如果讓1886年的卡爾·本茨看當今的汽車，我猜除了能認出汽車的形狀，從動力系統(tǒng)到電子架構可能都會顛覆當時的認知。的確，汽車正越來越“接近”它的發(fā)明者——人類。近年來，作為新能源汽車的主要技術路徑之一，“氫能汽車”正帶給人們無窮的想象空間。
那么，作為氫能汽車的“最強大腦”—— 氫燃料電池控制系統(tǒng)工作原理是什么？下面請跟隨小編一起探尋~
在燃料電池控制系統(tǒng)中，燃料電池系統(tǒng)控制器（Fuel-cell Control Unit簡稱FCU）負責接收整車的控制指令，協(xié)調燃料電池系統(tǒng)內的其他控制器和執(zhí)行器工作，為車輛發(fā)出所需功率的電能。同時，F(xiàn)CU還具有實施監(jiān)測的功能，它能監(jiān)測傳感器狀態(tài)，實時診斷整個系統(tǒng)的故障，并在故障發(fā)生時及時“命令”系統(tǒng)做出反應，避免故障傷害電堆。所以，燃料電池系統(tǒng)控制器相當于整個系統(tǒng)控制的大腦，它對提升燃料電池經濟性、耐久性、動力性以及可靠性起著至關重要的作用。
燃料電池性能衰退與可靠性變差，本質上是環(huán)境和工況變化（啟停、變載、高/低持續(xù)負載、溫度/濕度/壓力等）導致堆內狀態(tài)失衡（局部水淹、膜干、缺氣、過熱等），進一步造成材料性能損傷（膜、催化劑、 氣體擴散層等）的動態(tài)演變過程。但更主要的是源于燃料電池控制器對氫氣、空氣、水熱以及電氣系統(tǒng)等協(xié)調和控制屬性決定的：
通過閉環(huán)調節(jié)算法，保障陽極在每個工況下都有足夠的供氫。
通過閉環(huán)解耦算法，保障正常運行所需的壓力和流量。
通過水泵與節(jié)溫器的綜合調節(jié)，使得燃料電池一直工作在“舒適”的溫度，是燃料電池長壽命健康運營的基礎。
通過對各電氣部件的供電與信號傳輸調節(jié)，使燃料電池保持在線隨時響應。
為了進一步提升燃料電池發(fā)動機耐久性，近年來，中國氫能聯(lián)盟成員單位億華通在燃料電池氫、空、水、熱、電系統(tǒng)開發(fā)與集成方面，取得了豐碩的科研成果。具體進展如下：
循環(huán)變載工況引起空氣系統(tǒng)供氣失衡，造成堆內局部缺氣從而導致膜電極和雙極板等關鍵材料腐蝕，是導致燃料電池系統(tǒng)耐久性不佳的關鍵因素。針對該問題，億華通發(fā)明了空壓機和背壓閥分區(qū)解耦協(xié)調控制策略。對弱耦合區(qū)，采用流量、壓力分別用空壓機轉速、背壓節(jié)氣門開度進行閉環(huán)控制；對強耦合區(qū)，采用自抗擾控制算法實現(xiàn)燃料電池空氣系統(tǒng)流量和壓力的解耦閉環(huán)控制?？蓪崿F(xiàn)更高的響應速度，且動態(tài)壓力閉環(huán)控制的正向超調量更小。
空壓機工作區(qū)域耦合分區(qū)示意圖
為了提高陽極氫氣利用率和陽極排水，需要定期開啟尾排電磁閥，以排除陽極積累的氮氣與液態(tài)水。但尾排吹掃易導致陽極壓力驟降，使得膜電極陰陽兩側壓差變大，對膜電極產生機械疲勞。
燃料電池發(fā)動機運行過程中壓力誤差隨電流和吹掃閥動作的變化情況
首先是采用氫氣電控噴射裝置，不同工況下靈活調節(jié)氫氣側的壓力，保證陰陽極壓差，同時在吹掃過程中及時補償吹掃消耗的氣體流量，避免出現(xiàn)壓力突降使質子交換膜處于交變應力的作用下，確保質子交換膜的使用壽命。
其次是在氫氣噴射控制算法中引入自學習閉環(huán)控制方法，利用目標壓力、壓力偏差量、消耗流量 、吹掃閥開關信號 、氫氣噴射占空比 ，進一步優(yōu)化過程控制。
電堆內部的水含量，對燃料電池的運行狀態(tài)非常重要。目前采用交流阻抗只能測量膜內的水含量，而且在電堆適宜的工作區(qū)間內，交流阻抗的變化對水含量的變化不敏感。針對該問題，億華通設計了電堆水含量狀態(tài)觀測與閉環(huán)控制的技術路線，實現(xiàn)了對電堆內部水含量的閉環(huán)控制，保證電堆的水含量始終處于合適的范圍。
為優(yōu)化整車在低溫環(huán)境的應用，億華通開發(fā)了基于多熱域耦合協(xié)調控制的燃料電池系統(tǒng)余熱利用控制策略。將冷卻液中更多的熱量用于冬季車廂內的暖風、除霜等，降低整車能耗。
實車余熱利用效果
針對現(xiàn)有控制方法燃料電池功率脈動大的難題，億華通首創(chuàng)了準穩(wěn)態(tài)(Soft-run)能量管理方法，提升了系統(tǒng)效率和壽命。同時億華通在行業(yè)內率先提出并使用高集成五合一方案，極大提高體積功率密度和質量功率密度，降低成本。控制器方面，采用汽車工業(yè)級多核芯片，該芯片優(yōu)勢明顯，功耗低、穩(wěn)定性強、擴展模塊多、體積小，具備過流、過壓、短路等保護功能。
對于燃料電池系統(tǒng)，硬件好像人的身體，控制軟件好像人的大腦。健壯的身體和聰明的大腦是一個人高效工作學習必不可少的兩大要素，穩(wěn)定強大的硬件和可靠高效的軟件是燃料電池系統(tǒng)高性能工作的兩大支柱。對于每一代系統(tǒng)，硬件鎖定之后更改代價相對較大，控制軟件的更新正在成為億華通燃料電池系統(tǒng)性能提升的重要動力源。
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