03--氢燃料电池汽车的串并联

01--工作原理

燃料电池是一种通过燃料和氧气的电化学反应来产生电、热和水的电化学装置

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。

氢燃料电池车的工作原理是：将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水（蒸气）带走，就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达60~80%，为内燃机的2～3倍。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车，氢燃料是完美的汽车能源！

02--各个子系统及其零部件作用

带控制器的零部件：

电堆水泵、CVM、空压机、循环泵、旁通阀、HDCDC、背压阀、节温器、LDCDC、主风扇、HTCU（储氢）

①电堆系统 1.电堆

电堆是是由多个单体电池以串联方式层叠组合构成电池堆。

电堆的目的是，为了获得实际应用的电压。燃料电池单体的电压很低，在一定的负载下，电池单体的输出电压不够，这意味着要提供足够的电压就必须将多个电池串联起来，把单体电池串联起来就是电池堆。电池堆电压是多个电池电压的总和。

2.电堆壳体

主要防护电堆安全运行，设计强度计算满足5g要求，整体满足IP67防护等级

②控制系统 1.CVM

CVM（Cell ） 电堆电压巡检模块，检测电堆单电池电压

一般CVM有如下特点：

●高精度单片电压测量；

●采集通道数可以控制；

●严格汽车电子标准设计，可靠性高；

●集成度高，体积小巧，方便整车集成；

●主要应用于燃料电池系统、电池管理系统的电堆电压监控等领域。

●通过CAN和FCCU进行交互

一般包含控制器和通道针脚，通道针脚可以检测一片单电池或多片。可以通过FCU发送报文配置

2.FCCU

控制燃料电池运行；故障诊断；

在燃料电池控制系统中，燃料电池系统控制器（Fuel-cell Unit简称FCU）负责接收整车的控制指令，协调燃料电池系统内的其他控制器和执行器工作，为车辆发出所需功率的电能。同时，FCU还具有实施监测的功能，它能监测传感器状态，实时诊断整个系统的故障，并在故障发生时及时“命令”系统做出反应，避免故障伤害电堆。所以，燃料电池系统控制器相当于整个系统控制的大脑，它对提升燃料电池经济性、耐久性、动力性以及可靠性起着至关重要的作用。

③电能系统 1.高压DCDC

电堆电压升压至电机需求电压，直流母线电压，并输出至车辆高压配电箱；系统需求输出；

2.电堆铜排

如果有多个电堆，可以将电堆串联起来，连接高压DCDC的正负极，安全稳定的输出电能。

3.低压DCDC

有些零部件是低压供电，需要经过低压DCDC转化为24V供电

④氢气系统

氢气系统主要由高压储氢瓶、调压阀、氢气喷射器、氢气循环泵、气水分离器及脉冲排氢阀组成。

1.氢气循环泵

系统中氢气的循环利用

为了提高燃料电池的反应效率，减少燃料电池在加速时的反应时间，一般，燃料电池的氢气供给量大于氢气的理论消耗量。如果不做氢气循环，将这些过量供应的氢气直接随尾气排放，会造成氢气的大量浪费。而比氢气浪费更让人关注的是氢气的排放安全，如果不做氢气循环，那么大量未反应的氢气直接经尾排口排放至大气会造成极大的高浓度排氢隐患。将燃料电池堆内部由于电化学反应生成的水循环至氢气入口，起到给进气加湿的作用，改善燃料电池堆内的水润水平，提高了水管理能力，进而提升燃料电池堆的输出特性。

2.汽水分离器

通常，未反应完的氢气在循环回氢气入口端前均要经过气液分离器，将液态水分离出去。通过燃料电池的电化学反应原理我们知道，水在阴极生成，而生成的水也大部分都通过空气出口排出。但在燃料电池工作过程中，有一部分水会通过质子交换膜反扩散到阳极。因此，从氢气出口中出来的除了反应完的氢气，还掺杂有水、氮气（由阴极侧渗透过来），而如果不对氢气中混杂的液态水进行处理，就会导致大量的液态水进入电堆，堵塞气体扩散层，造成水淹，严重影响燃料电池堆的正常运行。因此，在氢气循环泵（或引射器引射口）口前端安装气液分离器是很有必要的。

