氫能燃料電池汽車是具有廣闊發(fā)展前景的新能源汽車，其具有加氫時間短、續(xù)駛里程長等諸多優(yōu)點。車載燃料電池系統(tǒng)通常包含電堆和外圍氫氣、空氣、冷卻等零部件，電堆進一步包括質子交換膜、催化劑層、氣體擴散層、雙極板等，由于1片單片電池的理論電壓為1.23 V，其通常通過幾百片并聯實現大功率輸出。通常情況下，燃料電池系統(tǒng)冷啟動過程中，會采用較低的空氣計量比降低燃料電池系統(tǒng)輸出電壓，以加快啟動速率。因此，在冷啟動過程中，燃料電池輸出電壓較低，通常在50V以下，然而正常運行時其輸出電壓較高，在200 V以上，商用車的電壓平臺為400?750V，因此需要DC?DC轉換器能適應較寬的升壓比范圍。

目前，現有技術尚無解決燃料電池在冷啟動切換至正常運行過程中燃料電池與DC?DC轉換器的寬升壓比范圍的協(xié)調控制問題的方法，導致車載燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境適應性與可靠性較差。本文介紹一種車載燃料電池系統(tǒng)及其啟動運行控制方法，用以解決現有技術尚無冷啟動切換至正常運行過程中燃料電池與DC?DC轉換器的寬升壓比范圍內協(xié)調控制方法的問題。車載燃料電池系統(tǒng)包括電堆、DC?DC轉換器、氫氣設備、空氣設備和控制器;其中，電堆的氫氣進氣口與氫氣設備的輸出端連接，空氣進氣口與空氣設備的輸出端連接，供電端與DC?DC轉換器連接;

控制器用于低溫啟動時，控制DC?DC轉換器置于較低的開關頻率，啟動空氣設備、氫氣設備，調整入堆空氣計量比和電堆的供電電流，使得電堆輸出目標電壓，完成低溫啟動;由低溫啟動切換至高溫運行時，控制電堆的輸出電流降低至標定值后，調整入堆空氣計量比至目標計量比;高溫運行時，控制DC?DC轉換器置于較高的開關頻率，再根據整車的實時功率需求，實時調整燃料電池參數。該方案的優(yōu)點如下：通過DC?DC轉換器的開關頻率的切換(低?高)，基于電流環(huán)與流量環(huán)的雙閉環(huán)調節(jié)，實現了車載燃料電池系統(tǒng)在低溫啟動、高溫運行及其切換過程中的升壓比與電流精度的多目標優(yōu)化控制，增強了車載燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境適應性與可靠性。

數據采集單元，用于分別采集入堆冷卻液、出堆冷卻液水溫，空壓機的輸入端空氣流量，入堆空氣流量、入堆氫氣流量，以及電堆的實際輸出電壓與電流，發(fā)送至數據處理與控制單元;數據處理與控制單元，用于低溫啟動時，先控制DC?DC轉換器置于較低的開關頻率，再啟動空氣設備、氫氣設備，監(jiān)測電堆的實際輸出電壓，根據電堆的實際輸出電壓與目標電壓的差值調整入堆空氣計量比和電堆的供電電流，使得電堆輸出目標電壓，完成低溫啟動;由低溫啟動切換至高溫運行時，先控制電堆的輸出電流降低至標定值后，再調整入堆空氣計量比至目標計量比;高溫運行時，控制DC?DC轉換器置于較高的開關頻率，再根據整車的實時功率需求，控制執(zhí)行單元實時調整燃料電池參數;

執(zhí)行單元，用于根據數據處理與控制單元的控制，控制冷卻液水溫，或控制氫氣設備、空氣設備輸出氣體的壓力和流量。

數據采集單元進一步包括：

溫度傳感器，分別設置于整車車廂內、電堆的冷卻液入口和冷卻液出口處，用于采集當前時刻的環(huán)境溫度，以及布設位置處的冷卻液水溫;流量壓力一體傳感器，分別設置于空壓機的輸入端、電堆的空氣入口、氫氣入口處，用于采集布設位置處通流氣體的流量和壓力;電流監(jiān)測設備，設置于電堆、DC?DC轉換器之間，用于采集電堆的實際輸出電流，電流采集使用霍爾電流傳感器CH704200CT;

