機、比例閥、節氣門(mén)等上電信號的5V開(kāi)關(guān)量控制。對高壓MOSFET驅動(dòng)，FD2203系列產(chǎn)品適用于電機驅動(dòng)、半橋/全橋轉換器、雙端正激轉換器等多種不同應用領(lǐng)域，具有欠壓保護、使能及死區保護等功能。對比傳統的HVIC產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品柵極驅動(dòng)能力更強，有助于降低系統的開(kāi)關(guān)損耗，減小系統發(fā)熱量，提升系統效率。

（3）PWM驅動(dòng)模塊

本項目包括6路PWM輸出：氫氣電磁閥比例控制、空壓機調速控制、節氣門(mén)開(kāi)度控制、風(fēng)扇調速控制、冷卻水泵調速控制和加濕水泵調速控制。采用英飛凌BTS724R和BTS824R，該器件是英飛凌針對汽車(chē)應用推出的功率開(kāi)關(guān)，一般用于汽車(chē)電子市場(chǎng)。BTS824R與BTS724R參數一致可以替換使用。

（4）模擬量采集模塊

本項目包括10路壓力信號、3路濕度信號、1路流量信號、1路電壓信號、2路閥門(mén)位置信號、4路氫氣濃度信號、1路電導率信號、1路液位信號、8路溫度信號。LMV358是最具成本效益的解決方案，適用于需要低壓操作、節省空間和低成本的應用。這些放大器是專(zhuān)門(mén)為低電壓（2.7V～5V）操作而設計的，性能指標符合或超過(guò)5V～30V工作的LM358和LM324設備。由于封裝尺寸僅為DBV（SOT-23）封裝的一半，這些器件可用于各種應用場(chǎng)合。

（5）總線(xiàn)CAN通訊模塊

本項目包括3路CAN通信，分別用于與整車(chē)、BOP、CVM等進(jìn)行通信。CAN收發(fā)器TJA1040，完全符合ISO 11898標準（支持高速CAN和低速CAN），速度高達1Mb，電磁輻射非常低，差動(dòng)接收器具有較寬的共模范圍可抗電磁干擾，并在汽車(chē)的瞬態(tài)環(huán)境下對總線(xiàn)引腳進(jìn)行保護。

2.2.2　電氣系統傳感器部件原理與選型

由于電氣部分中傳感器和管理系統緊密相關(guān)，其中連接線(xiàn)束、引腳配置需要和傳感器設置一致。因此將輔助系統中傳感器部分放在這里介紹。

（1）壓力傳感器

壓力傳感器用于檢測氫氣、空氣、冷卻液系統和尾排出口的壓力。在本燃料電池管理系統設計方案對應的燃料電池輔助系統中，需要配置11個(gè)壓力傳感器。

根據燃料電池輔助系統設計結果，壓力安全范圍在0~10bar。按FMS設計精度，壓力傳感器誤差需要小于0.5%。輸出信號為0~5V電壓/0~20mA電流。經(jīng)過(guò)調研選用威卡（WIKA）E10/11防爆型壓力變送器。

（2）溫度傳感器

溫度傳感器測量氫氣、氮氣、空氣、液冷系統以及尾氣排放的溫度。熱電阻傳感器和熱電偶等溫度變送器可將各種傳感器的輸入信號轉換為標準輸出信號（如0～10V或4～20mA），某些情況下還能轉換來(lái)自電位計的信號。通過(guò)數字化溫度變送器，用戶(hù)能自行配置傳感器的類(lèi)型、量程以及許多其它選項，如誤差信號通知或測量點(diǎn)識別等。

溫度傳感器用于監測加熱、通風(fēng)空調系統中氣態(tài)介質(zhì)的相對濕度和溫度（如位于進(jìn)氣和排氣管道中）。帶有數值鎖定功能，用于控制及指示系統。自帶安裝法蘭，可以直接安裝于被測通道中。根據燃料電池輔助系統設計結果，溫度范圍-20~+80℃。按FMS設計精度，溫度傳感器誤差需要小于1℃。輸出信號為0~10V電壓/0~20mA電流。經(jīng)過(guò)調研選用A2G-70風(fēng)管溫度傳感器和TFT35螺紋連接型溫度計，其功能同時(shí)可以測量溫度和濕度。

