燃料電池控制技術(shù)的案例
燃料電池控制技術(shù)介紹
來
源： 網(wǎng)絡(luò)
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燃料電池汽車整車控制策略設(shè)計
1引言
質(zhì)子交換膜燃料電池被認為是車用燃料電池的最佳選擇。但如果燃料電池汽車只有燃料電池一個動力源，就會有成本高、動態(tài)性能差和不能進行制動能量回收等缺點。所以，目前的燃料電池汽車主要采用混合驅(qū)動模式，即在具有燃料電池的基礎(chǔ)上，增加蓄電池或者超級電容作為輔助動力源。
多動力源系統(tǒng)的能量管理策略是整車控制的核心，如何協(xié)調(diào)燃料電池和其它電源之間的供能是燃料電池汽車開發(fā)中必須解決的問題。
2燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)
本文研究對象為燃料電池卡車，其結(jié)構(gòu)如圖1。
本車主要由動力電池、BMS、燃料電池及DCF，多合一控制器，電機等組成。動力電池由電池模組、銅排、箱體、高壓線束、低壓線束、MSD、BDU及電池管理系統(tǒng)等組成，主要作用為新能源車提供電能的吸收、存儲和供應(yīng)，BMS具有對電池電壓、電流和溫度等參數(shù)的實時監(jiān)測功能，實現(xiàn)高壓安全管理、電池狀態(tài)估算、均衡管理、充放電管理、故障診斷和警示等功能，避免電池過充、過放，延長電池壽命；本系統(tǒng)采用48Ah電芯，系統(tǒng)成組1并152串，額定電壓554.8V，額定電量26.3kWh。
電驅(qū)動系統(tǒng)由永磁同步電機和電機控制器組成，電機主要作用是將電能轉(zhuǎn)換成機械能，為車輛提供驅(qū)動力，電機控制器主要作用是控制電機輸出轉(zhuǎn)速和扭矩；電機布置于車輛中部，縱置形式，電機控制器布置于駕駛室下方，采用高壓平臺，具有轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)速控制、主/被動放電、轉(zhuǎn)矩能力反饋、降額輸出、能量回收、高壓互鎖、快斷接插件、電位均衡、診斷及容錯控制等功能。
氫系統(tǒng)主要由儲氫、加注、供氫、排空等部件組成，其主要功能是為燃料電池系統(tǒng)提供具有穩(wěn)定壓力的氫氣。
儲氫功能：主要由氫瓶、瓶閥組成，用于保證氫氣的儲存安全。
加注功能：由加注受氣頭、單向閥及管路組成了氫加注系統(tǒng)。
展開 [國產(chǎn)PLC]耐特節(jié)省能耗PLC在氫氣燃料電池項目運用中的控制特點
一、項目介紹
1、項目工藝介紹
氫燃料電源系統(tǒng)是在主供電網(wǎng)不穩(wěn)定，甚至完全沒有市電的情況下給需要用電的電信設(shè)備提供穩(wěn)定，可靠，具有實時監(jiān)測功能的不間斷電源系統(tǒng)。在通常情況下，這個氫燃料（備用）電源系統(tǒng)是一個根據(jù)用戶不同需要和不同應(yīng)用而專門設(shè)計和配置的一個完善的解決方案。
2、項目應(yīng)用的產(chǎn)品
二、控制系統(tǒng)的構(gòu)成
1、系統(tǒng)硬件的構(gòu)成
本系統(tǒng)由控制器耐特PLC，耐特模擬量擴展模塊，和EM235 CN 4AI1AO，以及各種測量儀表構(gòu)成。
基本原理：各測量儀表將采集的信號傳給模擬量擴展模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再給PLC，從而做出相應(yīng)的輸出動作，同時將異常告警信號通過G-BOX發(fā)信息給工作人員。
系統(tǒng)的幾種情況
a.燃料電池待機狀態(tài)（有市電時）
條件：有市電220V或380V，此時市電作為主供電（缺兩相，或者三相為市電缺失情況）系統(tǒng)控制操作：優(yōu)先切換到市電回路上，保證市電為負載正常供電，并關(guān)閉相關(guān)燃料電池系統(tǒng)。
燃料電池預(yù)啟動（有市電時→無市電的瞬間）
條件：市電不穩(wěn)或者沒有市電時系統(tǒng)控制操作：切斷市電回路，啟動燃料電池系統(tǒng)。
燃料電池運行狀態(tài)（燃料電池正常工作，此時無市電）
條件：市電回路切換、燃料電池此時作為主供電源系統(tǒng)控制操作：循環(huán)掃描A類，B類，C類，D類信號，發(fā)手機短信。
燃料電池預(yù)關(guān)閉狀態(tài)（無市電→有市電的一瞬間）。
條件：市電來電時系統(tǒng)控制操作：關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)、恢復(fù)市電供電電路。
