燃料電池系統(tǒng)FCCU功能詳解

EDC電驅(qū)未來(lái)

2023年6月13日 16:23

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01/前言

氫燃料電池汽車是一種使用氫氣作為燃料經(jīng)由燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而帶動(dòng)車輛運(yùn)行的新型環(huán)保汽車。與燃油車相比較，氫燃料電池汽車具備：1.零排放：尾氣排放僅為水蒸氣，完全無(wú)二氧化碳和其他有害物質(zhì)的排放，可以大幅降低對(duì)環(huán)境造成的危害；2.高能效：能源轉(zhuǎn)換效率更高，能源利用率更加高效，單就燃料電池電堆而言效率理論值可達(dá)83%，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)而言，最高效率也可以達(dá)到將近60%；與動(dòng)力電池純電動(dòng)汽車相比，具有充電時(shí)間較短、長(zhǎng)續(xù)航里程的優(yōu)點(diǎn)，氫燃料電池汽車的續(xù)航里程平均可達(dá)到400-500公里以上，而處于全球技術(shù)領(lǐng)先的豐田”Mirai”二代，甚至可以實(shí)車?yán)m(xù)航測(cè)試達(dá)到1003公里。

燃料電池系統(tǒng)FCCU功能詳解的圖2

02/燃料電池系統(tǒng)

燃料電池，通常說(shuō)的是質(zhì)子交換膜燃料電池，是一種通過(guò)氫氣和氧氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。與一般的電池不同，燃料電池只需要提供穩(wěn)定的氫氣和氧氣，即可連續(xù)不斷的提供穩(wěn)定電能。由于燃料電池的反應(yīng)物是氫氣和氧氣，唯一生成物是水，應(yīng)用在汽車上作為動(dòng)力源能有效減少其它燃油車造成的環(huán)境污染問(wèn)題，也因此，氫燃料汽車被認(rèn)為是真正環(huán)保的新能源汽車。

燃料電池系統(tǒng)FCCU功能詳解的圖5

燃料電池工作時(shí)，陽(yáng)極氫氣在催化劑的作用下分解出氫離子和電子，氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子則沿著外部電路到達(dá)陰極（正極）產(chǎn)生電流。而在陰極，空氣中的氫氣與氫離子、電子反應(yīng)生成水。

燃料電池系統(tǒng)FCCU功能詳解的圖6

上述過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)想要在不同期望狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，必須依靠BOP部件運(yùn)行來(lái)保持燃料電池各子系統(tǒng)穩(wěn)定。如何通過(guò)控制上述過(guò)程是電控難點(diǎn)，也是燃料電池系統(tǒng)核心技術(shù)點(diǎn)之一。

03/燃料電池子系統(tǒng)及FCCU功能介紹

燃料電池系統(tǒng)可以大致劃分為以下子系統(tǒng)，分別為：1.陰極空氣子系統(tǒng)；負(fù)責(zé)控制提供足量氧氣來(lái)滿足功率需求。2.陽(yáng)極氫氣子系統(tǒng)；負(fù)責(zé)控制提供足量氫氣來(lái)滿足功率需求。3.水熱管理子系統(tǒng)；負(fù)責(zé)控制燃料電池系統(tǒng)水熱平衡。4.輔助電器子系統(tǒng)：除了提供所需的燃料和氧氣外，還需要輔助電力來(lái)支持啟動(dòng)、調(diào)節(jié)溫度、處理過(guò)程中的變化以及車內(nèi)設(shè)備等。

輔助電力系統(tǒng)通常由電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器等組成。5.控制子系統(tǒng)：燃料電池堆的穩(wěn)定運(yùn)行需要精確的電子控制系統(tǒng)來(lái)確保各系統(tǒng)部件之間的相互協(xié)調(diào)和安全可靠的工作。該系統(tǒng)包括流量控制閥門、溫度控制器、壓力傳感器、控制器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。流量調(diào)節(jié)閥門用于控制氫氣和空氣進(jìn)入燃料電池堆的速率，保持所需的功率輸出。溫度控制用于監(jiān)測(cè)和控制燃料電池堆內(nèi)部的溫度，以確保在足夠溫度下執(zhí)行反應(yīng)。壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)各氣流的壓強(qiáng)，以確保其正常操作。

以下對(duì)燃料電池核心技術(shù)之一控制子系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明。控制子系統(tǒng)按照功能劃分，大致可以分為以下功能：

1.數(shù)據(jù)采集功能：通過(guò)使用不同的傳感器，檢測(cè)燃料電池系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，包括氫氣和氧氣流量、壓力、燃料電池堆溫度、濕度、壓力、電壓、電流等。傳感器將這些信息反饋給控制器，以便控制器通過(guò)控制氫氣、空氣和冷卻水的流量、壓力和溫度等參數(shù)，確保燃料電池堆可以始終以最佳狀態(tài)運(yùn)行，調(diào)節(jié)燃料電池堆或其他相關(guān)系統(tǒng)的工作狀態(tài)；

