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1　目標和概述

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，能方便地轉換成電和熱，既可為燃料電池提供氫源，也可綠色轉化為液體燃料，從而有可能實現由化石能源順利過渡到可再生能源的可持續循環，催生可持續發展的氫能經濟。發展氫能是全球實現新能源革命、構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發展的重要技術路徑。2020年年底，我國累計銷售氫能汽車7352輛，建成加氫站127座。2020年9月，五部委聯合發布《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》，各地相關支持政策也相繼出臺，氫能汽車產業迎來空前發展機遇。

本方案通過設計分布式燃料電池能源管理系統，采用智能控制、數據驅動、多傳感器融合等技術，設計模塊化多參數協同控制策略，實現燃料電池系統的高精度管控和故障診斷，有效提升管控系統的性能，解決燃料電池汽車動力系統的能源管理問題，在系統架構設計、控制算法設計、系統管理策略開發等方面具有較高的創新水平。方案能夠顯著增強燃料電池系統在新能源汽車核心零部件產業鏈上的競爭優勢，提高了新能源汽車產業鏈的集群制造配套能力，推動新能源技術和燃料電池電動汽車發展。

2　方案詳細介紹

2.1　解決方案的系統架構

2.1.1　總體架構（如圖1所示）

圖1 總體架構圖

燃料電池管理系統主芯片選用恩智浦32位芯片。數據輸入模塊主要接收從多個傳感器獲得的電力學信息和從CAN通訊獲得的信息，并將其轉化和處理為管理模塊和控制模塊能夠理解和處理的數據類型；數據輸出模塊主要將經管理模塊和控制模塊處理后的數據依據通訊協議實現將部分傳感器、繼電器、故障、性能信息向VCU/EMS發送。

2.1.2　應用層架構

系統的應用層主要以底層數據為依托，負責系統控制算法的完成與實現，保障燃料電池系統的安全高效運行。需要設計的應用層需要完成四個模塊的功能要求：數據處理模塊、管理模塊、控制模塊和CAN數據打包模塊。其中，管理模塊包括系統診斷、狀態調度和故障診斷；控制模塊主要包括空氣系統控制、氫氣系統控制和水熱管理。應用層的總體框圖如圖2所示。

圖2 軟件架構圖

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計的過程中，需要配合對應的濾波電路，設計15V、5V和3.3V的電壓輸出端口。

（2）MOS驅動模塊

本項目執行器的開關量包括兩個方面：一是電磁開關閥、風扇、加熱器、泵等12V或24V開關量控制，二是空壓機、比例閥、節氣門等上電信號的5V開關量控制。對高壓MOSFET驅動，FD2203系列產品適用于電機驅動、半橋/全橋轉換器、雙端正激轉換器等多種不同應用領域，具有欠壓保護、使能及死區保護等功能。對比傳統的HVIC產品，該系列產品柵極驅動能力更強，有助于降低系統的開關損耗，減小系統發熱量，提升系統效率。

（3）PWM驅動模塊

本項目包括6路PWM輸出：氫氣電磁閥比例控制、空壓機調速控制、節氣門開度控制、風扇調速控制、冷卻水泵調速控制和加濕水泵調速控制。采用英飛凌BTS724R和BTS824R，該器件是英飛凌針對汽車應用推出的功率開關，一般用于汽車電子市場。BTS824R與BTS724R參數一致可以替換使用。

（4）模擬量采集模塊

本項目包括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、節省空間和低成本的應用。這些放大器是專門為低電壓（2.7V～5V）操作而設計的，性能指標符合或超過5V～30V工作的LM358和LM324設備。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用場合。

（5）總線CAN通訊模塊

本項目包括3路CAN通信，分別用于與整車、BOP、CVM等進行通信。CAN收發器TJA1040，完全符合ISO 11898標準（支持高速CAN和低速CAN），速度高達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，并在汽車的瞬態環境下對總線引腳進行保護。

2.2.2　電氣系統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緊密相關，其中連接線束、引腳配置需要和傳感器設置一致。因此將輔助系統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、冷卻液系統和尾排出口的壓力。在本燃料電池管理系統設計方案對應的燃料電池輔助系統中，需要配置11個壓力傳感器。

根據燃料電池輔助系統設計結果，壓力安全范圍在0~10bar。按FMS設計精度，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。經過調研選用威卡（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、氮氣、空氣、液冷系統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換為標準輸出信號（如0～10V或4～20mA），某些情況下還能轉換來自電位計的信號。通過數字化溫度變送器，用戶能自行配置傳感器的類型、量程以及許多其它選項，如誤差信號通知或測量點識別等。

