未勢(shì)能源依托長(zhǎng)城集團(tuán)的長(zhǎng)期戰(zhàn)略規(guī)劃，對(duì)第二代100kW級(jí)燃料電池系統(tǒng)的性能進(jìn)行了全方位的升級(jí)，具備了行業(yè)領(lǐng)先的高效率、快響應(yīng)、長(zhǎng)壽命、低故障率以及NODS在線故障診斷能力。

本文將主要分享未勢(shì)能源在燃料電池系統(tǒng)快速響應(yīng)技術(shù)上的相關(guān)的開發(fā)過程和部分測(cè)試數(shù)據(jù)表現(xiàn)。

為了滿足整車的平均60kW/s的燃料電池系統(tǒng)凈功率響應(yīng)需求，系統(tǒng)首先需要考慮燃料電池電堆升載能力和系統(tǒng)輔件的寄生功率消耗。其中，系統(tǒng)的高壓輔件主要由空壓機(jī)、氫泵、水泵組成，且往往氫泵和水泵的額定功率不超過1kW，而空壓機(jī)的額定功率在15kW左右，并在升載過程中存在明顯的功率尖峰問題。

^{空壓機(jī)功率尖峰示意圖}

基于對(duì)系統(tǒng)輔件寄生功率的初步估算，燃料電池電堆需要滿足約80kW/s的平均升降載能力。并且，針對(duì)電堆的80kW/s的平均升降載需求，也就初步得到了對(duì)氫氣模塊、空氣模塊、冷卻模塊、DCDC模塊的零部件響應(yīng)能力需求，主要涉及供氫閥的最大供氫速率、氫泵的最大升降載速率、空壓機(jī)的的最大升降載速率、水泵的最大升降載速率、各類閥門的最大開關(guān)速率以及DCDC的最大響應(yīng)速率等。

結(jié)合第一代系統(tǒng)資料和部分仿真數(shù)據(jù)，細(xì)化零部件指標(biāo)成為未勢(shì)能源提供給零部件供應(yīng)商的技術(shù)需求，并展開合作開發(fā)。

在完成對(duì)燃料電池電堆和系統(tǒng)輔件的核心參數(shù)指標(biāo)需求分解后，主要的工作集中在系統(tǒng)控制策略和系統(tǒng)通訊協(xié)議方面。我們圍繞電堆升降載能力進(jìn)行了測(cè)試研究和測(cè)試優(yōu)化，對(duì)系統(tǒng)控制策略和系統(tǒng)通訊協(xié)議展開了技術(shù)攻關(guān)和設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)。

電堆在考慮升降載能力時(shí)，應(yīng)分別從性能和耐久兩個(gè)角度進(jìn)行評(píng)價(jià)（本文暫圍繞性能的角度展開介紹）。電堆的升降載性能主要受兩方面因素限制，一個(gè)是氫空水的快速供給，一個(gè)是電堆本身的材料和結(jié)構(gòu)特性。其中氫空水的快速供給主要是系統(tǒng)級(jí)的工作且電堆測(cè)試臺(tái)架也很難模擬，所以電堆級(jí)的測(cè)試應(yīng)用主要圍繞在供給充足的情況下燃料電池的升降載特性和影響因素。

^{升載過程電壓理論變化過程}

^{升降載影響因素測(cè)試項(xiàng)及敏感度}

^{不同溫度下拉載時(shí)平均電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)}

^{不同陽(yáng)極入口壓力下拉載時(shí)平均電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)}

^{不同陰極計(jì)量比下拉載時(shí)平均電壓數(shù)據(jù)}

基于優(yōu)異的雙極板和膜電極匹配和設(shè)計(jì)以及針對(duì)快速變載的操作條件優(yōu)化設(shè)計(jì)以及操作條件邊界設(shè)定，未勢(shì)能源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電堆1000A/s的變載驗(yàn)證測(cè)試。

^{電堆級(jí)1000A/s變載能力}

在對(duì)燃料電池電堆升降載特性有了一定的認(rèn)識(shí)后，系統(tǒng)級(jí)升降載控制策略需要平衡電堆的升降載需求和系統(tǒng)輔件的升降載能力。其中，升載過程和降載過程應(yīng)分別考慮，這里以相對(duì)復(fù)雜的升載過程舉例說明。為了滿足整車動(dòng)力性的需求，一個(gè)大功率幅值的升載過程往往也只持續(xù)1至2s，而通常來說，受限于CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的承載能力，燃料電池控制器和系統(tǒng)輔件的二級(jí)控制器的通訊時(shí)間介于10ms至100ms之間。

^{燃料電池通訊網(wǎng)絡(luò)示意圖}

^{燃料電池系統(tǒng)通訊延遲組成}

在進(jìn)行系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試時(shí)，即使測(cè)試所用的上位機(jī)的采集精度很高，比如10ms記錄一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，但如果部分執(zhí)行器和燃料電池控制器之間的通訊周期是100ms，那么每10個(gè)采集到的數(shù)據(jù)，只有1個(gè)是真實(shí)的。針對(duì)一個(gè)僅持續(xù)1000ms甚至更短的升載過程，100ms的數(shù)據(jù)采集精度意味著在計(jì)算升載速度時(shí)的誤差將超過10%。為了減小誤差范圍，針對(duì)系統(tǒng)輔件的控制優(yōu)先級(jí)和CAN通訊網(wǎng)絡(luò)承載能力，差異化的設(shè)定不同輔件和系統(tǒng)控制器間的通訊周期，是非常簡(jiǎn)單有效的方法。

在確認(rèn)了上文所述的電堆、系統(tǒng)輔件、通訊網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的工作內(nèi)容后，主要的工作就是燃料電池系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化和控制參數(shù)的標(biāo)定。針對(duì)升載過程，優(yōu)化目標(biāo)主要考慮三個(gè)方向：①盡可能縮短整車指令下達(dá)到系統(tǒng)輔件的響應(yīng)周期，②在燃料電池電堆長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，下探升載過程短時(shí)間運(yùn)行參數(shù)的邊界，③更多的限制快速升載出現(xiàn)的頻率。

^{燃料電池系統(tǒng)升載過程展示}

目前，通過大量的測(cè)試標(biāo)定工作，未勢(shì)能源已達(dá)成了系統(tǒng)級(jí)60kW/s的平均升降載能力，并且在升載過程中實(shí)現(xiàn)電壓偏差＜26mV。未來，未勢(shì)能源將會(huì)基于變載進(jìn)行更多的性能及耐久相關(guān)驗(yàn)證，持續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作條件，為客戶提供性能更高且操作更加友好的燃料電池產(chǎn)品，助推氫燃料電池汽車規(guī)模化普及和商業(yè)化發(fā)展。

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來源：未勢(shì)能源