科普 | 什么是氫燃料電池的電控系統(tǒng)？

在深入科普了幾期氫燃料電池知識后，終于迎來了最需要重點強調(diào)的電控系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅是燃料電池能夠安全和可靠運行的關鍵所在，更是提升系統(tǒng)效率、延長使用壽命以及實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能目標的核心技術支撐。

電控系統(tǒng)的概念和工作原理

氫燃料電池的電控系統(tǒng)是對氫燃料電池的運行進行控制和管理的系統(tǒng)。它作為整個動力系統(tǒng)的核心大腦，不僅負責監(jiān)控電池堆的實時狀態(tài)，還精確調(diào)控著氫氣的供給與空氣的吸入比例，確保化學反應在最優(yōu)條件下進行。這一系統(tǒng)集成了先進的傳感器技術、高速數(shù)據(jù)處理能力以及智能控制算法，能夠迅速響應外部環(huán)境變化和車輛行駛需求，實現(xiàn)能量的高效轉換與利用。

氫燃料電池的電控系統(tǒng)工作原理基于氫氣和氧氣通過電化學反應生成電能。在陽極，氫氣在催化劑作用下發(fā)生電化學反應，釋放電子生成質(zhì)子；質(zhì)子通過電解質(zhì)膜遷移到陰極，與氧氣在催化劑作用下發(fā)生電化學反應，生成水。

電控系統(tǒng)的構成

主控單元：作為整個電控系統(tǒng)的“大腦”，其重要性不言而喻。它不僅負責接收并處理來自車輛或應用設備的控制指令，還時刻監(jiān)測著遍布于燃料電池系統(tǒng)各處的傳感器數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)如同細流匯聚成河，為主控單元提供了豐富的信息源，使其能夠運用先進的控制算法，對系統(tǒng)進行精確無誤的調(diào)控。在這個過程中，主控單元展現(xiàn)出了高度的智能化和自主性，確保了燃料電池系統(tǒng)能夠在各種復雜工況下保持最佳的運行狀態(tài)。

傳感器網(wǎng)絡：是氫燃料電池電控系統(tǒng)的“感官系統(tǒng)”。它包含了溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器等多種類型的傳感器，這些傳感器如同分布在系統(tǒng)各處的“哨兵”，時刻監(jiān)測著燃料電池系統(tǒng)各部件的狀態(tài)參數(shù)。這些參數(shù)不僅反映了系統(tǒng)的運行狀況，還隱藏著潛在的問題和隱患。通過對這些參數(shù)的實時監(jiān)測和分析，傳感器網(wǎng)絡能夠及時發(fā)現(xiàn)并報告給主控單元，為系統(tǒng)的故障診斷和預防性維護提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

執(zhí)行器：則是氫燃料電池電控系統(tǒng)的“手臂”。它們根據(jù)主控單元的控制指令，精準地執(zhí)行相應的動作。例如，氫氣循環(huán)泵負責調(diào)節(jié)氫氣的流動速度和壓力，空氣壓縮機則負責為燃料電池提供足夠的氧氣。這些執(zhí)行器在運行過程中需要保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，以確保燃料電池系統(tǒng)能夠持續(xù)、高效地運行。同時，它們還需要具備一定的響應速度和調(diào)節(jié)精度，以滿足系統(tǒng)在不同工況下的需求。

通信接口：是氫燃料電池電控系統(tǒng)與車輛或其他應用設備進行數(shù)據(jù)交換和通信的“橋梁”。它采用了先進的通信技術和協(xié)議標準，確保了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的準確性、實時性和安全性。通過通信接口，電控系統(tǒng)可以實時接收來自車輛或應用設備的控制指令和狀態(tài)信息，并將自身的運行狀態(tài)和故障信息反饋給這些設備。這種雙向的信息交流為系統(tǒng)的遠程監(jiān)控、故障診斷和預防性維護提供了便利條件。

電源管理單元：則是氫燃料電池電控系統(tǒng)的“能量守護者”。它負責燃料電池系統(tǒng)的電源分配和管理工作，確保各部件在運行過程中能夠獲得穩(wěn)定、可靠的電力供應。同時，電源管理單元還具備一定的能量回收和再利用功能，可以將系統(tǒng)在制動或減速過程中產(chǎn)生的多余能量回收并儲存起來，以備后續(xù)使用。這種設計不僅提高了系統(tǒng)的能量利用效率，還降低了系統(tǒng)的運行成本和維護成本。