溫度傳感器用于監測加熱、通風空調系統中氣態介質的相對濕度和溫度（如位于進氣和排氣管道中）。帶有數值鎖定功能，用于控制及指示系統。自帶安裝法蘭，可以直接安裝于被測通道中。根據燃料電池輔助系統設計結果，溫度范圍-20~+80℃。按FMS設計精度，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。經過調研選用A2G-70風管溫度傳感器和TFT35螺紋連接型溫度計，其功能同時可以測量溫度和濕度。

（3）流量傳感器

燃料電池管理系統設計方案對應的燃料電池輔助系統中，需要配置2個溫度傳感器，熱式質量流量計/控制器的核心是傳感器，由帶有電阻溫度計元件的不銹鋼毛細管組成。一部分氣體流量流經這一旁路傳感器，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量流量直接成正比關系。

根據燃料電池輔助系統設計結果，流量范圍在300SLPM以內。按FMS設計精度，流量傳感器誤差需要在±1%FS以內。輸出信號為0~10V電壓/0~20mA電流。經過調研選用F-112AC質量流量計：EL-FLOW? Select系列產品配備數字化電路板，具有高精度、優異的溫度穩定性和快速響應（設定時間t98可低至500msec）特性。數字化電路板包含流量測量和控制所需的所有功能。EL-FLOW? Select采用標準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協議。

（4）氫濃度傳感器

氫濃度檢測器用于檢測測試發動機空間內氫氣是否存在泄漏，根據燃料電池輔助系統設計方案，在發動機內部需要布置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。此產品為豐田Mirai的氫氣泄漏的檢測裝置，并可以向國內供貨。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動機設計需求。

2.2.3　軟件平臺各功能模塊與輸入輸出

燃料電池發動機系統的應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電機系統當前的狀態進行判斷和管理；需要完成系統性能計算和分析、狀態判斷和調度、故障診斷等功能。控制模塊主要通過對燃料電池系統各輔助子系統的控制，調節燃料電池的工作行為，使之完成預期的目標。燃料電池發動機系統的控制程序可以在Matlab/Simulink中編寫，然后通過自動代碼生成技術下載到單片機中，以一定周期運行。

（1）管理模塊

性能分析模塊：主要根據系統當前的狀態和各種傳感器信息，計算系統當前的各種性能指標，如氫耗量、輸出功率、效率等，并將其作為后續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進行管控。在狀態調度模塊中，程序需要判斷系統當前的工作狀態，并根據一定的工作流程完成不同狀態間的切換。燃料電池工作狀態確定后，對燃料電池發動機的正常工作流程進行設計：

默認系統狀態為停機狀態。當收到整車控制器的開機信號后，進入啟動階段；在該階段，需要檢測繼電器狀態，當繼電器上電完成后，對系統進行冷啟動控制使系統溫度達到設定值附近，完成后先啟動氫氣路對電堆系統進行吹掃，并開啟相關供氣閥門使系統供氣達到穩定。當到達預先設定的目標后進入正常工作狀態；閉合相關開關，啟動管控算法，依據傳感器信息和CAN通訊信息對執行器進行協同管控，保障系統的高效可靠運行。當整車控制器發出停機命令后，系統進入停機，完成相關操作后回到停車狀態。如果燃料電池發動機啟動不成功，或者在正常工作狀態中出現嚴重故障，系統將進入停機階段，隨后進入故障停車狀態；此時，系統將不會跳轉到其他任何狀態，只能待相關人員排除故障后，重新接通電源，方可重新啟動。

故障診斷模塊：在燃料電池發動機的運行過程中，不可避免地會發生一些故障，為了在發生故障時進行容錯控制，并讓現場操作人員及時發現、定位和排除故障，設計了故障診斷模塊；即通過對傳感器信息和電堆電壓、單體電壓等信息進行分析和判斷，診斷燃料電池系統發生故障的位置及嚴重程度。按照故障發生的位置，可以將故障類型分為4類：氫氣系統故障、空氣系統故障、水熱系統故障、電氣性能故障等。同時判斷故障的嚴重程度，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。對于較嚴重的故障進行停機檢查，不嚴重的故障在具體的執行器控制策略中進行處理和修復。若燃料電池發生嚴重故障導致故障停機，故障診斷模塊輸出的故障碼將保持導致系統故障關機的狀態碼。

