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1　目标和概述

由于能源需求的日益增长，化石燃料的消耗与CO2排放总量快速上升，“清洁、低碳、安全、高效”的能源变革已是大势所趋。而氢是一种洁净的二次能源载体，能方便地转换成电和热，既可为燃料电池提供氢源，也可绿色转化为液体燃料，从而有可能实现由化石能源顺利过渡到可再生能源的可持续循环，催生可持续发展的氢能经济。发展氢能是全球实现新能源革命、构建碳中和社会的必然选择。氢燃料电池已被明确作为全球能源可持续发展的重要技术路径。2020年年底，我国累计销售氢能汽车7352辆，建成加氢站127座。2020年9月，五部委联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，各地相关支持政策也相继出台，氢能汽车产业迎来空前发展机遇。

本方案通过设计分布式燃料电池能源管理系统，采用智能控制、数据驱动、多传感器融合等技术，设计模块化多参数协同控制策略，实现燃料电池系统的高精度管控和故障诊断，有效提升管控系统的性能，解决燃料电池汽车动力系统的能源管理问题，在系统架构设计、控制算法设计、系统管理策略开发等方面具有较高的创新水平。方案能够显著增强燃料电池系统在新能源汽车核心零部件产业链上的竞争优势，提高了新能源汽车产业链的集群制造配套能力，推动新能源技术和燃料电池电动汽车发展。

2　方案详细介绍

2.1　解决方案的系统架构

2.1.1　总体架构（如图1所示）

图1 总体架构图

燃料电池管理系统主芯片选用恩智浦32位芯片。数据输入模块主要接收从多个传感器获得的电力学信息和从CAN通讯获得的信息，并将其转化和处理为管理模块和控制模块能够理解和处理的数据类型；数据输出模块主要将经管理模块和控制模块处理后的数据依据通讯协议实现将部分传感器、继电器、故障、性能信息向VCU/EMS发送。

2.1.2　应用层架构

系统的应用层主要以底层数据为依托，负责系统控制算法的完成与实现，保障燃料电池系统的安全高效运行。需要设计的应用层需要完成四个模块的功能要求：数据处理模块、管理模块、控制模块和CAN数据打包模块。其中，管理模块包括系统诊断、状态调度和故障诊断；控制模块主要包括空气系统控制、氢气系统控制和水热管理。应用层的总体框图如图2所示。

图2 软件架构图

2.2　硬件平台

2.2.1　硬件各零部件原理与选型

（1）电源管理模块

FCU由蓄电池取电，电压为24V左右，主控制器中的大部分器件都是5V供电，数字核心的某些引脚需要使用3.3V供电，用于模拟量输入的运算放大器需要使用15V供电，PWM输出电路芯片需要15V供电。因此在电源模块电路设计的过程中，需要配合对应的滤波电路，设计15V、5V和3.3V的电压输出端口。

（2）MOS驱动模块

本项目执行器的开关量包括两个方面：一是电磁开关阀、风扇、加热器、泵等12V或24V开关量控制，二是空压机、比例阀、节气门等上电信号的5V开关量控制。对高压MOSFET驱动，FD2203系列产品适用于电机驱动、半桥/全桥转换器、双端正激转换器等多种不同应用领域，具有欠压保护、使能及死区保护等功能。对比传统的HVIC产品，该系列产品栅极驱动能力更强，有助于降低系统的开关损耗，减小系统发热量，提升系统效率。

（3）PWM驱动模块

本项目包括6路PWM输出：氢气电磁阀比例控制、空压机调速控制、节气门开度控制、风扇调速控制、冷却水泵调速控制和加湿水泵调速控制。采用英飞凌BTS724R和BTS824R，该器件是英飞凌针对汽车应用推出的功率开关，一般用于汽车电子市场。BTS824R与BTS724R参数一致可以替换使用。

