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1　目標(biāo)和概述

由于能源需求的日益增長，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(zhuǎn)換成電和熱，既可為燃料電池提供氫源，也可綠色轉(zhuǎn)化為液體燃料，從而有可能實(shí)現(xiàn)由化石能源順利過渡到可再生能源的可持續(xù)循環(huán)，催生可持續(xù)發(fā)展的氫能經(jīng)濟(jì)。發(fā)展氫能是全球?qū)崿F(xiàn)新能源革命、構(gòu)建碳中和社會的必然選擇。氫燃料電池已被明確作為全球能源可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)路徑。2020年年底，我國累計(jì)銷售氫能汽車7352輛，建成加氫站127座。2020年9月，五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，各地相關(guān)支持政策也相繼出臺，氫能汽車產(chǎn)業(yè)迎來空前發(fā)展機(jī)遇。

本方案通過設(shè)計(jì)分布式燃料電池能源管理系統(tǒng)，采用智能控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動、多傳感器融合等技術(shù)，設(shè)計(jì)模塊化多參數(shù)協(xié)同控制策略，實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的高精度管控和故障診斷，有效提升管控系統(tǒng)的性能，解決燃料電池汽車動力系統(tǒng)的能源管理問題，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、控制算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)管理策略開發(fā)等方面具有較高的創(chuàng)新水平。方案能夠顯著增強(qiáng)燃料電池系統(tǒng)在新能源汽車核心零部件產(chǎn)業(yè)鏈上的競爭優(yōu)勢，提高了新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的集群制造配套能力，推動新能源技術(shù)和燃料電池電動汽車發(fā)展。

2　方案詳細(xì)介紹

2.1　解決方案的系統(tǒng)架構(gòu)

2.1.1　總體架構(gòu)（如圖1所示）

圖1 總體架構(gòu)圖

燃料電池管理系統(tǒng)主芯片選用恩智浦32位芯片。數(shù)據(jù)輸入模塊主要接收從多個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(zhuǎn)化和處理為管理模塊和控制模塊能夠理解和處理的數(shù)據(jù)類型；數(shù)據(jù)輸出模塊主要將經(jīng)管理模塊和控制模塊處理后的數(shù)據(jù)依據(jù)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)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(yīng)用層架構(gòu)

系統(tǒng)的應(yīng)用層主要以底層數(shù)據(jù)為依托，負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制算法的完成與實(shí)現(xiàn)，保障燃料電池系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。需要設(shè)計(jì)的應(yīng)用層需要完成四個模塊的功能要求：數(shù)據(jù)處理模塊、管理模塊、控制模塊和CAN數(shù)據(jù)打包模塊。其中，管理模塊包括系統(tǒng)診斷、狀態(tài)調(diào)度和故障診斷；控制模塊主要包括空氣系統(tǒng)控制、氫氣系統(tǒng)控制和水熱管理。應(yīng)用層的總體框圖如圖2所示。

圖2 軟件架構(gòu)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(shù)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(yùn)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(shè)計(jì)的過程中，需要配合對應(yīng)的濾波電路，設(shè)計(jì)15V、5V和3.3V的電壓輸出端口。

（2）MOS驅(qū)動模塊

本項(xiàng)目執(zhí)行器的開關(guān)量包括兩個方面：一是電磁開關(guān)閥、風(fēng)扇、加熱器、泵等12V或24V開關(guān)量控制，二是空壓機(jī)、比例閥、節(jié)氣門等上電信號的5V開關(guān)量控制。對高壓MOSFET驅(qū)動，F(xiàn)D2203系列產(chǎn)品適用于電機(jī)驅(qū)動、半橋/全橋轉(zhuǎn)換器、雙端正激轉(zhuǎn)換器等多種不同應(yīng)用領(lǐng)域，具有欠壓保護(hù)、使能及死區(qū)保護(hù)等功能。對比傳統(tǒng)的HVIC產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品柵極驅(qū)動能力更強(qiáng)，有助于降低系統(tǒng)的開關(guān)損耗，減小系統(tǒng)發(fā)熱量，提升系統(tǒng)效率。