展開 技術(shù)分享 | 現(xiàn)代燃料電池汽車NEXO技術(shù)分析
也許這是一個系統(tǒng)的工程，氫燃料的安全性太重要了，國外幾臺車不僅在電堆技術(shù)有獨特之處，在整車布置、安全等方面也是全面考慮。國家能源局綜合司把氫能列入可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃，可見燃料電池車未來還是很值得期待的。
燃料電池汽車的關(guān)鍵技術(shù)
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新能源汽車講解丨燃料電池與車用燃料電池(PEMFC)
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燃料電池空壓機技術(shù)介紹及發(fā)展趨勢
空壓機介紹
用途：
提供壓縮氣體，在燃料電池系統(tǒng)中負責為電堆輸送特定壓力及流量的潔凈空氣，為電堆反應(yīng)提供必需的氧氣，是燃料電池系統(tǒng)除電堆外最核心的零部件。
車用燃料電池耐久性的解決策略 附燃料電池衣寶廉下載
燃料電池耐久性開發(fā)要堅持材料與系統(tǒng)改進并行原則，現(xiàn)階段可在原有材料基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)控制策略改進，提高車用燃料電池系統(tǒng)使用壽命，但一定程度上增加系統(tǒng)復(fù)雜性；長遠考慮還要持續(xù)進行新材料的研發(fā)，最終形成材料創(chuàng)新、系統(tǒng)簡化、滿足商業(yè)化需求的新一代車用燃料電池技術(shù)體系。
本文分享從車用燃料電池材料與系統(tǒng)兩方面分析其衰減機理與解決對策。
車輛頻繁變工況運行是引起燃料電池壽命降低的最主要原因。從物理方面看，車輛在動態(tài)運行過程中由于電流載荷的瞬態(tài)變化會引起反應(yīng)氣壓力、溫度、濕度等頻繁波動，導(dǎo)致材料本身或部件結(jié)構(gòu)的機械性損傷。從化學(xué)角度看，由于動態(tài)過程載荷的變化，引起電壓波動，導(dǎo)致材料化學(xué)衰減，尤其在啟動、停車、怠速以及帶有高電位的動態(tài)循環(huán)過程中材料性能會加速衰減，如催化劑的溶解與聚集、聚合物膜降解等。
因此，
實現(xiàn)商業(yè)化燃料電池的壽命指標，可從2個層次逐步進行：一方面，通過對系統(tǒng)與控制策略的優(yōu)化，使之避開不利條件或減少不利條件存在的時間，達到延緩衰減的目的，但系統(tǒng)會相對復(fù)雜，需要加入必要的傳感、執(zhí)行元件與相應(yīng)的控制單元等；另一方面，還要持續(xù)支持新材料的發(fā)展，當能抵抗車用苛刻工況新材料的技術(shù)成熟時，系統(tǒng)可以進一步簡化，在新材料基礎(chǔ)上實現(xiàn)車用燃料電池的壽命目標。
展開 韓國燃料電池商業(yè)化取得重大進展 陶瓷燃料電池亮相
近日，韓國科學(xué)和信息通信技術(shù)部表示，Jong-Ho Lee博士和Ho-Il Ji博士在高溫能源材料研究中心開發(fā)了一種質(zhì)子陶瓷燃料電池（PCFC），可在漢陽大學(xué)Dong Wook Shin教授的幫助下實現(xiàn)商業(yè)化。
固體氧化物燃料電池（SOFC）以其高能量轉(zhuǎn)換效率和使用各種燃料的能力而受到極大關(guān)注，并且PCFC尤其成為人們關(guān)注的焦點，與傳統(tǒng)SOFC相比，期望在更低的工作溫度下具有高性能。然而，在多孔電極上制造薄而致密的電解質(zhì)的困難主要源于質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)的耐火性質(zhì)，這阻礙了PCFC的商業(yè)化。
KIST研究團隊與漢陽大學(xué)的研究團隊合作，提高了PCFC的性能，同時開發(fā)了一種以商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)細胞的方法。在開發(fā)過程中，團隊系統(tǒng)地對一個過程進行了方法化，使電解質(zhì)－電極組件內(nèi)的電解質(zhì)熟悉，并降低了生產(chǎn)過程溫度，這是世界首創(chuàng)。
整個過程還采用了微波程序和絲網(wǎng)印刷方法，這些方法由于較高經(jīng)濟效率，滿足了實際生產(chǎn)。