（4）模拟量采集模块

本项目包括10路压力信号、3路湿度信号、1路流量信号、1路电压信号、2路阀门位置信号、4路氢气浓度信号、1路电导率信号、1路液位信号、8路温度信号。LMV358是最具成本效益的解决方案，适用于需要低压操作、节省空间和低成本的应用。这些放大器是专门为低电压（2.7V～5V）操作而设计的，性能指标符合或超过5V～30V工作的LM358和LM324设备。由于封装尺寸仅为DBV（SOT-23）封装的一半，这些器件可用于各种应用场合。

（5）总线CAN通讯模块

本项目包括3路CAN通信，分别用于与整车、BOP、CVM等进行通信。CAN收发器TJA1040，完全符合ISO 11898标准（支持高速CAN和低速CAN），速度高达1Mb，电磁辐射非常低，差动接收器具有较宽的共模范围可抗电磁干扰，并在汽车的瞬态环境下对总线引脚进行保护。

2.2.2　电气系统传感器部件原理与选型

由于电气部分中传感器和管理系统紧密相关，其中连接线束、引脚配置需要和传感器设置一致。因此将辅助系统中传感器部分放在这里介绍。

（1）压力传感器

压力传感器用于检测氢气、空气、冷却液系统和尾排出口的压力。在本燃料电池管理系统设计方案对应的燃料电池辅助系统中，需要配置11个压力传感器。

根据燃料电池辅助系统设计结果，压力安全范围在0~10bar。按FMS设计精度，压力传感器误差需要小于0.5%。输出信号为0~5V电压/0~20mA电流。经过调研选用威卡（WIKA）E10/11防爆型压力变送器。

（2）温度传感器

温度传感器测量氢气、氮气、空气、液冷系统以及尾气排放的温度。热电阻传感器和热电偶等温度变送器可将各种传感器的输入信号转换为标准输出信号（如0～10V或4～20mA），某些情况下还能转换来自电位计的信号。通过数字化温度变送器，用户能自行配置传感器的类型、量程以及许多其它选项，如误差信号通知或测量点识别等。

温度传感器用于监测加热、通风空调系统中气态介质的相对湿度和温度（如位于进气和排气管道中）。带有数值锁定功能，用于控制及指示系统。自带安装法兰，可以直接安装于被测通道中。根据燃料电池辅助系统设计结果，温度范围-20~+80℃。按FMS设计精度，温度传感器误差需要小于1℃。输出信号为0~10V电压/0~20mA电流。经过调研选用A2G-70风管温度传感器和TFT35螺纹连接型温度计，其功能同时可以测量温度和湿度。

（3）流量传感器

燃料电池管理系统设计方案对应的燃料电池辅助系统中，需要配置2个温度传感器，热式质量流量计/控制器的核心是传感器，由带有电阻温度计元件的不锈钢毛细管组成。一部分气体流量流经这一旁路传感器，并由加热元件加热，从而测得T1和T2之间的温差。此温差与通过传感器的质量流量直接成正比关系。

根据燃料电池辅助系统设计结果，流量范围在300SLPM以内。按FMS设计精度，流量传感器误差需要在±1%FS以内。输出信号为0~10V电压/0~20mA电流。经过调研选用F-112AC质量流量计：EL-FLOW® Select系列产品配备数字化电路板，具有高精度、优异的温度稳定性和快速响应（设定时间t98可低至500msec）特性。数字化电路板包含流量测量和控制所需的所有功能。EL-FLOW® Select采用标准RS232输出信号，同时还可提供模拟I/O信号。此外，集成化电路板还提供DeviceNet™、CANopen®、PROFIBUS DP、Modbus、FLOWBUS、EtherCAT®、PROFINET、Modbus/TCP及EtherNet/IP协议。

（4）氢浓度传感器

氢浓度检测器用于检测测试发动机空间内氢气是否存在泄漏，根据燃料电池辅助系统设计方案，在发动机内部需要布置4个氢气浓度传感器。本方案拟采用日本FIS公司的FH2-HY05氢气检测模块。此产品为丰田Mirai的氢气泄漏的检测装置，并可以向国内供货。HY05和06模块采用CAN通信，并且功耗较低，工作温度范围满足燃料电池发动机设计需求。