3.调压器

控制燃料电池氢气压力及流量；

比例阀：氢气供给的流量及压力

电磁阀 ：氢气供给的开启和关闭

调压阀的作用是将储氢瓶出来70MPa的超高压氢气减压到1.0-1.5MPa，减至氢气喷射器的入口压力。

4.排氢阀

阴阳极反应完成后多余氢气排出；上电开启燃电系统时，利用排氢阀排出系统内多余的空气

5.排水阀

对反应生成的水进行排出，通过汽水分离器内的液位传感器进行检测

6.氢气浓度传感器

检测氢气浓度，若浓度超标，系统会报警

⑤空气系统

1.增压器（空压机）

对系统需求空气进行增压，并冷却至系统需求温度范围；

为电堆输送特定压力及流量的洁净空气，为电堆的内部化学反应提供氧气。

喘振：当空压机工作在低流量、高压缩比的情况下容易发生气流振荡，称之为喘振。

防止喘振措施：空气路中设有旁通阀，当喘振发生时，通过旁通阀将空压机流量增大，使得空压机从喘振工作区中脱离出来。

2.旁通阀

除了上述作用，旁通阀还可以稀释电堆阳极出口排出的氢气，保障排氢安全。

3.中冷器

空气经空气压缩机压缩后，温度会急剧升高，为使燃料电池高效运行，需要燃料电池阴极侧始终处于合适的温度区间，因此，需要用中冷器对压缩空气进行适当的冷却。

4.背压阀

根据电堆的进气需求，与空压机配合，为燃料电池电堆提供适当流量和压力的空气。控制系统空气路压力；

5.加湿器

燃料电池发动机在运行过程中，质子交换膜含水率对电堆的性能和寿命有重要作用：若质子交换膜含水率过低，就不能有效传导质子，电堆性能下降，长时间运行甚至会导致质子交换膜损坏，最终燃料电池发动机无法正常工作；若质子交换膜含水率过高，会导致水淹，燃料电池发动机也无法正常工作。因此，进气加湿控制技术对保持质子交换膜适当的含水率，提高燃料电池发动机性能具有重要意义。

6.消声器

当空压机的流量较大时，会产生较大的排气噪音，加装消音器能够得到有效降低，以保障燃料电池汽车的NVH性能。

7.空气流量计

测量进入空气管道的空气流量，进而用于标定进入燃料电池阴极的氧气的过量系数

8.空气滤清器

空气中有害气体对电池的损害比较大，其中SO2对阴极催化剂具有强吸附作用。空滤：对颗粒物进行过滤，对杂质进行吸附如SO2、NOx

⑥冷却系统 1.电堆水泵

电子水泵是燃料电池系统冷却系统的核心部件，通过改变冷却液流量，来控制燃料电池堆的温度，使燃料电池堆的工作温度处于相对适合的区间内（通常控制燃料电池堆维持在80℃左右，控制电堆的冷却液进出口温度温差在10℃以内，5℃更佳）。

2.节温器（温控阀）

节温器具有一个进口两个出口，通过调节阀的开度可以调节液体流量通过两个出口的配比，进而起到分配到大小循环上流量的效果，对燃料电池冷却系统的精准温控起着重要作用。

节温器的作用是用来控制冷却系统的大小循环。其工作原理是通过控制冷却液的流向和打开的大小程度来保证温度在适宜的范围。就相当于是人身上穿衣服，天冷就多穿些，天热就少穿些。节温器是由电机执行机构、阀体、进出口及壳体组成。燃料电池系统对节温器的要求是响应速度快、内部泄漏量低、带位置反馈信息（电机节温器）。