（2）控制模塊空氣系統控制

空氣系統是燃料電池系統中的重要組成部分，其流量——壓力特性及與電堆的匹配對系統性能至關重要。增加空氣體積流量和壓力可以增大氧氣分壓，提高陰極化學計量比，從而減小燃料電池反應極化和濃差極化，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的附件功率消耗。

空氣系統控制模塊主要需要對空壓機、節氣門進行控制。空氣經過空壓機壓縮泵入空氣管路，流經膜增濕器后濕度提高，進入電堆陰極參與反應。電堆陰極排出的氣體先經過分水器分水，然后通過節氣門排入大氣。節氣門的作用是控制竹壓，實際運行中通過協同控制空壓機的轉速和節氣門的開度，使陰極空氣流量和空氣壓力達到目標值。

· 空壓機控制

空壓機控制是通過控制空壓機的電壓調節陰極側空氣流量，以提供足夠的氧氣用于電堆電化學反應。空壓機需要與電堆相匹配，而空壓機的特性一般以轉速—流量—出口壓力的MAP圖來表示。空壓機開關機信號可以通過邏輯判斷獲得，正常工作過程中，依據負載情況動態控制空壓機電壓，保持實際OER值與設定值在一定誤差范圍內，避免氧饑餓現象的發生。

· 節氣門控制

節氣門用于背壓控制，通過調節節氣門開度控制陰極內部壓力使其達到目標壓力。電堆壓力對節氣門開度的變化非常敏感，在喘振線附近，節氣門微小的角度變化就可能造成空壓機喘振。

· 氫氣系統控制

氫氣供給控制系統用于提供合適的陽極壓力與氫氣流量。燃料電池陽極從設計構型上可以分為氫氣再循環式和盲端陽極式，針對不同設計構型需要采用特定的控制方法。采用氫氣再循環式的燃料電池陽極需要對氫氣的質量流量、氫氣壓力、氫氣尾排進行協同控制，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，控制重點在針對氫氣利用率、工作壽命等目標優化的尾排控制上。

· 水熱管理系統

質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，需要設計水熱管理系統對其進行管控，避免質子交換膜膜干或水淹現象、電堆溫度不適宜等現象的出現。水熱管理系統主要對入堆空氣的濕度和出/入電堆的溫度進行控制，主要是對加濕水泵和冷卻液流量進行控制。

· 增濕控制

主要對增濕水泵進行控制，在電堆正常運行中，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。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。

系統在工作狀態時，加濕水泵開關開啟，其余狀態關閉。對水泵轉速的控制只在電堆正常工作中進行，通過控制輸出PWM波占空比進行控制。可以根據測得的當前空氣流量和設定的RH值，通過物質守恒定律計算出加濕器所需的加濕量，根據查找表獲取當前需要控制的PWM波占空比。

· 冷卻系統控制

燃料電池運行過程中會產生大量的熱，這些熱量若不能及時排出，則會造成系統溫度過高，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行至關重要。TMSU模塊主要對旁路閥和冷卻水泵進行控制。在冷卻系統中，采用等離子水對電堆系統進行冷卻；使用后的等離子水溫度升高，采用風扇對其進行冷卻處理。

水泵的轉速用于控制冷卻液出堆水溫在合適范圍內，旁路閥的開度用于控制入堆冷卻水水溫在合適范圍內。系統在溫度較低時，水泵PWM與旁路閥開度可以采取設定值控制。當系統處在正常工作狀態，電堆溫度正常，可以設計一定的控制策略控制出入堆的溫度值在設定值附近。

3　代表性及推廣價值

隨著燃料電池汽車產業的商業化，燃料電池管理系統作為其核心部件，能夠為燃料電池汽車提供安全和效率保障，然而當下燃料電池管理系統在安全保障上存在很大的提升空間，本方案的實施能夠攻克燃料電池核心技術難點。推進燃料電池車商業化進程，具有廣闊的應用前景。方案實施后，計劃實現年產燃料電池發動機5000臺，燃料電池管理系統2萬臺，形成研、產、銷一體化。項目達產年可實現年銷售收入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新速度和科技成果轉化力度，將理論優勢、技術優勢轉化為產業優勢，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鍵零部件的研發和市場化推廣，帶動上游制氫、加氫、儲氫以及下游銷售、服務、維修等相關產業的發展。一方面培育的新興的燃料電池汽車產業可以穩定增加城市就業人口，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