（3）PWM驅(qū)動模塊

本項(xiàng)目包括6路PWM輸出：氫氣電磁閥比例控制、空壓機(jī)調(diào)速控制、節(jié)氣門開度控制、風(fēng)扇調(diào)速控制、冷卻水泵調(diào)速控制和加濕水泵調(diào)速控制。采用英飛凌BTS724R和BTS824R，該器件是英飛凌針對汽車應(yīng)用推出的功率開關(guān)，一般用于汽車電子市場。BTS824R與BTS724R參數(shù)一致可以替換使用。

（4）模擬量采集模塊

本項(xiàng)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路閥門位置信號、4路氫氣濃度信號、1路電導(dǎo)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(jié)省空間和低成本的應(yīng)用。這些放大器是專門為低電壓（2.7V～5V）操作而設(shè)計(jì)的，性能指標(biāo)符合或超過5V～30V工作的LM358和LM324設(shè)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(yīng)用場合。

（5）總線CAN通訊模塊

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

2.2.2　電氣系統(tǒng)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(tǒng)緊密相關(guān)，其中連接線束、引腳配置需要和傳感器設(shè)置一致。因此將輔助系統(tǒng)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(tǒng)和尾排出口的壓力。在本燃料電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對應(yīng)的燃料電池輔助系統(tǒng)中，需要配置11個壓力傳感器。

根據(jù)燃料電池輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果，壓力安全范圍在0~10bar。按FMS設(shè)計(jì)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)過調(diào)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?dú)狻⒖諝狻⒁豪湎到y(tǒng)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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號（如0～10V或4～20mA），某些情況下還能轉(zhuǎn)換來自電位計(jì)的信號。通過數(shù)字化溫度變送器，用戶能自行配置傳感器的類型、量程以及許多其它選項(xiàng)，如誤差信號通知或測量點(diǎn)識別等。

溫度傳感器用于監(jiān)測加熱、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)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(shù)值鎖定功能，用于控制及指示系統(tǒng)。自帶安裝法蘭，可以直接安裝于被測通道中。根據(jù)燃料電池輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果，溫度范圍-20~+80℃。按FMS設(shè)計(jì)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)過調(diào)研選用A2G-70風(fēng)管溫度傳感器和TFT35螺紋連接型溫度計(jì)，其功能同時可以測量溫度和濕度。

（3）流量傳感器

燃料電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對應(yīng)的燃料電池輔助系統(tǒng)中，需要配置2個溫度傳感器，熱式質(zhì)量流量計(jì)/控制器的核心是傳感器，由帶有電阻溫度計(jì)元件的不銹鋼毛細(xì)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。此溫差與通過傳感器的質(zhì)量流量直接成正比關(guān)系。

根據(jù)燃料電池輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果，流量范圍在300SLPM以內(nèi)。按FMS設(shè)計(jì)精度，流量傳感器誤差需要在±1%FS以內(nèi)。輸出信號為0~10V電壓/0~20mA電流。經(jīng)過調(diào)研選用F-112AC質(zhì)量流量計(jì)：EL-FLOW? Select系列產(chǎn)品配備數(shù)字化電路板，具有高精度、優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性和快速響應(yīng)（設(shè)定時間t98可低至500msec）特性。數(shù)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(biāo)準(zhǔn)RS232輸出信號，同時還可提供模擬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)動機(jī)空間內(nèi)氫氣是否存在泄漏，根據(jù)燃料電池輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在發(fā)動機(jī)內(nèi)部需要布置4個氫氣濃度傳感器。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(nèi)供貨。HY05和06模塊采用CAN通信，并且功耗較低，工作溫度范圍滿足燃料電池發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)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)動機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)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(jī)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行判斷和管理；需要完成系統(tǒng)性能計(jì)算和分析、狀態(tài)判斷和調(diào)度、故障診斷等功能。控制模塊主要通過對燃料電池系統(tǒng)各輔助子系統(tǒng)的控制，調(diào)節(jié)燃料電池的工作行為，使之完成預(yù)期的目標(biāo)。燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的控制程序可以在Matlab/Simulink中編寫，然后通過自動代碼生成技術(shù)下載到單片機(jī)中，以一定周期運(yùn)行。