PCFC厚度為5μm，表面積為5x5cm2的電解質(zhì)層組成，相較之前性能提高了12倍。由于性能是在實際應(yīng)用條件下進行的，因此它為燃料電池商業(yè)化的可能性提供了明確的證據(jù)，得到了專家和行業(yè)的廣泛認可。
Jong－Ho Lee博士表示，“研究結(jié)果不僅可以應(yīng)用于簡單的能源生產(chǎn)，還可以應(yīng)用于燃料生產(chǎn)、保護以及其他各種相關(guān)領(lǐng)域和行業(yè)，有望成為改善未來可再生能源供應(yīng)的基石。”
展開 微量氧氣燃料電池傳感器檢測燃料電池式氧氣體分析儀中的氧含量
燃料電池是一種通過使燃料氣體和氧化劑氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高。
另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，當樣氣中的氧進入燃料電池后，將獲取電子轉(zhuǎn)換成離子態(tài)，再通過電解質(zhì)的傳遞最終與陽極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)物之一是樣氣中的氧，另一反應(yīng)物是存儲在電池中的陽極，綜合反應(yīng)是樣氣中的氧分子和陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，最終生成陽極材料的氧化物。這種反應(yīng)類似于燃料電池的反應(yīng)機理，因此稱此類傳感器為燃料電池式。在化學(xué)反應(yīng)中，陽、陽極之間發(fā)生電子遷移，如用導(dǎo)線將共連接，將會有電流產(chǎn)生，該電流的大小與進入傳感器中的氧分子數(shù)量成正比關(guān)系，因此只要準確測量出陽、陽極之問的電流便可得出樣氣中的氧含量。
燃料電池式氧氣體分析儀的核心部件是傳感器。傳感器是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，一般由陰極、陽極和電解質(zhì)等組成。燃料電池式氧氣體分析儀的使用較為廣泛，既可用于測量微量氧，也可用于測量常量氧(區(qū)別在于滲透膜的厚度）。但在測量常量氧時其測量精度和長期使用的穩(wěn)定性均不如磁式微量氧氣體分析儀，只適用于要求不高的場所。但在測量微量氧時，燃料電池式微量氧氣體分析儀則具有較大優(yōu)勢，測量下限可達 0.1 ×10-6，而磁式氧分析儀的測量下限一般為 0.1%。因此燃料電池式微量氧氣體分析儀一般應(yīng)用于專業(yè)的高純氣體生產(chǎn)以及對氧含量需精準控制的電子生產(chǎn)廠家等。
事實上， 燃料電池氧傳感器是完全免維護的。但是在使用過程中，需要經(jīng)常校準，確保其測試的準確性工采網(wǎng)推薦美國AII 氧氣傳感器微量氧氣燃料電池 - PSR-12-223。
展開 “COMSOL多物理場耦合仿真技術(shù)與應(yīng)用-燃料電池”篇
“COMSOL多物理場耦合仿真技術(shù)與應(yīng)用-燃料電池”
COMSOL仿真基礎(chǔ)
1、COMSOL軟件基本操作
1.1創(chuàng)建模型一般步驟
1.2幾何創(chuàng)建方法
1.3 網(wǎng)格劃分技巧
1.4 方程及邊界設(shè)置
2、后處理
2.1 數(shù)據(jù)集創(chuàng)建
2.2 衍生量的計算
2.3 結(jié)果圖的繪制
實例操作：肋片散熱模型，化整為零式網(wǎng)格劃分模型
COMSOL燃料電池仿真技術(shù)詳解
3、燃料電池仿真
3.1 燃料電池開路電壓計算
3.2燃料電池三種極化損失
4、多孔電極有效擴散系數(shù)構(gòu)建
4.1多孔電極構(gòu)建方法
4.2曲率與孔隙率關(guān)系
4.3塵氣模型實現(xiàn)方法
實例操作：多孔電極模型、塵氣輸運模型
5、從簡到真的建模方法
5.1只考慮氣體輸運
5.2 添加導(dǎo)電過程
5.3 添加電化學(xué)過程
5.4 添加退化過程
實例操作：紐扣電池模型，退化模型
6、連接體研究分析
6.1燃料電池活化設(shè)置方法
6.2傳質(zhì)-導(dǎo)電-電化學(xué)多場耦合方法
6.3傳熱-傳質(zhì)-動量-導(dǎo)電-電化學(xué)多場耦合
6.4連接體優(yōu)化與設(shè)計
實例操作：連接體優(yōu)化模型、新型連接體模型
7、積碳研究
7.1 燃料電池邊界設(shè)置
7.2 傳質(zhì)-導(dǎo)電-電化學(xué)多場耦合方法
7.3 甲烷內(nèi)重整反應(yīng)設(shè)置
7.4 甲醇內(nèi)重整反應(yīng)設(shè)置
7.5積碳分析
實例操作：甲烷積碳模型，甲醇積碳模型
7、直接碳燃料電池性能研究