2.狀態(tài)控制功能：燃料電池系統(tǒng)分為初始化、待機(jī)、啟動(dòng)（正常啟動(dòng)、冷啟動(dòng)）、運(yùn)行（怠速、運(yùn)行、關(guān)機(jī)、吹掃）、關(guān)機(jī)吹掃、故障、緊急停機(jī)幾種狀態(tài)；檢測(cè)燃料電池系統(tǒng)處于不同狀態(tài)位，分發(fā)指令，執(zhí)行對(duì)應(yīng)狀態(tài)位動(dòng)作；

3.功率分配功能：對(duì)需求功率進(jìn)行響應(yīng)計(jì)算輸出電流；實(shí)際運(yùn)行中，請(qǐng)求功率與電堆輸出功率之間有一定差值，該差值為滿足BOP部件需求功率所需，因此請(qǐng)求功率等于電堆輸出功率加BOP損耗功率，該功率在不同的功率點(diǎn)有對(duì)應(yīng)要求；在特殊情況下，會(huì)對(duì)功率進(jìn)行限制，如當(dāng)電堆出入口溫度達(dá)不到穩(wěn)定運(yùn)行要求時(shí)，會(huì)進(jìn)行升溫處理，在溫度滿足要求時(shí)再進(jìn)行功率響應(yīng)；如當(dāng)觸發(fā)二級(jí)故障時(shí)，也會(huì)對(duì)功率進(jìn)行限制；

4.空壓機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能：空壓機(jī)作用為提供足量的化學(xué)計(jì)量比，即提供足量的空氣質(zhì)量，但空氣質(zhì)量不應(yīng)過(guò)大，會(huì)影響系統(tǒng)整理效率；在怠速過(guò)程、冷啟動(dòng)過(guò)程、吹掃過(guò)程中，設(shè)置合理轉(zhuǎn)速滿足要求；同時(shí)在運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)電堆廠家設(shè)置空氣質(zhì)量數(shù)來(lái)計(jì)算當(dāng)下的轉(zhuǎn)速，并通過(guò)閉環(huán)算法控制轉(zhuǎn)速與空氣質(zhì)量。

5.節(jié)氣門開(kāi)度控制功能：空氣子系統(tǒng)進(jìn)氣端，空氣進(jìn)入電堆的入口，可以為電堆提供燃料；并根據(jù)不同的工作狀態(tài)下，調(diào)節(jié)節(jié)氣門以保持適宜的流量和壓力；在系統(tǒng)停止工作關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉閥門，與其他閥門保證電堆的密封性。

6.背壓閥開(kāi)度控制功能：節(jié)氣門作用為提供足量的化學(xué)計(jì)量比，即提供足量的空氣質(zhì)量，以及保持系統(tǒng)陰極流道壓力；在怠速過(guò)程、冷啟動(dòng)過(guò)程、吹掃過(guò)程、運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)電堆廠家設(shè)置期望流道壓力來(lái)計(jì)算當(dāng)下開(kāi)度，設(shè)置合理開(kāi)度滿足要求；

7.燃料供氣閥組控制功能：供氣閥組可以分為比例閥門和開(kāi)關(guān)閥門兩部分；開(kāi)關(guān)閥門主要作用是提供氫氣，有打開(kāi)和關(guān)閉兩種狀態(tài)；比例閥門主要作用為提供足量氫氣，保持陽(yáng)極流道內(nèi)壓力；在不同的狀態(tài)下應(yīng)使用不同控制方法以滿足流道壓力要求；在排氣排水時(shí)，應(yīng)設(shè)置一定補(bǔ)償來(lái)使壓力狀態(tài)保持穩(wěn)定。

8.氫氣循環(huán)泵控制功能：主要作用為將系統(tǒng)陽(yáng)極末端未充分利用的氫氣循環(huán)至陽(yáng)極入口，同時(shí)保持陽(yáng)極入口與出口壓力差；根據(jù)不同的狀態(tài)以及不同的電流點(diǎn)，分別輸出不同的氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)速；在啟動(dòng)階段，可以設(shè)置氫氣循環(huán)泵以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行；在吹掃階段，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)提高氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)速；

9.排泄閥門控制功能：根據(jù)電堆電流需求，在不同的電流輸入情況下，進(jìn)行標(biāo)定不同的開(kāi)啟排氣事件和排氣周期，或根據(jù)CVM檢測(cè)到單片電壓不均衡狀態(tài)進(jìn)行快頻率短時(shí)間排氣；根據(jù)電堆電流需求，在溫度保持在適應(yīng)溫度情況下，排水閥根據(jù)電流積分計(jì)算，累計(jì)積分值大于一定值，電堆生成水相對(duì)固定，打開(kāi)排水閥門直至壓力傳感器下降設(shè)定壓力后，判斷當(dāng)前排水完成，儲(chǔ)液罐中水基本排盡；