電控系統(tǒng)的優(yōu)點

燃料電池電控系統(tǒng)不僅集成了先進的傳感器技術、算法優(yōu)化以及通信接口，實現(xiàn)了對燃料電池堆的全方位精準調(diào)控，還融入了智能診斷與故障預測功能，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行保駕護航。

高度集成化：氫燃料電池電控系統(tǒng)采用了高度集成化的設計思想，將多個控制單元和傳感器集成在一起形成了一個緊湊而高效的系統(tǒng)。這種設計不僅減少了系統(tǒng)的體積和重量，還提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時，高度集成化還使得系統(tǒng)的安裝和維護變得更加簡單和方便。

高精度控制：通過先進的控制算法和傳感器技術，氫燃料電池電控系統(tǒng)實現(xiàn)了對燃料電池系統(tǒng)各部件的精確控制。這種高精度控制不僅提高了系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性，還減少了能源的浪費和排放物的產(chǎn)生。同時，高精度控制還有助于延長系統(tǒng)的使用壽命和降低運行成本。

實時監(jiān)測與故障診斷：氫燃料電池電控系統(tǒng)具備實時監(jiān)測和故障診斷功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理系統(tǒng)中的故障問題。這種功能對于保障系統(tǒng)的安全運行和減少故障損失具有重要意義。通過實時監(jiān)測和故障診斷技術，我們可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題和隱患，并采取相應的措施進行預防和修復。這樣可以有效避免故障擴大和造成更大的損失。

高可靠性：氫燃料電池電控系統(tǒng)采用了冗余設計和容錯技術來確保其高可靠性。在部分部件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍然能夠繼續(xù)運行并滿足基本的性能要求。這種高可靠性不僅保障了系統(tǒng)的安全運行和穩(wěn)定運行，還提高了系統(tǒng)的可維護性和可擴展性。

提升系統(tǒng)效率：通過精確控制燃料電池系統(tǒng)各部件的工作狀態(tài)以及優(yōu)化能源分配策略，氫燃料電池電控系統(tǒng)能夠顯著提升系統(tǒng)的能量轉換效率和運行效率。這種高效能運行不僅有助于降低系統(tǒng)的運行成本和維護成本，還有助于減少對環(huán)境的污染和破壞。同時，高效能運行還有助于提高車輛的續(xù)航里程和加速性能等性能指標。

延長使用壽命：實時監(jiān)測和故障診斷功能使得氫燃料電池電控系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理系統(tǒng)中的潛在問題。這種預防性維護方式有助于減少故障對系統(tǒng)壽命的影響并延長系統(tǒng)的使用壽命。同時，高度集成化和高精度控制也有助于降低系統(tǒng)的磨損和老化速度并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

降低運行成本：高效、穩(wěn)定的運行狀態(tài)以及低故障率使得氫燃料電池電控系統(tǒng)能夠降低系統(tǒng)的運行成本和維護成本。同時，隨著技術進步和規(guī)模化生產(chǎn)成本的降低以及政策扶持力度的加大等因素的推動下，氫燃料電池電控系統(tǒng)的成本也有望進一步降低并推動其更廣泛的應用和推廣。

環(huán)保節(jié)能：氫燃料電池系統(tǒng)的排放物只有水，對環(huán)境無污染且符合環(huán)保節(jié)能的發(fā)展趨勢。這使得氫燃料電池電控系統(tǒng)成為綠色出行和可持續(xù)發(fā)展的重要技術手段之一。同時，隨著全球對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重視程度不斷提高以及政策引導和支持力度的加大等因素的推動下，氫燃料電池電控系統(tǒng)的應用前景也將更加廣闊和光明。

電控系統(tǒng)的缺點

電控系統(tǒng)的缺點主要包括可靠性問題、維護成本高、擴展性差、靈活性受限以及工作頻率低。

可靠性問題：電控系統(tǒng)使用了大量的機械觸點，連線多，觸點開閉時存在機械磨損、電弧燒傷等現(xiàn)象，觸點壽命短，導致可靠性和可維護性較差。

維護成本高：由于電控系統(tǒng)的機械部件容易受到磨損和老化的影響，需要定期進行維護和更換，增加了系統(tǒng)的維護成本。由于電控系統(tǒng)集成了多個高精度傳感器和控制器以及采用先進的控制算法和技術等因素導致系統(tǒng)的成本較高。這是目前制約氫燃料電池電控系統(tǒng)廣泛應用和推廣的主要因素之一。