（1）管理模塊

性能分析模塊：主要根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)和各種傳感器信息，計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)前的各種性能指標(biāo)，如氫耗量、輸出功率、效率等，并將其作為后續(xù)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(tǒng)進(jìn)行管控。在狀態(tài)調(diào)度模塊中，程序需要判斷系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，并根據(jù)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)動機(jī)的正常工作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)：

默認(rèn)系統(tǒng)狀態(tài)為停機(jī)狀態(tài)。當(dāng)收到整車控制器的開機(jī)信號后，進(jìn)入啟動階段；在該階段，需要檢測繼電器狀態(tài)，當(dāng)繼電器上電完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行冷啟動控制使系統(tǒng)溫度達(dá)到設(shè)定值附近，完成后先啟動氫氣路對電堆系統(tǒng)進(jìn)行吹掃，并開啟相關(guān)供氣閥門使系統(tǒng)供氣達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)后進(jìn)入正常工作狀態(tài)；閉合相關(guān)開關(guān)，啟動管控算法，依據(jù)傳感器信息和CAN通訊信息對執(zhí)行器進(jìn)行協(xié)同管控，保障系統(tǒng)的高效可靠運(yùn)行。當(dāng)整車控制器發(fā)出停機(jī)命令后，系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)，完成相關(guān)操作后回到停車狀態(tài)。如果燃料電池發(fā)動機(jī)啟動不成功，或者在正常工作狀態(tài)中出現(xiàn)嚴(yán)重故障，系統(tǒng)將進(jìn)入停機(jī)階段，隨后進(jìn)入故障停車狀態(tài)；此時，系統(tǒng)將不會跳轉(zhuǎn)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。

故障診斷模塊：在燃料電池發(fā)動機(jī)的運(yùn)行過程中，不可避免地會發(fā)生一些故障，為了在發(fā)生故障時進(jìn)行容錯控制，并讓現(xiàn)場操作人員及時發(fā)現(xiàn)、定位和排除故障，設(shè)計(jì)了故障診斷模塊；即通過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(tǒng)發(fā)生故障的位置及嚴(yán)重程度。按照故障發(fā)生的位置，可以將故障類型分為4類：氫氣系統(tǒng)故障、空氣系統(tǒng)故障、水熱系統(tǒng)故障、電氣性能故障等。同時判斷故障的嚴(yán)重程度，可以將其分成三個等級，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(yán)重的故障進(jìn)行停機(jī)檢查，不嚴(yán)重的故障在具體的執(zhí)行器控制策略中進(jìn)行處理和修復(fù)。若燃料電池發(fā)生嚴(yán)重故障導(dǎo)致故障停機(jī)，故障診斷模塊輸出的故障碼將保持導(dǎo)致系統(tǒng)故障關(guān)機(jī)的狀態(tài)碼。

（2）控制模塊空氣系統(tǒng)控制

空氣系統(tǒng)是燃料電池系統(tǒng)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(tǒng)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(jì)量比，從而減小燃料電池反應(yīng)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，但同時也會增加空氣系統(tǒng)的附件功率消耗。

空氣系統(tǒng)控制模塊主要需要對空壓機(jī)、節(jié)氣門進(jìn)行控制。空氣經(jīng)過空壓機(jī)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(yīng)。電堆陰極排出的氣體先經(jīng)過分水器分水，然后通過節(jié)氣門排入大氣。節(jié)氣門的作用是控制竹壓，實(shí)際運(yùn)行中通過協(xié)同控制空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門的開度，使陰極空氣流量和空氣壓力達(dá)到目標(biāo)值。

