科普 | 什么是氢燃料电池的电控系统？

在深入科普了几期氢燃料电池知识后，终于迎来了最需要重点强调的电控系统。这一系统不仅是燃料电池能够安全和可靠运行的关键所在，更是提升系统效率、延长使用寿命以及实现环保节能目标的核心技术支撑。

电控系统的概念和工作原理

氢燃料电池的电控系统是对氢燃料电池的运行进行控制和管理的系统。它作为整个动力系统的核心大脑，不仅负责监控电池堆的实时状态，还精确调控着氢气的供给与空气的吸入比例，确保化学反应在最优条件下进行。这一系统集成了先进的传感器技术、高速数据处理能力以及智能控制算法，能够迅速响应外部环境变化和车辆行驶需求，实现能量的高效转换与利用。

氢燃料电池的电控系统工作原理基于氢气和氧气通过电化学反应生成电能。在阳极，氢气在催化剂作用下发生电化学反应，释放电子生成质子；质子通过电解质膜迁移到阴极，与氧气在催化剂作用下发生电化学反应，生成水。

电控系统的构成

主控单元：作为整个电控系统的“大脑”，其重要性不言而喻。它不仅负责接收并处理来自车辆或应用设备的控制指令，还时刻监测着遍布于燃料电池系统各处的传感器数据。这些数据如同细流汇聚成河，为主控单元提供了丰富的信息源，使其能够运用先进的控制算法，对系统进行精确无误的调控。在这个过程中，主控单元展现出了高度的智能化和自主性，确保了燃料电池系统能够在各种复杂工况下保持最佳的运行状态。

传感器网络：是氢燃料电池电控系统的“感官系统”。它包含了温度传感器、压力传感器、湿度传感器等多种类型的传感器，这些传感器如同分布在系统各处的“哨兵”，时刻监测着燃料电池系统各部件的状态参数。这些参数不仅反映了系统的运行状况，还隐藏着潜在的问题和隐患。通过对这些参数的实时监测和分析，传感器网络能够及时发现并报告给主控单元，为系统的故障诊断和预防性维护提供了重要的数据支持。

执行器：则是氢燃料电池电控系统的“手臂”。它们根据主控单元的控制指令，精准地执行相应的动作。例如，氢气循环泵负责调节氢气的流动速度和压力，空气压缩机则负责为燃料电池提供足够的氧气。这些执行器在运行过程中需要保持高度的稳定性和可靠性，以确保燃料电池系统能够持续、高效地运行。同时，它们还需要具备一定的响应速度和调节精度，以满足系统在不同工况下的需求。

通信接口：是氢燃料电池电控系统与车辆或其他应用设备进行数据交换和通信的“桥梁”。它采用了先进的通信技术和协议标准，确保了数据在传输过程中的准确性、实时性和安全性。通过通信接口，电控系统可以实时接收来自车辆或应用设备的控制指令和状态信息，并将自身的运行状态和故障信息反馈给这些设备。这种双向的信息交流为系统的远程监控、故障诊断和预防性维护提供了便利条件。

电源管理单元：则是氢燃料电池电控系统的“能量守护者”。它负责燃料电池系统的电源分配和管理工作，确保各部件在运行过程中能够获得稳定、可靠的电力供应。同时，电源管理单元还具备一定的能量回收和再利用功能，可以将系统在制动或减速过程中产生的多余能量回收并储存起来，以备后续使用。这种设计不仅提高了系统的能量利用效率，还降低了系统的运行成本和维护成本。

电控系统的优点

燃料电池电控系统不仅集成了先进的传感器技术、算法优化以及通信接口，实现了对燃料电池堆的全方位精准调控，还融入了智能诊断与故障预测功能，为系统的稳定运行保驾护航。

高度集成化：氢燃料电池电控系统采用了高度集成化的设计思想，将多个控制单元和传感器集成在一起形成了一个紧凑而高效的系统。这种设计不仅减少了系统的体积和重量，还提高了系统的可靠性和稳定性。同时，高度集成化还使得系统的安装和维护变得更加简单和方便。