（3）流量傳感器

燃料電池管理系統設計方案對應的燃料電池輔助系統中，需要配置2個(gè)溫度傳感器，熱式質(zhì)量流量計/控制器的核心是傳感器，由帶有電阻溫度計元件的不銹鋼毛細管組成。一部分氣體流量流經(jīng)這一旁路傳感器，并由加熱元件加熱，從而測得T1和T2之間的溫差。此溫差與通過(guò)傳感器的質(zhì)量流量直接成正比關(guān)系。

根據燃料電池輔助系統設計結果，流量范圍在300SLPM以?xún)?。按FMS設計精度，流量傳感器誤差需要在±1%FS以?xún)?。輸出信號?~10V電壓/0~20mA電流。經(jīng)過(guò)調研選用F-112AC質(zhì)量流量計：EL-FLOW? Select系列產(chǎn)品配備數字化電路板，具有高精度、優(yōu)異的溫度穩定性和快速響應（設定時(shí)間t98可低至500msec）特性。數字化電路板包含流量測量和控制所需的所有功能。EL-FLOW? Select采用標準RS232輸出信號，同時(shí)還可提供模擬I/O信號。此外，集成化電路板還提供DeviceNet?、CANopen?、PROFIBUS DP、Modbus、FLOWBUS、EtherCAT?、PROFINET、Modbus/TCP及EtherNet/IP協(xié)議。

（4）氫濃度傳感器

氫濃度檢測器用于檢測測試發(fā)動(dòng)機空間內氫氣是否存在泄漏，根據燃料電池輔助系統設計方案，在發(fā)動(dòng)機內部需要布置4個(gè)氫氣濃度傳感器。本方案擬采用日本FIS公司的FH2-HY05氫氣檢測模塊。此產(chǎn)品為豐田Mirai的氫氣泄漏的檢測裝置，并可以向國內供貨。HY05和06模塊采用CAN通信，并且功耗較低，工作溫度范圍滿(mǎn)足燃料電池發(fā)動(dòng)機設計需求。

2.2.3　軟件平臺各功能模塊與輸入輸出

燃料電池發(fā)動(dòng)機系統的應用層核心模塊為管理模塊和控制模塊。管理模塊主要對燃料電池發(fā)電機系統當前的狀態(tài)進(jìn)行判斷和管理；需要完成系統性能計算和分析、狀態(tài)判斷和調度、故障診斷等功能?？刂颇K主要通過(guò)對燃料電池系統各輔助子系統的控制，調節燃料電池的工作行為，使之完成預期的目標。燃料電池發(fā)動(dòng)機系統的控制程序可以在Matlab/Simulink中編寫(xiě)，然后通過(guò)自動(dòng)代碼生成技術(shù)下載到單片機中，以一定周期運行。

（1）管理模塊

性能分析模塊：主要根據系統當前的狀態(tài)和各種傳感器信息，計算系統當前的各種性能指標，如氫耗量、輸出功率、效率等，并將其作為后續其他模塊的已知信息，從而使其能夠更快更有效地對燃料電池系統進(jìn)行管控。在狀態(tài)調度模塊中，程序需要判斷系統當前的工作狀態(tài)，并根據一定的工作流程完成不同狀態(tài)間的切換。燃料電池工作狀態(tài)確定后，對燃料電池發(fā)動(dòng)機的正常工作流程進(jìn)行設計：

默認系統狀態(tài)為停機狀態(tài)。當收到整車(chē)控制器的開(kāi)機信號后，進(jìn)入啟動(dòng)階段；在該階段，需要檢測繼電器狀態(tài)，當繼電器上電完成后，對系統進(jìn)行冷啟動(dòng)控制使系統溫度達到設定值附近，完成后先啟動(dòng)氫氣路對電堆系統進(jìn)行吹掃，并開(kāi)啟相關(guān)供氣閥門(mén)使系統供氣達到穩定。當到達預先設定的目標后進(jìn)入正常工作狀態(tài)；閉合相關(guān)開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)管控算法，依據傳感器信息和CAN通訊信息對執行器進(jìn)行協(xié)同管控，保障系統的高效可靠運行。當整車(chē)控制器發(fā)出停機命令后，系統進(jìn)入停機，完成相關(guān)操作后回到停車(chē)狀態(tài)。如果燃料電池發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)不成功，或者在正常工作狀態(tài)中出現嚴重故障，系統將進(jìn)入停機階段，隨后進(jìn)入故障停車(chē)狀態(tài)；此時(shí)，系統將不會(huì )跳轉到其他任何狀態(tài)，只能待相關(guān)人員排除故障后，重新接通電源，方可重新啟動(dòng)。