· 空壓機(jī)控制

空壓機(jī)控制是通過控制空壓機(jī)的電壓調(diào)節(jié)陰極側(cè)空氣流量，以提供足夠的氧氣用于電堆電化學(xué)反應(yīng)。空壓機(jī)需要與電堆相匹配，而空壓機(jī)的特性一般以轉(zhuǎn)速—流量—出口壓力的MAP圖來表示。空壓機(jī)開關(guān)機(jī)信號可以通過邏輯判斷獲得，正常工作過程中，依據(jù)負(fù)載情況動態(tài)控制空壓機(jī)電壓，保持實(shí)際OER值與設(shè)定值在一定誤差范圍內(nèi)，避免氧饑餓現(xiàn)象的發(fā)生。

· 節(jié)氣門控制

節(jié)氣門用于背壓控制，通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度控制陰極內(nèi)部壓力使其達(dá)到目標(biāo)壓力。電堆壓力對節(jié)氣門開度的變化非常敏感，在喘振線附近，節(jié)氣門微小的角度變化就可能造成空壓機(jī)喘振。

· 氫氣系統(tǒng)控制

氫氣供給控制系統(tǒng)用于提供合適的陽極壓力與氫氣流量。燃料電池陽極從設(shè)計(jì)構(gòu)型上可以分為氫氣再循環(huán)式和盲端陽極式，針對不同設(shè)計(jì)構(gòu)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，而采用盲端陽極式的燃料電池陽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(biāo)優(yōu)化的尾排控制上。

· 水熱管理系統(tǒng)

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(shè)計(jì)水熱管理系統(tǒng)對其進(jìn)行管控，避免質(zhì)子交換膜膜干或水淹現(xiàn)象、電堆溫度不適宜等現(xiàn)象的出現(xiàn)。水熱管理系統(tǒng)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(yùn)行中，增濕水泵打開，加熱器使能。膜增濕器的增濕效果與流過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(tǒng)在工作狀態(tài)時，加濕水泵開關(guān)開啟，其余狀態(tài)關(guān)閉。對水泵轉(zhuǎn)速的控制只在電堆正常工作中進(jìn)行，通過控制輸出PWM波占空比進(jìn)行控制。可以根據(jù)測得的當(dāng)前空氣流量和設(shè)定的RH值，通過物質(zhì)守恒定律計(jì)算出加濕器所需的加濕量，根據(jù)查找表獲取當(dāng)前需要控制的PWM波占空比。

· 冷卻系統(tǒng)控制

燃料電池運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的熱，這些熱量若不能及時排出，則會造成系統(tǒng)溫度過高，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(yùn)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(tǒng)中，采用等離子水對電堆系統(tǒng)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(zhuǎn)速用于控制冷卻液出堆水溫在合適范圍內(nèi)，旁路閥的開度用于控制入堆冷卻水水溫在合適范圍內(nèi)。系統(tǒng)在溫度較低時，水泵PWM與旁路閥開度可以采取設(shè)定值控制。當(dāng)系統(tǒng)處在正常工作狀態(tài)，電堆溫度正常，可以設(shè)計(jì)一定的控制策略控制出入堆的溫度值在設(shè)定值附近。

3　代表性及推廣價值

隨著燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化，燃料電池管理系統(tǒng)作為其核心部件，能夠?yàn)槿剂想姵仄囂峁┌踩托时Ｕ希欢?dāng)下燃料電池管理系統(tǒng)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)燃料電池車商業(yè)化進(jìn)程，具有廣闊的應(yīng)用前景。方案實(shí)施后，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)燃料電池發(fā)動機(jī)5000臺，燃料電池管理系統(tǒng)2萬臺，形成研、產(chǎn)、銷一體化。項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)年可實(shí)現(xiàn)年銷售收入10.8億元，利稅5000多萬元，稅后利潤3億元。

在未來的兩到三年中，本方案將加大科研創(chuàng)新速度和科技成果轉(zhuǎn)化力度，將理論優(yōu)勢、技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，形成一套燃料電池汽車動力裝置管理和控制解決方案，推動燃料電池電動汽車關(guān)鍵零部件的研發(fā)和市場化推廣，帶動上游制氫、加氫、儲氫以及下游銷售、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產(chǎn)業(yè)可以穩(wěn)定增加城市就業(yè)人口，另一方面零排放的燃料電池汽車可以緩解城市污染，增加宜居程度。

摘自《自動化博覽》2022年5月刊