高精度控制：通过先进的控制算法和传感器技术，氢燃料电池电控系统实现了对燃料电池系统各部件的精确控制。这种高精度控制不仅提高了系统的运行效率和稳定性，还减少了能源的浪费和排放物的产生。同时，高精度控制还有助于延长系统的使用寿命和降低运行成本。

实时监测与故障诊断：氢燃料电池电控系统具备实时监测和故障诊断功能，能够及时发现并处理系统中的故障问题。这种功能对于保障系统的安全运行和减少故障损失具有重要意义。通过实时监测和故障诊断技术，我们可以提前发现潜在的问题和隐患，并采取相应的措施进行预防和修复。这样可以有效避免故障扩大和造成更大的损失。

高可靠性：氢燃料电池电控系统采用了冗余设计和容错技术来确保其高可靠性。在部分部件出现故障时，系统仍然能够继续运行并满足基本的性能要求。这种高可靠性不仅保障了系统的安全运行和稳定运行，还提高了系统的可维护性和可扩展性。

提升系统效率：通过精确控制燃料电池系统各部件的工作状态以及优化能源分配策略，氢燃料电池电控系统能够显著提升系统的能量转换效率和运行效率。这种高效能运行不仅有助于降低系统的运行成本和维护成本，还有助于减少对环境的污染和破坏。同时，高效能运行还有助于提高车辆的续航里程和加速性能等性能指标。

延长使用寿命：实时监测和故障诊断功能使得氢燃料电池电控系统能够及时发现并处理系统中的潜在问题。这种预防性维护方式有助于减少故障对系统寿命的影响并延长系统的使用寿命。同时，高度集成化和高精度控制也有助于降低系统的磨损和老化速度并提高系统的稳定性和可靠性。

降低运行成本：高效、稳定的运行状态以及低故障率使得氢燃料电池电控系统能够降低系统的运行成本和维护成本。同时，随着技术进步和规模化生产成本的降低以及政策扶持力度的加大等因素的推动下，氢燃料电池电控系统的成本也有望进一步降低并推动其更广泛的应用和推广。

环保节能：氢燃料电池系统的排放物只有水，对环境无污染且符合环保节能的发展趋势。这使得氢燃料电池电控系统成为绿色出行和可持续发展的重要技术手段之一。同时，随着全球对环境保护和可持续发展的重视程度不断提高以及政策引导和支持力度的加大等因素的推动下，氢燃料电池电控系统的应用前景也将更加广阔和光明。

电控系统的缺点

电控系统的缺点主要包括可靠性问题、维护成本高、扩展性差、灵活性受限以及工作频率低。

可靠性问题：电控系统使用了大量的机械触点，连线多，触点开闭时存在机械磨损、电弧烧伤等现象，触点寿命短，导致可靠性和可维护性较差。

维护成本高：由于电控系统的机械部件容易受到磨损和老化的影响，需要定期进行维护和更换，增加了系统的维护成本。由于电控系统集成了多个高精度传感器和控制器以及采用先进的控制算法和技术等因素导致系统的成本较高。这是目前制约氢燃料电池电控系统广泛应用和推广的主要因素之一。

扩展性差：电控系统的控制逻辑通常是硬连线固定的，不易调整和修改。在继电器控制系统中，扩展性相对较差，需要重新布线和更换继电器以实现功能扩展。

灵活性受限：电控系统的灵活性受到限制，因为继电器的触点数量有限，以及控制逻辑采用硬件接线的方式，使得系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。

工作频率低：电控系统的工作频率较低，触点的开关动作一般在几十毫秒数量级，且机械触点还会出现抖动问题，这影响了系统的响应速度和控制精度。

技术门槛高：电控系统的设计和开发需要较高的技术水平和专业知识对研发人员的素质要求较高。这也是制约氢燃料电池电控系统发展和应用的一个重要因素之一。为了解决这个问题并推动氢燃料电池电控系统的发展和应用推广我们需要加强人才培养和引进工作以提高整个行业的技术水平和创新能力；同时还需要加强国际合作和交流以借鉴和引进国际先进技术和经验等。