7.1 Boudouard反應(yīng)設(shè)置
7.2熱源設(shè)置方法
7.3傳質(zhì)-導(dǎo)電-電化學(xué)-熱多場耦合方法
7.4性能分析
實例操作：直接碳燃料電池模型
8、應(yīng)力分析
8.1力學(xué)邊界設(shè)置
8.2損傷幾率求解
8.3殘余應(yīng)力分析
8.4熱應(yīng)力分析
實例操作：微管應(yīng)力模型
了解更多內(nèi)容 請關(guān)注公眾號：第一性原理計算與應(yīng)用
QQ：745729222
TEL：15010498280
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我國氫燃料電池要攻關(guān)哪些核心材料和技術(shù)？
在空氣壓縮機的關(guān)鍵部件中，軸承、電機是瓶頸技術(shù)，低成本、耐摩擦的涂層材料也是開發(fā)重點。美國通用電氣公司、聯(lián)合技術(shù)公司、普拉格能源公司，德國 Xcellsis 公司，加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司，日本豐田汽車公司等都擁有商業(yè)化的空氣壓縮機產(chǎn)品系列。
04 | 系統(tǒng)控制策略
氫燃料電池系統(tǒng)的壽命或耐久性，與系統(tǒng)控制策略密切相關(guān)。氫燃料電池汽車在啟動時需要實時開啟動力電源以獲得足夠的壓力和反應(yīng)氣體；而在怠速或停止運轉(zhuǎn)時，為了吹掃電堆內(nèi)未反應(yīng)完全的氣體和產(chǎn)生的水，也需要開啟動力電源，規(guī)避“水淹”“氫脆”、化學(xué)腐蝕等情況的出現(xiàn)。因此，在氫燃料電池汽車的啟動 / 停止、怠速、高 / 低負載等隨機性變化的工況條件下，應(yīng)基于現(xiàn)有系統(tǒng)構(gòu)造、燃料電池衰減機理，優(yōu)化控制策略來確保負載正常工作，進而維持氫燃料電池系統(tǒng)燃料（氫氣、空氣）供應(yīng)流的均勻性、穩(wěn)定性、熱能與水平衡。近年來，在氫燃料電池系統(tǒng)（如 PEMFC）控制方面發(fā)展或應(yīng)用了諸如模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊邏輯 – 比例積分微分控制（FLC-PID）等方法，操作簡單、低成本、不增加計算負擔，是優(yōu)化控制策略的前瞻方向。
三、我國氫燃料電池技術(shù)研發(fā)進展
及重點發(fā)展方向
01 | 關(guān)鍵材料及組件研發(fā)進展
近年來，我國的氫燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)研究較為活躍，在一些技術(shù)方向具備了與發(fā)達國家“比肩” 的條件；但整體來看，所掌握的核心技術(shù)水平、綜合技術(shù)體系尚不及具有領(lǐng)先地位的國家，如我國在1998 年才出現(xiàn)首個氫燃料電池發(fā)明專利，目前相關(guān)核心專利數(shù)僅占世界的1%左右。
展開 燃料電池漸成藍海，今年一季度我國燃料電池企業(yè)注冊量同比增長86.5%
圖片來源：企查查
實際上，不僅是相關(guān)企業(yè)注冊量增多，去年以來，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的投融資金額也在大幅增加。中汽中心此前發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年我國在氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的投融資金額達515.2億元，同比增長78.5%。其中氫燃料電池系統(tǒng)環(huán)節(jié)的投融資金額達196.8億元，約占當年產(chǎn)業(yè)鏈總投資額的38%，其余投資為汽車、電堆、膜電極、雙極板等環(huán)節(jié)投資。
燃料電池企業(yè)投融資及企業(yè)注冊量大幅增長背后是我國燃料電池汽車廣闊的發(fā)展前景。早在2019年，我國就已確定了氫燃料電池汽車將與純電動汽車長期并存、互為補充的地位。2020年，我國發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》還提出了氫燃料電池汽車的發(fā)展規(guī)劃，即到2025年，新能源汽車銷量將占總銷量20%左右，氫燃料電池汽車保有量要達到10萬輛左右；到2035年，新能源汽車成為主流，占總銷量50%以上，氫燃料電池汽車保有量要達到100萬輛左右，同時，該《路線圖》還對氫燃料電池及整車技術(shù)指標作了具體要求。