2.2.3　软件平台各功能模块与输入输出

燃料电池发动机系统的应用层核心模块为管理模块和控制模块。管理模块主要对燃料电池发电机系统当前的状态进行判断和管理；需要完成系统性能计算和分析、状态判断和调度、故障诊断等功能。控制模块主要通过对燃料电池系统各辅助子系统的控制，调节燃料电池的工作行为，使之完成预期的目标。燃料电池发动机系统的控制程序可以在Matlab/Simulink中编写，然后通过自动代码生成技术下载到单片机中，以一定周期运行。

（1）管理模块

性能分析模块：主要根据系统当前的状态和各种传感器信息，计算系统当前的各种性能指标，如氢耗量、输出功率、效率等，并将其作为后续其他模块的已知信息，从而使其能够更快更有效地对燃料电池系统进行管控。在状态调度模块中，程序需要判断系统当前的工作状态，并根据一定的工作流程完成不同状态间的切换。燃料电池工作状态确定后，对燃料电池发动机的正常工作流程进行设计：

默认系统状态为停机状态。当收到整车控制器的开机信号后，进入启动阶段；在该阶段，需要检测继电器状态，当继电器上电完成后，对系统进行冷启动控制使系统温度达到设定值附近，完成后先启动氢气路对电堆系统进行吹扫，并开启相关供气阀门使系统供气达到稳定。当到达预先设定的目标后进入正常工作状态；闭合相关开关，启动管控算法，依据传感器信息和CAN通讯信息对执行器进行协同管控，保障系统的高效可靠运行。当整车控制器发出停机命令后，系统进入停机，完成相关操作后回到停车状态。如果燃料电池发动机启动不成功，或者在正常工作状态中出现严重故障，系统将进入停机阶段，随后进入故障停车状态；此时，系统将不会跳转到其他任何状态，只能待相关人员排除故障后，重新接通电源，方可重新启动。

故障诊断模块：在燃料电池发动机的运行过程中，不可避免地会发生一些故障，为了在发生故障时进行容错控制，并让现场操作人员及时发现、定位和排除故障，设计了故障诊断模块；即通过对传感器信息和电堆电压、单体电压等信息进行分析和判断，诊断燃料电池系统发生故障的位置及严重程度。按照故障发生的位置，可以将故障类型分为4类：氢气系统故障、空气系统故障、水热系统故障、电气性能故障等。同时判断故障的严重程度，可以将其分成三个等级，等级1为最高等级，等级2次之，等级3为最低等级。对于较严重的故障进行停机检查，不严重的故障在具体的执行器控制策略中进行处理和修复。若燃料电池发生严重故障导致故障停机，故障诊断模块输出的故障码将保持导致系统故障关机的状态码。

（2）控制模块空气系统控制

空气系统是燃料电池系统中的重要组成部分，其流量——压力特性及与电堆的匹配对系统性能至关重要。增加空气体积流量和压力可以增大氧气分压，提高阴极化学计量比，从而减小燃料电池反应极化和浓差极化，在同样的电流密度下提高燃料电池工作电压，提高电堆功率，但同时也会增加空气系统的附件功率消耗。

空气系统控制模块主要需要对空压机、节气门进行控制。空气经过空压机压缩泵入空气管路，流经膜增湿器后湿度提高，进入电堆阴极参与反应。电堆阴极排出的气体先经过分水器分水，然后通过节气门排入大气。节气门的作用是控制竹压，实际运行中通过协同控制空压机的转速和节气门的开度，使阴极空气流量和空气压力达到目标值。

· 空压机控制

空压机控制是通过控制空压机的电压调节阴极侧空气流量，以提供足够的氧气用于电堆电化学反应。空压机需要与电堆相匹配，而空压机的特性一般以转速—流量—出口压力的MAP图来表示。空压机开关机信号可以通过逻辑判断获得，正常工作过程中，依据负载情况动态控制空压机电压，保持实际OER值与设定值在一定误差范围内，避免氧饥饿现象的发生。

