氢能技术之氢燃料电池“最强大脑”

2025-11-16 汽车知识

【摘要】：如果让1886年的卡尔·本茨看当今的汽车，我猜除了能认出汽车的形状，从动力系统到电子架构可能都会颠覆当时的认知。的确，汽车正越来越&ldquo

　　如果让1886年的卡尔·本茨看当今的汽车，我猜除了能认出汽车的形状，从动力系统到电子架构可能都会颠覆当时的认知。的确，汽车正越来越“接近”它的发明者——人类。近年来，作为新能源汽车的主要技术路径之一，“氢能汽车”正带给人们无穷的想象空间。

　　那么，作为氢能汽车的“最强大脑”—— 氢燃料电池控制系统工作原理是什么? 下面跟着小编一起看一下吧~

　　在燃料电池控制系统中，燃料电池系统控制器(Fuel-cell Control Unit简称FCU)负责接收整车的控制指令，协调燃料电池系统内的其他控制器和执行器工作，为车辆发出所需功率的电能。同时，FCU还具有实施监测的功能，它能监测传感器状态，实时诊断整个系统的故障，并在故障发生时及时“命令”系统做出反应，避免故障伤害电堆。所以，燃料电池系统控制器相当于整个系统控制的大脑，它对提升燃料电池经济性、耐久性、动力性以及可靠性起着至关重要的作用。

　　燃料电池性能衰退与可靠性变差，本质上是环境和工况变化(启停、变载、高/低持续负载、温度/湿度/压力等)导致堆内状态失衡(局部水淹、膜干、缺气、过热等)，进一步造成材料性能损伤(膜、催化剂、气体扩散层等)的动态演变过程。但更主要的是源于燃料电池控制器对氢气、空气、水热以及电气系统等协调和控制属性决定的：

　　氢气系统控制

　　通过闭环调节算法，保障阳极在每个工况下都有足够的供氢。

　　空气系统控制

　　通过闭环解耦算法，保障正常运行所需的压力和流量。

　　水热系统控制

　　通过水泵与节温器的综合调节，使得燃料电池一直工作在“舒适”的温度，是燃料电池长寿命健康运营的基础。

　　电气系统控制

　　通过对各电气部件的供电与信号传输调节，使燃料电池保持在线随时响应。

　　为了进一步提升燃料电池发动机耐久性，近年来，亿华通在燃料电池氢、空、水、热、电系统开发与集成方面，取得了丰硕的科研成果。具体进展如下：

　　空气系统

　　循环变载工况引起空气系统供气失衡，造成堆内局部缺气从而导致膜电极和双极板等关键材料腐蚀，是导致燃料电池系统耐久性不佳的关键因素。针对该问题，亿华通发明了空压机和背压阀分区解耦协调控制策略。对弱耦合区，采用流量、压力分别用空压机转速、背压节气门开度进行闭环控制;对强耦合区，采用自抗扰控制算法实现燃料电池空气系统流量和压力的解耦闭环控制。可实现更高的响应速度，且动态压力闭环控制的正向超调量更小。

　　空压机工作区域耦合分区示意图

　　氢气系统

　　为了提高阳极氢气利用率和阳极排水，需要定期开启尾排电磁阀，以排除阳极积累的氮气与液态水。但尾排吹扫易导致阳极压力骤降，使得膜电极阴阳两侧压差变大，对膜电极产生机械疲劳。

　　燃料电池发动机运行过程中压力误差随电流和吹扫阀动作的变化情况

　　首先是采用氢气电控喷射装置，不同工况下灵活调节氢气侧的压力，保证阴阳极压差，同时在吹扫过程中及时补偿吹扫消耗的气体流量，避免出现压力突降使质子交换膜处于交变应力的作用下，确保质子交换膜的使用寿命。

　　其次是在氢气喷射控制算法中引入自学习闭环控制方法，利用目标压力、压力偏差量、消耗流量、吹扫阀开关信号、氢气喷射占空比，进一步优化过程控制。

　　水路系统

　　电堆内部的水含量，对燃料电池的运行状态非常重要。目前采用交流阻抗只能测量膜内的水含量，而且在电堆适宜的工作区间内，交流阻抗的变化对水含量的变化不敏感。针对该问题，亿华通设计了电堆水含量状态观测与闭环控制的技术路线，实现了对电堆内部水含量的闭环控制，保证电堆的水含量始终处于合适的范围。

　　热管理系统

　　为优化整车在低温环境的应用，亿华通开发了基于多热域耦合协调控制的燃料电池系统余热利用控制策略。将冷却液中更多的热量用于冬季车厢内的暖风、除霜等，降低整车能耗。

　　实车余热利用效果

　　电气系统

　　针对现有控制方法燃料电池功率脉动大的难题，亿华通首创了准稳态(Soft-run)能量管理方法，提升了系统效率和寿命。同时亿华通在行业内率先提出并使用高集成五合一方案，极大提高体积功率密度和质量功率密度，降低成本。控制器方面，采用汽车工业级多核芯片，该芯片优势明显，功耗低、稳定性强、扩展模块多、体积小，具备过流、过压、短路等保护功能。

　　对于燃料电池系统，硬件好像人的身体，控制软件好像人的大脑。健壮的身体和聪明的大脑是一个人高效工作学习必不可少的两大要素，稳定强大的硬件和可靠高效的软件是燃料电池系统高性能工作的两大支柱。对于每一代系统，硬件锁定之后更改代价相对较大，控制软件的更新正在成为亿华通燃料电池系统性能提升的重要动力源。

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