電壓監(jiān)測設備，與電堆的供電端連接，用于采集電堆兩側的實際輸出電壓。上述進一步改進方案的有益效果是：對數據采集單元的傳感器種類進行了限定，使得啟動運行控制過程更加精準。控制DC?DC轉換器與車載動力電池連接，使得車載動力電池通過DC?DC轉換器對空氣設備、氫氣設備供電，并控制執(zhí)行單元對入堆冷卻液開始進行加熱;在加熱的同時，啟動空氣設備、氫氣設備，監(jiān)測電堆的實際輸出電壓，獲取電堆的實際輸出電壓與目標電壓的差值;根據所述差值調整入堆空氣計量比和電堆的供電電流，直到電堆輸出目標電壓，斷開車載動力電池;在調整過程中，同步監(jiān)測出堆冷卻液溫水溫，直到出堆冷卻液水溫達到標定溫度，停止加熱，完成燃料電池的低溫啟動。上述進一步改進方案的有益效果是：增加了冷啟動判斷，通過DC?DC轉換器的開關頻率的切換，基于電流環(huán)與流量環(huán)的雙調節(jié)，實現了燃料電池系統(tǒng)在低溫啟動過程中的優(yōu)化控制，進一步增強了車載燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境適應性與可靠性。進一步，整車運行時，所述數據處理與控制單元執(zhí)行如下程序：監(jiān)測當前時刻的出堆冷卻液溫水溫;將所述出堆冷卻液溫水溫與標定溫度進行比較，判斷燃料電池是否高溫運行;如果出堆冷卻液溫水溫小于等于標定溫度，判定燃料電池非高溫運行，根據整車的實時功率需求，控制執(zhí)行單元調整燃料電池參數;否則，判定燃料電池高溫運行，執(zhí)行下一步;

控制兩個調壓閥調整開度，使得電堆的實際輸出電流降低至標定值;所述標定值為標定的使得電堆輸出電流穩(wěn)定的切換電流幅值;控制空壓機的轉速，使得入堆空氣計量比調整至目標計量比;控制DC?DC轉換器變更至較高的開關頻率，再根據整車的實時功率需求，控制執(zhí)行單元實時調整燃料電池參數;所述燃料電池參數包括入堆氫氣和空氣的壓力、流量，以及入堆冷卻液水溫;所述較高的開關頻率為在低升壓比下能夠維持DC?DC轉換器較高的電流控制精度的標定頻率。上述進一步改進方案的有益效果是：增加了高溫運行的判斷，通過DC?DC轉換器的開關頻率的切換，基于電流環(huán)與流量環(huán)的雙閉環(huán)調節(jié)，實現了燃料電池系統(tǒng)在高溫運行及其切換過程中的優(yōu)化控制，進一步增強了車載燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境適應性與可靠性。進一步，所述氫氣設備進一步包括依次連接的氫源、氫噴設備、氫氣進氣節(jié)氣閥;其中，所述空氣進氣設備進一步包括依次連接的空壓機、空氣進氣節(jié)氣閥;

所述執(zhí)行單元進一步包括可變電阻器、多個MOS開關、冷卻液水溫調控設備;并且，所述可變電阻器設置于DC?DC轉換器與整車用電設備之間，每一所述MOS開關設置于數據處理與控制單元與調壓閥或空壓機或冷卻液水溫調控設備之間;所述冷卻液水溫調控設備設置于電堆的冷卻液入口與冷卻液出口之間。上述進一步改進方案的有益效果是：對氫氣設備、空氣進氣設備以及執(zhí)行單元的組成進一步限定，可以有效控制低溫啟動、高溫運行過程中的電堆輸出電流、冷卻液溫度、空壓機輸出流量，以及入堆氣體壓力。進一步，該系統(tǒng)還包括尾排電磁閥;其中，所述尾排電磁閥的輸入端也與電堆的排氣口連接，其控制端與控制器的輸出端連接。上述進一步改進方案的有益效果是：通過設置尾排電磁閥，進一步提高了車載燃料電池系統(tǒng)的安全性。電堆內氣體壓力過大(超閾值)時，控制器能夠控制尾排電磁閥提高開啟頻率及時泄壓。文章中提到的CH704芯片是意瑞半導體(上海)有限公司推出隔離集成式電流傳感器芯片，該芯片可以替代Allegro的大電流霍爾電流傳感器ACS756/ACS758/ACS770/ACS772，其中CH704A是滿足汽車級標準的產品，填補了國內的空白。

CH704 是專為大電流檢測應用開發(fā)的隔離集成式電流傳感芯片。CH704 內置 0.1mΩ 的初級導體電阻，有效降低芯片發(fā)熱支持大電流檢測：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其內部集成獨特的溫度補償電路以實現芯片在 -40 到150-°C全溫范圍內良好的一致性。出廠前芯片已做好靈敏度和靜態(tài)(零電流)輸出電壓的校準，在全溫度范圍內提供 ±2% 的典型準確性。

產品信息如下：

? 隔離電壓：4800VRMS

? AEC-Q100 汽車認證 (CH704A)

? 電源：4.5-5.5V

? 輸出電壓與電流成正比：+/-50A,+/-100A,+/-150A,+/-200A

? 帶寬：120kHz

? 響應時間：2us

? 寬溫度范圍：-40-°C 至 150-°C

? 使用 EEPROM 進行高分辨率偏移和靈敏度調整

? 導線電阻：0.1 mΩ

? 集成數字溫度補償電路

? 幾乎為零的磁滯

? 電源電壓的比例輸出

? 抗外部磁場

原文標題：車載燃料電池系統(tǒng)及其啟動運行控制方法介紹(霍爾電流傳感器CH704200CT應用案例)

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