· 节气门控制

节气门用于背压控制，通过调节节气门开度控制阴极内部压力使其达到目标压力。电堆压力对节气门开度的变化非常敏感，在喘振线附近，节气门微小的角度变化就可能造成空压机喘振。

· 氢气系统控制

氢气供给控制系统用于提供合适的阳极压力与氢气流量。燃料电池阳极从设计构型上可以分为氢气再循环式和盲端阳极式，针对不同设计构型需要采用特定的控制方法。采用氢气再循环式的燃料电池阳极需要对氢气的质量流量、氢气压力、氢气尾排进行协同控制，而采用盲端阳极式的燃料电池阳极只需维持氢气压力恒定，控制重点在针对氢气利用率、工作寿命等目标优化的尾排控制上。

· 水热管理系统

质子交换膜的湿度水平和电堆温度对电堆的工作性能都有较大影响，因此，需要设计水热管理系统对其进行管控，避免质子交换膜膜干或水淹现象、电堆温度不适宜等现象的出现。水热管理系统主要对入堆空气的湿度和出/入电堆的温度进行控制，主要是对加湿水泵和冷却液流量进行控制。

· 增湿控制

主要对增湿水泵进行控制，在电堆正常运行中，增湿水泵打开，加热器使能。膜增湿器的增湿效果与流过膜增湿器的空气流量以及膜增湿器的水温有关。流量越大，增湿效果越差，膜增湿器出口空气相对湿度越低；水温越高，增湿效果越好，膜增湿器出口空气相对湿度越高。

系统在工作状态时，加湿水泵开关开启，其余状态关闭。对水泵转速的控制只在电堆正常工作中进行，通过控制输出PWM波占空比进行控制。可以根据测得的当前空气流量和设定的RH值，通过物质守恒定律计算出加湿器所需的加湿量，根据查找表获取当前需要控制的PWM波占空比。

· 冷却系统控制

燃料电池运行过程中会产生大量的热，这些热量若不能及时排出，则会造成系统温度过高，影响膜的性能，有可能造成膜脱水等情况。因此高效可靠的温度控制策略对燃料电池的安全运行至关重要。TMSU模块主要对旁路阀和冷却水泵进行控制。在冷却系统中，采用等离子水对电堆系统进行冷却；使用后的等离子水温度升高，采用风扇对其进行冷却处理。

水泵的转速用于控制冷却液出堆水温在合适范围内，旁路阀的开度用于控制入堆冷却水水温在合适范围内。系统在温度较低时，水泵PWM与旁路阀开度可以采取设定值控制。当系统处在正常工作状态，电堆温度正常，可以设计一定的控制策略控制出入堆的温度值在设定值附近。

3　代表性及推广价值

随着燃料电池汽车产业的商业化，燃料电池管理系统作为其核心部件，能够为燃料电池汽车提供安全和效率保障，然而当下燃料电池管理系统在安全保障上存在很大的提升空间，本方案的实施能够攻克燃料电池核心技术难点。推进燃料电池车商业化进程，具有广阔的应用前景。方案实施后，计划实现年产燃料电池发动机5000台，燃料电池管理系统2万台，形成研、产、销一体化。项目达产年可实现年销售收入10.8亿元，利税5000多万元，税后利润3亿元。

在未来的两到三年中，本方案将加大科研创新速度和科技成果转化力度，将理论优势、技术优势转化为产业优势，形成一套燃料电池汽车动力装置管理和控制解决方案，推动燃料电池电动汽车关键零部件的研发和市场化推广，带动上游制氢、加氢、储氢以及下游销售、服务、维修等相关产业的发展。一方面培育的新兴的燃料电池汽车产业可以稳定增加城市就业人口，另一方面零排放的燃料电池汽车可以缓解城市污染，增加宜居程度。

摘自《自动化博览》2022年5月刊