擴展性差：電控系統(tǒng)的控制邏輯通常是硬連線固定的，不易調(diào)整和修改。在繼電器控制系統(tǒng)中，擴展性相對較差，需要重新布線和更換繼電器以實現(xiàn)功能擴展。

靈活性受限：電控系統(tǒng)的靈活性受到限制，因為繼電器的觸點數(shù)量有限，以及控制邏輯采用硬件接線的方式，使得系統(tǒng)的靈活性和可擴展性受到很大限制。

工作頻率低：電控系統(tǒng)的工作頻率較低，觸點的開關動作一般在幾十毫秒數(shù)量級，且機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題，這影響了系統(tǒng)的響應速度和控制精度。

技術門檻高：電控系統(tǒng)的設計和開發(fā)需要較高的技術水平和專業(yè)知識對研發(fā)人員的素質(zhì)要求較高。這也是制約氫燃料電池電控系統(tǒng)發(fā)展和應用的一個重要因素之一。為了解決這個問題并推動氫燃料電池電控系統(tǒng)的發(fā)展和應用推廣我們需要加強人才培養(yǎng)和引進工作以提高整個行業(yè)的技術水平和創(chuàng)新能力；同時還需要加強國際合作和交流以借鑒和引進國際先進技術和經(jīng)驗等。

電控系統(tǒng)如何選擇

在選擇氫燃料電池電控系統(tǒng)時首先需要根據(jù)車輛或應用設備的實際需求來選擇合適的電控系統(tǒng)配置和性能參數(shù)。這需要我們充分了解車輛或應用設備的運行工況和使用環(huán)境以及其對電控系統(tǒng)的具體要求和期望等；同時還需要結合市場需求和用戶反饋等因素進行綜合考慮以制定量身定制的解決方案來滿足客戶的需求和期望等。

可靠性是選擇氫燃料電池電控系統(tǒng)時需要考慮的重要因素之一。需要選擇具有高可靠性和穩(wěn)定性的電控系統(tǒng)以確保其能夠長期穩(wěn)定運行并滿足客戶的需求和期望等。在評估電控系統(tǒng)的可靠性時我們可以關注其歷史運行數(shù)據(jù)和故障記錄等信息；同時還可以考慮采用冗余設計和容錯技術等方式來提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性等。

在選擇氫燃料電池電控系統(tǒng)時我們還需要綜合考慮其成本、性能和使用壽命等因素以選擇性價比最優(yōu)的產(chǎn)品。這需要結合市場需求和用戶反饋等因素進行綜合考慮并制定出合理的預算和采購計劃等；同時還需要關注產(chǎn)品的價格走勢和售后服務等因素以確保能夠選擇到價格合理且服務質(zhì)量優(yōu)良的產(chǎn)品等。

技術支持是選擇氫燃料電池電控系統(tǒng)時需要考慮的另一個重要因素之一。我們需要選擇具有完善技術支持和售后服務的廠家或品牌以確保在使用過程中能夠獲得及時的技術支持和幫助等。在選擇技術支持和售后服務時我們可以關注廠家的技術實力和服務水平等信息；同時還可以考慮與廠家建立長期合作關系以獲得更加全面和深入的技術支持和服務等。

電控系統(tǒng)發(fā)展趨勢

改善燃料電池控制策略離不開氫燃料電池控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)一般由燃料電池發(fā)動機控制器、氫氣循環(huán)泵控制器、空壓機控制器、水泵控制器和燃料電池DC/DC控制器等幾大部分組成。 從目前業(yè)內(nèi)的開發(fā)現(xiàn)狀來看，燃料電池電控系統(tǒng)的提升主要聚焦在大功率、低成本、高可靠性、功能安全和長壽命這幾個方面。 

在大功率方面，以氫燃料電池DC/DC為例，目前已經(jīng)推出的燃料電池系統(tǒng)的峰值功率需求已經(jīng)超過180kW，未來的需求甚至達到300kW，適配更大功率已是大勢所趨。 

