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【原创】燃料电池系统控制策略提升路径
系统控制策略 文章来源自:高工氢电网
2022-06-21 09:23:04 阅读:4385
摘要燃料电池的性能的发挥除了取决于电堆等核心部件的品质,控制策略也是提升燃料电池系统和关键部件效率的重要途径。
燃料电池的性能的发挥除了取决于电堆等核心部件的品质,控制策略也是提升燃料电池系统和关键部件效率的重要途径。


当前国内燃料电池系统控制策略整体处于怎样的水平?如何通过优化控制策略让燃料电池的整体性能和效率得以更好地发挥?本文将从系统控制策略的聚焦点和控制器的发展趋势,来论述当下燃料电池系统控制策略的现状和未来的发展方向。

 

系统控制策略的侧重点在哪里?


燃料电池系统控制策略内容包括:系统量定义,ALARM和FAULT判定规则,电压巡检处理策略,工作模式(CRM和CDR)策略,阳极氢气循环回路控制策略,阴极空气传输回路控制策略,冷却液传输回路控制策略,电堆冷却液出口温度设定值策略,CAN 通讯协议等多个组成部分。
 
“燃料电池系统效率提升主要与电堆效率、BOP效率的发挥密切相关。”风氢扬总经理刘军瑞表示,燃料电池系统控制策略的重点在于如何有效地形成配合,减少各级损耗,以达到系统工作的最佳状态。
 
从电堆效率的发挥作用来看,电堆损失主要为活化极化、欧姆极化、浓差极化、渗透损失。燃料电池始终存在不可逆因素导致的损失,而减少各级损失是提升燃料电池运行效率的关键,电堆自身设计和结构起决定作用。
 
那么,如何从控制策略端来提升电堆的效率呢?
 
根据电堆效率的简易计算方法,电堆工作电压比电堆低热值电压再乘以氢气利用率可以得到燃料电池电堆的最高效率。现在电堆最高工作电压一般情况不会超过0.85V,否则对电堆寿命或者耐久性都会产生比较大的影响,电堆低热值电压一般在1.254V,而氢气利用率基本可以实现98%以上,由此可以得出电堆的最高效率大概是66.8%左右。
 
同样由以上公式也可以得出电堆的最低效率,一般情况下电堆的最低额定工作电压是0.6V,最低效率实际上是47%左右,也就是说,电堆的最高效率和最低效率范围基本确定再47%到66.8%之间,由电堆的效率减去BOP损耗的功率,剩下就是系统输出功率。
 
“燃料电池系统看起来是个集成的工作,但这种集成不是简单的拼凑,而是需要深刻的认识和丰富的经验积累。”刘军瑞坦言,如果系统厂商本身不生产电堆,能利用好电堆和BOP才能看出这家企业的真本事。
 
事实上,不管是空压机、氢气循环泵、水泵、风扇等任何一个零部件,都存在一个效率最佳的工作区间,如果想实现整个系统效率的提升,必须让每一个零部件尽量处于高效区工作,这样才能总体上提高燃料电池系统的效率。
 
另一方面,通过增加工作电压或者输出功率,可以一定条件下改善系统效率,但总体上随着工作电流的增加,燃料电池系统的效率是逐渐下降的,因此平衡使用成本和原材料成本也是未来燃料电池系统设计需要面临的一个问题。
 
刘军瑞以风氢扬额定功率110kW燃料电池系统来举例说明,尽可能地降低BOP辅件的能耗是提高系统效率的关键举措。现阶段风氢扬“从根源出发”优化系统设计,通过低流阻系统设计、BOP选型及工作状态优化、操作条件﹣FC功率目标多参数设计优化,系统最高效率达61%,额定点效率44%以上。
 

燃料电池控制器的集成化趋势


改善燃料电池控制策略离不开氢燃料电池控制系统,该控制系统一般由燃料电池发动机控制器、氢气循环泵控制器、空压机控制器、水泵控制器和燃料电池DC/DC控制器等几大部分组成。
 
从目前业内的开发现状来看,燃料电池电控系统的提升主要聚焦在大功率、低成本、高可靠性、功能安全和长寿命这几个方面。
 
在大功率方面,以氢燃料电池DC/DC为例,目前已经推出的燃料电池系统的峰值功率需求已经超过180kW,未来的需求甚至达到300kW,适配更大功率已是大势所趋。
 
在低成本方面,控制器这款产品相对成熟,影响成本的因素主要是用量。目前由于氢燃料电池的市场应用有限,与之相关的电控产品还没有大规模的应用,关键零部件的价格也居高不下,另外一方面就是电控产品比较分散,器件和线束的冗余在一定程度上增加了系统成本。
 
在高可靠性方面,燃料电池商用车工作环境恶劣、维修成本较高,对电控产品的可靠性有较高的要求,因此在验证环节需要做较长时间的耐久性(高原、高寒、高温等)测试。
 
在功能安全方面,氢燃料电池控制器所要求的功能安全目标要达到ASILB及以上等级,以FCU为例,电堆的温度高可以提高效率,但必须控制在一定的区间内,但是过高的温度和压差会损害质子交换膜。
 
在长寿命方面,燃料电池系统预期的寿命超过2万小时,全寿命运行期间参数会发生比较大的变化,并且在不同的使用环境下也存在明显的差异,因此,控制系统需要对燃料电池单元内部的状态进行有效的识别和计算。
 
多个控制器的叠加在增加体积的同时,也提升了成本。为了应对以上挑战,业内部分头部燃料电池企业给出的应对策略是化繁为简,通过多合一集成控制器降低成本,以减少主控芯片、外围电路、控制器之间的线束以及软件部分的开发和维护成本。
 
雄韬氢雄研发人员向高工氢电透露:“此前公司与同济大学开发的1.0版本燃料电池一体化控制器,已经应用于部分车型上。考虑到未来燃料电池批量化推广的需要,正在联合开发升级的2.0版本已经取得较大进展,这种模块化的产品设计成本更低、可靠性更高、体积更小。成果转化后,不止限于雄韬氢雄内部使用,也可以对外销售。”
 
在国外的燃料电池企业中,纽威莱的控制器也是走的一体化方向,其集成了对电堆电化学的反应控制,包括氢气氧气浓度管理、电流压力管理、湿度管理等。通过深入了解电堆的反映机理,更易配合BOP部件开发,整个系统的软件控制能力得到全面提升,从而有效提升燃料电池运行效率及功率密度。
 
“燃料电池是一个多参数输入多参数输出的复杂的功能耦合系统,需要大量的理论基础和大量的工程经验的结合才能够使燃料电池系统效率处于综合最优的状态,控制策略的提升将是一个长期的过程。”刘军瑞表示,目前燃料电池系统企业之间的竞争还远远没有进入到技术较量的阶段,未来系统控制策略的优劣将会成为评判一家系统企业优秀与否的重要标准。


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