3.去离子器

对电堆冷却液中的离子进行纯化

为防止车内和车外人员触电，保障燃料电池汽车的乘员安全，燃料电池系统的高压绝缘处理尤其是冷却系统的高压绝缘处理显得尤为重要。

燃料电池要靠冷却系统带走热量，在此过程中，冷却液需流经高电位的双极板，如果冷却液电导率较高，高压电就会通过冷却液传导到外部，因此，在绝缘方面对冷却液的要求较高。冷却液在循环过程中，冷却液中的杂质会不断增加，导致冷却液的电导率上升，电阻值下降，绝缘性能随之下降，因此，为使冷却液始终保持较低的电导率，需要在冷却系统加装去离子器，以使得冷却液的电导率始终处于较低的水平。

去离子水：燃料电池中常用水冷式中冷器，介质是去离子水，水是一种万能溶剂，溶解的盐类物质的水是可以导电的。水中含盐量的多少可以简单地用水的电导率来表示。地下水的电导率约700us/cm，淡水100-300us/cm,而去离子水几十us/cm~0.055us/cm

4.PTC加热器

一般用于冷启动，低温状态下提供热源，加热冷却液，预热电堆

5.附件散热总成（水泵，风扇）

对系统辅件（高压DC、增压器及控制器）进行冷却散热；

6.膨胀水箱

冷却液加注口，提供系统膨胀空间

03--氢燃料电池汽车的串并联

根据混合型燃料电池汽车中燃料电池和蓄电池的电路结构，可将混合型燃料电池汽车分为串联式和并联式两种，

串联式燃料电池汽车串联式燃料电池汽车动力系统的构成如图所示。其燃料电池相当于车载发电装置，通过DC-DC转换器进行电压转换后对蓄电池充电，再由蓄电池向电动机提供驱动车辆的全部电力。串联式燃料电池汽车的特点与普通的串联式混合动力电动汽车相似，其优点是可采用小功率的燃料电池，但要求蓄电池的容量和功率足够大，而且燃料电池发出的电能需要经过蓄电池的电化学转换过程，从中有能量的转换损失。目前，串联式燃料电池汽车较为少见。

并联式燃料电池汽车 并联式燃料电池汽车动力系统的构成如图所示。它由燃料电池和蓄电池共同向电动机提供电力。根据燃料电池与蓄电池能量大小配置的不同，可将其分为大燃料电池型和小燃料电池型两种。大燃料电池型主要由燃料电池提供电力，蓄电池的容量较小，只是在电动汽车起步、加速、爬坡等行驶工况时协助供电，并且在车辆减速与制动时进行能量回收；小燃料电池型则必须采用大容量的蓄电池，由蓄电池提供主要的电力，而燃料电池只是协助供电。并联式是目前燃料电池汽车采用较多的形式。

04--氢燃料电池的控制 ①燃料电池控制：

氢气子系统的控制：主要涉及到电控调压阀内的电磁阀及比例阀的控制，氢气循环泵的控制，排气阀排水阀的控制，储氢瓶阀的控制（该部分由HMS管理，FCCU通过CAN发送开瓶阀请求，若HMS和VCU直接交互，则FCCU对VCU发送开瓶阀请求，由VCU转给HMS）

空气子系统的控制：涉及空压机的控制，背压阀及三通阀的控制，旁通阀的控制，一般都是开度的控制，会涉及到PID调节

水热管理控制：水泵、风扇、节温器、PTC等的控制

电相关控制：高低边继电器控制，DCDC控制等

②燃电的交互控制

1.HMS与VCU的交互

2.FCCU与VCU的交互

3.HMS与FCCU的交互

4.整车VCU能量管理策略

5.整车上下电及燃料电池的开关机策略

6.整车与燃电系统的高低压交互

该部分暂不详解

05--燃料电池高低压配电流程图