在低成本方面，控制器這款產(chǎn)品相對成熟，影響成本的因素主要是用量。目前由于氫燃料電池的市場應用有限，與之相關的電控產(chǎn)品還沒有大規(guī)模的應用，關鍵零部件的價格也居高不下，另外一方面就是電控產(chǎn)品比較分散，器件和線束的冗余在一定程度上增加了系統(tǒng)成本。 

在高可靠性方面，燃料電池商用車工作環(huán)境惡劣、維修成本較高，對電控產(chǎn)品的可靠性有較高的要求，因此在驗證環(huán)節(jié)需要做較長時間的耐久性（高原、高寒、高溫等）測試。 

在功能安全方面，氫燃料電池控制器所要求的功能安全目標要達到ASILB及以上等級，以FCU為例，電堆的溫度高可以提高效率，但必須控制在一定的區(qū)間內(nèi)，但是過高的溫度和壓差會損害質(zhì)子交換膜。 

在長壽命方面，燃料電池系統(tǒng)預期的壽命超過2萬小時，全壽命運行期間參數(shù)會發(fā)生比較大的變化，并且在不同的使用環(huán)境下也存在明顯的差異，因此，控制系統(tǒng)需要對燃料電池單元內(nèi)部的狀態(tài)進行有效的識別和計算。多個控制器的疊加在增加體積的同時，也提升了成本。為了應對以上挑戰(zhàn)，業(yè)內(nèi)部分頭部燃料電池企業(yè)給出的應對策略是化繁為簡，通過多合一集成控制器降低成本，以減少主控芯片、外圍電路、控制器之間的線束以及軟件部分的開發(fā)和維護成本。 

電控系統(tǒng)相關企業(yè) 

 國氫科技：

國家電投集團氫能科技發(fā)展有限公司簡稱：國氫科技，于2017年5月注冊成立，位于北京市昌平區(qū)未來科學城南區(qū)國家電投集團創(chuàng)新基地，是由國家電投批準成立的氫能產(chǎn)業(yè)科技型企業(yè)。國家電力投資集團有限公司在氫燃料電池開發(fā)領域獲重大突破，完成了相關催化劑、擴散層、膜電極、雙極板、電堆組裝、系統(tǒng)控制、空壓機等系統(tǒng)設備自主研發(fā)，在實現(xiàn)燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈完全自主化的同時，部分性能指標達到了世界領先水平。  

全柴動力：

2020年12月全柴集團發(fā)布定增預案，新增氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品。公司積極開展氫燃料電池核心零部件及系統(tǒng)模塊的自主研發(fā)，圍繞材料、工藝、結構、控制等幾大方面進行研究，形成自主完整的生產(chǎn)路線和制備工藝。相比于進口產(chǎn)品，項目擁有較大的價格優(yōu)勢和發(fā)展空間。公司在氫燃料電池智能制造建設項目中投資1.36億元，在燃料電池核心零部件質(zhì)子交換膜、膜電極領域，目前已初步具備批量化生產(chǎn)的前提條件，非公開發(fā)行完成后，可以加速氫燃料電池核心零部件及系統(tǒng)模塊的研發(fā)、量產(chǎn)進度。 

億華通 ：

億華通是中國領先的燃料電池系統(tǒng)制造商，擁有設計、研發(fā)、制造燃料電池系統(tǒng)包括核心零部件燃料電池電堆的能力，產(chǎn)品主要面向商用應用(如客車和貨車)。

未勢能源：

未勢能源科技有限公司致力于推動人類能源低碳可持續(xù)發(fā)展，主要從事氫燃料電池產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)及銷售，主要產(chǎn)品涵蓋燃料電池發(fā)動機、電堆、35MPa/70MPa車載氫系統(tǒng)、瓶閥及減壓閥等。

東方電氣：

東方電氣（成都）氫燃料電池科技有限公司是東方電氣集團氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心平臺。公司致力于成為世界一流的燃料電池供應商和服務商，竭誠為客戶提供氫能利用整體解決方案及燃料電池相關的核心設備和一流服務。

雄韜氫雄:

雄韜氫雄是專注于氫燃料電池發(fā)動機研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的國家級高新技術企業(yè)，通過自主研發(fā)的氫燃料電池發(fā)動機產(chǎn)品應用范圍覆蓋：客車、物流車、乘用車、有軌電車、叉車、船舶等。

素材來源：氫燃料電池小課堂等