10.水泵控制功能：水泵主要作用為循環(huán)燃料電池系統(tǒng)水路中冷卻液，可以交換燃料電池電

堆中多余的熱量，同時(shí)保持與陰陽(yáng)極流道壓力的平衡；

11.散熱管理控制功能：滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求，根據(jù)電堆廠家建議設(shè)置水路出口溫度，或入口溫度；通過(guò)控制散熱部件進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行在設(shè)置溫度條件下。系統(tǒng)散熱控制在大部分情況下主要由兩個(gè)部件來(lái)進(jìn)行調(diào)控，兩部件分別為節(jié)溫器與散熱風(fēng)扇，水路的散熱任務(wù)應(yīng)該主要交由散熱風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行滿足，在運(yùn)行過(guò)程中需要避免節(jié)溫器的頻繁變動(dòng)，以造成節(jié)溫器控制失效；

12.冷啟動(dòng)管理控制功能：檢測(cè)環(huán)境溫度或水路溫度低于設(shè)定閾值時(shí)，可執(zhí)行冷啟動(dòng)運(yùn)行指令；冷啟動(dòng)運(yùn)行前，需要對(duì)可能結(jié)冰部件進(jìn)行冷啟動(dòng)檢測(cè)，防止強(qiáng)行啟動(dòng)，造成電堆損傷；

13.開(kāi)機(jī)吹掃控制功能：水路開(kāi)啟，水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定，檢測(cè)水循環(huán)回路電堆出口溫度傳感器的溫度，若出口冷卻液溫度≤30℃，節(jié)溫器角度設(shè)置，設(shè)定PTC功率最大值，對(duì)電堆溫度出入水溫度快速升溫；氫氣子系統(tǒng)開(kāi)啟，啟動(dòng)氫氣循環(huán)泵，設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在滿足陰陽(yáng)極壓差的基礎(chǔ)上盡可能高；設(shè)定陽(yáng)極壓力，打開(kāi)開(kāi)關(guān)閥，控制比例閥，使得其輸出壓力等于設(shè)定值；并快速連續(xù)打開(kāi)幾次排氣閥，進(jìn)行排氣；完成上述工作后，空氣子系統(tǒng)開(kāi)啟。

14.停機(jī)吹掃控制功能：系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，流道存在各種氣體、電堆內(nèi)部水含量可能過(guò)高，需要將陰極流道中的氧氣盡可能消耗完畢，避免造成燃料電池壽命損耗；將電堆內(nèi)部盡可能統(tǒng)一化，以便下次系統(tǒng)的穩(wěn)定健康運(yùn)行；

15.故障診斷控制功能：完成對(duì)各總線各節(jié)點(diǎn)在線狀態(tài)診斷；完成對(duì)各節(jié)點(diǎn)故障狀態(tài)容錯(cuò)處理；完成對(duì)各節(jié)點(diǎn)故障上報(bào)；

04/總結(jié)

燃料電池可以應(yīng)用在1.交通運(yùn)輸：如上文所述、2.家庭能源：可以結(jié)合太陽(yáng)能板、風(fēng)力渦輪機(jī)等再生能源，供應(yīng)家庭的電力需求、3.工業(yè)應(yīng)用：可以為工業(yè)設(shè)備及軍事設(shè)施等提供可靠的備用電源，以及使用固體或高溫燃料電池進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)。

盡管理想豐滿，但是現(xiàn)實(shí)骨干，燃料電池系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但其在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著諸多挑戰(zhàn)：1.燃料成本較高：目前，燃料電池所需的氫氣成本相對(duì)較高，就客戶端來(lái)說(shuō)與傳統(tǒng)燃油車相比沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)；2.存儲(chǔ)問(wèn)題：氫氣在一般溫度和壓力下是無(wú)法存儲(chǔ)的，需要在高壓、低溫環(huán)境下進(jìn)行貯存，這就給燃料電池出行帶來(lái)了不便；3.系統(tǒng)脆弱性：燃料電池系統(tǒng)中包含了許多復(fù)雜的組件，這些組件反應(yīng)敏感，極容易出現(xiàn)性能下降及失效；4.技術(shù)成本高：由于燃料電池技術(shù)相對(duì)成熟度較低，加之需要使用高清潔度的純化氫氣等高科技工藝, 燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和維護(hù)成本均較高。

燃料電池系統(tǒng)直接將可再生資源轉(zhuǎn)換為電能，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的潛在選擇之一。根據(jù)歐盟要求在2030年，到達(dá)“碳中和”的目標(biāo)。針對(duì)燃料電池面臨的挑戰(zhàn)，有關(guān)部門、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在積極開(kāi)展技術(shù)研究和創(chuàng)新，燃料電池技術(shù)面對(duì)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)亟需政府、企業(yè)及社會(huì)各方共同攜手，推動(dòng)技術(shù)突破和成本降低，為未來(lái)能源可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)力支撐。