故障診斷模塊：在燃料電池發(fā)動(dòng)機的運行過(guò)程中，不可避免地會(huì )發(fā)生一些故障，為了在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行容錯控制，并讓現場(chǎng)操作人員及時(shí)發(fā)現、定位和排除故障，設計了故障診斷模塊；即通過(guò)對傳感器信息和電堆電壓、單體電壓等信息進(jìn)行分析和判斷，診斷燃料電池系統發(fā)生故障的位置及嚴重程度。按照故障發(fā)生的位置，可以將故障類(lèi)型分為4類(lèi)：氫氣系統故障、空氣系統故障、水熱系統故障、電氣性能故障等。同時(shí)判斷故障的嚴重程度，可以將其分成三個(gè)等級，等級1為最高等級，等級2次之，等級3為最低等級。對于較嚴重的故障進(jìn)行停機檢查，不嚴重的故障在具體的執行器控制策略中進(jìn)行處理和修復。若燃料電池發(fā)生嚴重故障導致故障停機，故障診斷模塊輸出的故障碼將保持導致系統故障關(guān)機的狀態(tài)碼。

（2）控制模塊空氣系統控制

空氣系統是燃料電池系統中的重要組成部分，其流量——壓力特性及與電堆的匹配對系統性能至關(guān)重要。增加空氣體積流量和壓力可以增大氧氣分壓，提高陰極化學(xué)計量比，從而減小燃料電池反應極化和濃差極化，在同樣的電流密度下提高燃料電池工作電壓，提高電堆功率，但同時(shí)也會(huì )增加空氣系統的附件功率消耗。

空氣系統控制模塊主要需要對空壓機、節氣門(mén)進(jìn)行控制?？諝饨?jīng)過(guò)空壓機壓縮泵入空氣管路，流經(jīng)膜增濕器后濕度提高，進(jìn)入電堆陰極參與反應。電堆陰極排出的氣體先經(jīng)過(guò)分水器分水，然后通過(guò)節氣門(mén)排入大氣。節氣門(mén)的作用是控制竹壓，實(shí)際運行中通過(guò)協(xié)同控制空壓機的轉速和節氣門(mén)的開(kāi)度，使陰極空氣流量和空氣壓力達到目標值。

· 空壓機控制

空壓機控制是通過(guò)控制空壓機的電壓調節陰極側空氣流量，以提供足夠的氧氣用于電堆電化學(xué)反應?？諌簷C需要與電堆相匹配，而空壓機的特性一般以轉速—流量—出口壓力的MAP圖來(lái)表示?？諌簷C開(kāi)關(guān)機信號可以通過(guò)邏輯判斷獲得，正常工作過(guò)程中，依據負載情況動(dòng)態(tài)控制空壓機電壓，保持實(shí)際OER值與設定值在一定誤差范圍內，避免氧饑餓現象的發(fā)生。

· 節氣門(mén)控制

節氣門(mén)用于背壓控制，通過(guò)調節節氣門(mén)開(kāi)度控制陰極內部壓力使其達到目標壓力。電堆壓力對節氣門(mén)開(kāi)度的變化非常敏感，在喘振線(xiàn)附近，節氣門(mén)微小的角度變化就可能造成空壓機喘振。

· 氫氣系統控制

氫氣供給控制系統用于提供合適的陽(yáng)極壓力與氫氣流量。燃料電池陽(yáng)極從設計構型上可以分為氫氣再循環(huán)式和盲端陽(yáng)極式，針對不同設計構型需要采用特定的控制方法。采用氫氣再循環(huán)式的燃料電池陽(yáng)極需要對氫氣的質(zhì)量流量、氫氣壓力、氫氣尾排進(jìn)行協(xié)同控制，而采用盲端陽(yáng)極式的燃料電池陽(yáng)極只需維持氫氣壓力恒定，控制重點(diǎn)在針對氫氣利用率、工作壽命等目標優(yōu)化的尾排控制上。