此外，五部門發(fā)布的《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》還明確將選擇符合條件的城市群，開展燃料電池汽車的示范應(yīng)用。根據(jù)最新報道，京滬粵冀豫等地擬被納入燃料電池汽車示范應(yīng)用城市群。按照要求，這些城市將把此前報送的實施方案進行修改之后在4月30日前上報給五部門，并由專家委員會進行評審并確定最終名單。
根據(jù)相關(guān)報道，首批燃料電池汽車示范城市群名單有望在未來兩到三個月內(nèi)公布。
中汽中心今年預(yù)測，若今年上半年氫燃料電池汽車示范城市落地，基于各地氫燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃、部分地區(qū)對氫燃料電池汽車的支持力度以及2022年冬奧會影響，今年氫燃料電池汽車產(chǎn)量很有可能超過10000輛。
展開 克服技術(shù)障礙 奔馳將推燃料電池版GLC SUV
據(jù)外媒報道，梅賽德斯奔馳不久將開始交付其燃料電池電動車給車隊客戶，以維持其在該項頗有前景技術(shù)領(lǐng)域的地位。燃料電池技術(shù)的發(fā)展因儲存和加氫不便等問題而受阻。
奔馳GLC燃料電池版車型將燃料電池和普通電池結(jié)合在一起，可通過壁式插座來充電，從而緩解了車主尋找充電服務(wù)站的擔憂。目前，奔馳以每月799歐元（917美元）的價格出租該款車，租賃者在全方位服務(wù)合同期滿后歸還車輛即可。奔馳母公司戴姆勒表示，在現(xiàn)實情況下的測試將有助于改進這一技術(shù)。
梅賽德斯奔馳電動系統(tǒng)集成部門主管Juergen Schenk表示，“在成本和標準化方面，我們還沒有達到目標，但我們正朝著正確的方向前進。燃料電池技術(shù)將會取得突破性進展，至于其將會用于轎車、貨車還是公共汽車上，我們將拭目以待。”
燃料電池汽車僅僅排放水蒸氣，但因其高成本、氫燃料儲存的復(fù)雜性以及基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏，導(dǎo)致該項技術(shù)一直缺乏吸引力。豐田和現(xiàn)代汽車都是氫動力汽車的主要支持者。寶馬等其他汽車制造商也在利用氫動力技術(shù)為電動汽車提供更長續(xù)航里程。
燃料電池通過氫與氧或另一種氧化劑的反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。奔馳燃料電池SUV續(xù)航里程達478千米(297英里)，三分鐘便可充滿電加滿動力。
上個月奔馳發(fā)布了其首款純電動車：EQC跨界車。奔馳希望到2022年推出十款純電動汽車，且到2025年使純電動汽車占其全球總銷量的15%至25%。
來源：蓋世汽車
展開 【技術(shù)帖】AVL CRUISE燃料電池車輛系統(tǒng)仿真方案介紹
燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、零排放或近零排放、運行平穩(wěn)無噪聲、燃料獲取范圍廣、可靠性高等優(yōu)點。隨著國家政策的推進以及環(huán)保的要求，燃料電池在新能源汽車領(lǐng)域得到不斷應(yīng)用。《中國制造2025》中提出:“到2025年，燃料電池堆系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟性大幅提高，和傳統(tǒng)汽車、電動汽車相比具有一定的市場競爭力，實現(xiàn)批量生產(chǎn)和市場化推廣”。
燃料電池做為能量源，其部件本身性能的開發(fā)至關(guān)重要，而對于整車OEM來講，更為關(guān)注的是燃料電池車的整體性能，例如燃料電池車的動力性與經(jīng)濟性，“燃料電池-蓄電池”復(fù)合電源系統(tǒng)的部件匹配以及控制策略開發(fā)等。這類開發(fā)任務(wù)要求我們借助整車系統(tǒng)級的模擬工具，從車輛能量管理的角度去分析和優(yōu)化。
獨傲于中國整車性能仿真工具市場的AVL CRUISE軟件在燃料電池車的建模方面也有獨門絕技，為用戶提供了專門的燃料電池模塊以及根據(jù)試驗數(shù)據(jù)自動擬合模型參數(shù)的向?qū)Чぞ撸梢苑浅７奖愕剡M行燃料電池車的建模分析。本文將依據(jù)實例對CRUISE軟件在燃料電池車輛開發(fā)中的應(yīng)用進行介紹。
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