电控系统如何选择

在选择氢燃料电池电控系统时首先需要根据车辆或应用设备的实际需求来选择合适的电控系统配置和性能参数。这需要我们充分了解车辆或应用设备的运行工况和使用环境以及其对电控系统的具体要求和期望等；同时还需要结合市场需求和用户反馈等因素进行综合考虑以制定量身定制的解决方案来满足客户的需求和期望等。

可靠性是选择氢燃料电池电控系统时需要考虑的重要因素之一。需要选择具有高可靠性和稳定性的电控系统以确保其能够长期稳定运行并满足客户的需求和期望等。在评估电控系统的可靠性时我们可以关注其历史运行数据和故障记录等信息；同时还可以考虑采用冗余设计和容错技术等方式来提高系统的可靠性和稳定性等。

在选择氢燃料电池电控系统时我们还需要综合考虑其成本、性能和使用寿命等因素以选择性价比最优的产品。这需要结合市场需求和用户反馈等因素进行综合考虑并制定出合理的预算和采购计划等；同时还需要关注产品的价格走势和售后服务等因素以确保能够选择到价格合理且服务质量优良的产品等。

技术支持是选择氢燃料电池电控系统时需要考虑的另一个重要因素之一。我们需要选择具有完善技术支持和售后服务的厂家或品牌以确保在使用过程中能够获得及时的技术支持和帮助等。在选择技术支持和售后服务时我们可以关注厂家的技术实力和服务水平等信息；同时还可以考虑与厂家建立长期合作关系以获得更加全面和深入的技术支持和服务等。

电控系统发展趋势

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。 

电控系统相关企业 

 国氢科技：

国家电投集团氢能科技发展有限公司简称：国氢科技，于2017年5月注册成立，位于北京市昌平区未来科学城南区国家电投集团创新基地，是由国家电投批准成立的氢能产业科技型企业。国家电力投资集团有限公司在氢燃料电池开发领域获重大突破，完成了相关催化剂、扩散层、膜电极、双极板、电堆组装、系统控制、空压机等系统设备自主研发，在实现燃料电池全产业链完全自主化的同时，部分性能指标达到了世界领先水平。  

全柴动力：

2020年12月全柴集团发布定增预案，新增氢燃料电池系统产品。公司积极开展氢燃料电池核心零部件及系统模块的自主研发，围绕材料、工艺、结构、控制等几大方面进行研究，形成自主完整的生产路线和制备工艺。相比于进口产品，项目拥有较大的价格优势和发展空间。公司在氢燃料电池智能制造建设项目中投资1.36亿元，在燃料电池核心零部件质子交换膜、膜电极领域，目前已初步具备批量化生产的前提条件，非公开发行完成后，可以加速氢燃料电池核心零部件及系统模块的研发、量产进度。 

亿华通 ：

亿华通是中国领先的燃料电池系统制造商，拥有设计、研发、制造燃料电池系统包括核心零部件燃料电池电堆的能力，产品主要面向商用应用(如客车和货车)。

未势能源：

未势能源科技有限公司致力于推动人类能源低碳可持续发展，主要从事氢燃料电池产品研发、生产及销售，主要产品涵盖燃料电池发动机、电堆、35MPa/70MPa车载氢系统、瓶阀及减压阀等。

东方电气：

东方电气（成都）氢燃料电池科技有限公司是东方电气集团氢能与燃料电池产业发展的核心平台。公司致力于成为世界一流的燃料电池供应商和服务商，竭诚为客户提供氢能利用整体解决方案及燃料电池相关的核心设备和一流服务。

雄韬氢雄:

雄韬氢雄是专注于氢燃料电池发动机研发及产业化的国家级高新技术企业，通过自主研发的氢燃料电池发动机产品应用范围覆盖：客车、物流车、乘用车、有轨电车、叉车、船舶等。

素材来源：氢燃料电池小课堂等