· 水熱管理系統

質(zhì)子交換膜的濕度水平和電堆溫度對電堆的工作性能都有較大影響，因此，需要設計水熱管理系統對其進(jìn)行管控，避免質(zhì)子交換膜膜干或水淹現象、電堆溫度不適宜等現象的出現。水熱管理系統主要對入堆空氣的濕度和出/入電堆的溫度進(jìn)行控制，主要是對加濕水泵和冷卻液流量進(jìn)行控制。

· 增濕控制

主要對增濕水泵進(jìn)行控制，在電堆正常運行中，增濕水泵打開(kāi)，加熱器使能。膜增濕器的增濕效果與流過(guò)膜增濕器的空氣流量以及膜增濕器的水溫有關(guān)。流量越大，增濕效果越差，膜增濕器出口空氣相對濕度越低；水溫越高，增濕效果越好，膜增濕器出口空氣相對濕度越高。

系統在工作狀態(tài)時(shí)，加濕水泵開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，其余狀態(tài)關(guān)閉。對水泵轉速的控制只在電堆正常工作中進(jìn)行，通過(guò)控制輸出PWM波占空比進(jìn)行控制?？梢愿鶕y得的當前空氣流量和設定的RH值，通過(guò)物質(zhì)守恒定律計算出加濕器所需的加濕量，根據查找表獲取當前需要控制的PWM波占空比。

· 冷卻系統控制

燃料電池運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的熱，這些熱量若不能及時(shí)排出，則會(huì )造成系統溫度過(guò)高，影響膜的性能，有可能造成膜脫水等情況。因此高效可靠的溫度控制策略對燃料電池的安全運行至關(guān)重要。TMSU模塊主要對旁路閥和冷卻水泵進(jìn)行控制。在冷卻系統中，采用等離子水對電堆系統進(jìn)行冷卻；使用后的等離子水溫度升高，采用風(fēng)扇對其進(jìn)行冷卻處理。

水泵的轉速用于控制冷卻液出堆水溫在合適范圍內，旁路閥的開(kāi)度用于控制入堆冷卻水水溫在合適范圍內。系統在溫度較低時(shí)，水泵PWM與旁路閥開(kāi)度可以采取設定值控制。當系統處在正常工作狀態(tài)，電堆溫度正常，可以設計一定的控制策略控制出入堆的溫度值在設定值附近。

3　代表性及推廣價(jià)值

隨著(zhù)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化，燃料電池管理系統作為其核心部件，能夠為燃料電池汽車(chē)提供安全和效率保障，然而當下燃料電池管理系統在安全保障上存在很大的提升空間，本方案的實(shí)施能夠攻克燃料電池核心技術(shù)難點(diǎn)。推進(jìn)燃料電池車(chē)商業(yè)化進(jìn)程，具有廣闊的應用前景。方案實(shí)施后，計劃實(shí)現年產(chǎn)燃料電池發(fā)動(dòng)機5000臺，燃料電池管理系統2萬(wàn)臺，形成研、產(chǎn)、銷(xiāo)一體化。項目達產(chǎn)年可實(shí)現年銷(xiāo)售收入10.8億元，利稅5000多萬(wàn)元，稅后利潤3億元。

在未來(lái)的兩到三年中，本方案將加大科研創(chuàng )新速度和科技成果轉化力度，將理論優(yōu)勢、技術(shù)優(yōu)勢轉化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，形成一套燃料電池汽車(chē)動(dòng)力裝置管理和控制解決方案，推動(dòng)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵零部件的研發(fā)和市場(chǎng)化推廣，帶動(dòng)上游制氫、加氫、儲氫以及下游銷(xiāo)售、服務(wù)、維修等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。一方面培育的新興的燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)可以穩定增加城市就業(yè)人口，另一方面零排放的燃料電池汽車(chē)可以緩解城市污染，增加宜居程度。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年5月刊