超級電容主動補償的燃料電池管理系統設計

韓冬林，徐琤穎，陳 愚

(天津中德應用技術大學，天津300350)

除了成本因素之外，燃料電池堆的壽命是制約燃料電池發動機汽車商業化的重要影響因素[1]。影響燃料電池堆壽命的因素很多，從電極材料到電池堆體結構，從燃料電池系統到燃料電池發動機管理系統，最后到燃料電池整車系統，每個方面的設計合理性都直接影響著燃料電池堆的最終壽命[1]。通過燃料電池發動機汽車的示范運行，發現車用燃料電池堆的關鍵材料和部件的劣化模式主要有以下四種[2]：(1)頻繁的啟動停止引起的質子交換膜電極高電位造成催化劑碳載體的腐蝕；(2)反復加減速引起的質子交換膜電極電位循環造成催化劑鉑顆粒粗大化；(3)低負荷運行導致質子交換膜分解；(4)低溫循環所伴隨的脹縮造成質子交換膜電極機械損傷。

從燃料電池發動機管理系統的角度看，上述劣化模式(1)和(2)中質子交換膜電極高電位和膜電極電位循環造成的催化劑碳載體腐蝕和鉑顆粒粗大化可以通過燃料電池堆與超級電容器集成使用來減小，在這種集成使用配置下，氫燃料電池堆能夠在比較穩定的工作電壓下運行，從而緩解車輛頻繁啟停和反復加減速所引起的膜電極性能衰減。目前，氫燃料電池堆與超級電容器混合供電系統的技術方案普遍采用在燃料電池堆輸出端并聯超級電容器模組的方法[3-4]，該方法只能對燃料電池堆整體的輸出電壓進行平衡補償，而不能做到對每個膜電極單體工作電壓的實時檢測與補償，也就無法實現對每個膜電極單體工作電壓的實時精確控制。尤其在車輛頻繁啟停和反復加減速工況下，這種膜電極單體工作電壓的實時不平衡性會更加突出，直接影響燃料電池堆的整體工作壽命。

為了解決實際車用條件下因運行中的頻繁啟停工況和反復加減速工況所引起的質子交換膜電極高電位和膜電極電位循環造成的氫燃料電池堆壽命衰減的問題，本文提出了一種基于超級電容主動補償的燃料電池堆膜電極單體電壓平衡控制方法，旨在克服現有的在燃料電池堆輸出端并聯超級電容器模組這一方法的技術缺陷，通過在燃料電池堆的每個膜電極單體中都加入獨立的主動補償控制電路和獨立的超級電容單體，實現對每個膜電極單體工作電壓的實時精確控制，使燃料電池堆單體電壓平衡在最佳工作點附近，從而緩解燃料電池堆膜電極性能衰減，提升燃料電池堆工作壽命。

1 系統構成

本文設計的基于超級電容主動補償的燃料電池發動機管理系統構成如圖1 所示。

如圖1 所示，質子交換膜燃料電池堆由n 個膜電極單體E1～En串聯構成，在每個膜電極單體中都對應加入獨立的主動補償控制電路和獨立的超級電容器單體C1～Cn，每個獨立的主動補償控制電路實時檢測所對應的每個膜電極單體工作電壓，并根據該膜電極實時單體工作電壓計算對應的超級電容單體實時的充電/放電電流數值，使燃料電池堆膜電極單體電壓平衡在最佳工作點附近，從而實現對每個膜電極單體工作電壓的實時精確控制。

燃料電池管理控制電路由CAN 通訊總線給每個主動補償控制電路發出控制命令數據，管理控制電路會根據膜電極單體的材料、燃料、溫度、壓力、濕度等實際運行工況數據，實時計算出燃料電池堆膜電極單體電壓最佳工作點數據，通過CAN 通訊總線下發數據給每個主動補償控制電路，每個主動補償控制電路再根據燃料電池管理控制系統的最佳工作點數據去實時平衡每個膜電極單體工作電壓，并將每個膜電極單體實時工作電壓通過CAN 通訊總線上報給管理控制電路。

圖1 基于超級電容主動補償的燃料電池發動機管理系統框圖

2 超級電容參數選擇

超級電容作為一種新型的高功率密度儲能器件，具有功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、溫度特性好等特點[5]。因為質子交換膜燃料電池堆膜電極單體工作電壓通常不超過1.2 V，所以采用具有電壓低、容量大、充放電速度快等特點的超級電容單體作為儲能元件是非常合適的。本設計采用Maxwell 公司的HC 系列超級電容單體，具體型號為BCAP0150，額定電容量為150 F，額定電壓2.7 V，初始最大內阻75 mΩ，最大工作電流40 A，25 ℃時最大漏電流0.5 mA，工作溫度范圍-40～65 ℃[6]，該型號的超級電容單體技術參數能夠滿足質子交換膜燃料電池堆膜電極單體電壓主動補償控制電路對于儲能器件的要求。

由公式Pd=0.12 V/(ESRDC×MASS)，計算得到超級電容單體BCAP0150 的可用比功率Pd為2 000 W/kg。

由公式Pmax=V2/(4×ESRDC×MASS)，計算得到超級電容單體BCAP0150 的阻抗匹配比功率Pmax為4 100 W/kg。

由公式Emax=0.5×C×V2/(3 600×MASS)，計算得到超級電容單體BCAP0150 的比能量Emax為4.7 Wh/kg。

由公式Estored=0.5×C×V2/3 600，計算得到超級電容單體BCAP0150 的儲能值Estored為0.152 Wh。

3 主動補償控制電路設計

如圖1 所示，如果質子交換膜燃料電池堆共有n 個膜電極單體，那么就需要有n 個主動補償控制電路與之配合使用，每個主動補償控制電路實時檢測所對應的每個膜電極單體實際工作電壓，并通過CAN 通訊總線接收燃料電池管理控制電路實時計算出的燃料電池堆膜電極單體電壓最佳工作點數據，再根據膜電極單體實際工作電壓數據和膜電極單體電壓最佳工作點數據，計算出對應的超級電容單體實時的充電/放電電流數值，通過控制主動補償電路中的電子功率開關的導通/截止狀態，從而控制燃料電池堆膜電極單體電壓平衡在最佳工作點附近。

本設計中的主動補償控制電路選用英飛凌公司的BTS50080-1TEA 作為電子功率開關，該器件是汽車級的智能高側功率開關，其內部集成了具有PROFET 技術的功率場效應管和邏輯驅動電路，可以直接與MCU 控制器的I/O 電路接口，額定負載電流IL(NOM)為10 A，峰值負載限制電流ILPEAK(SC)為70 A，150 ℃條件下最大導通電阻RDS(ON)為16 mΩ，BTS50080-1TEA 功率開關的典型導通特性如圖2 所示[7]。

圖2 BTS50080-1TEA 典型導通特性(IL=7.5 A)

如圖2 所示，在負載電流IL=7.5 A 的條件下，-40～160 ℃溫度區間里，BTS50080-1TEA 功率開關的導通電阻均能保持在15 mΩ 以下，說明該器件具有良好的車用溫度特性；當供電電壓Vbb在10～20 V 區間時，導通電阻能保持在8 mΩ 左右，當供電電壓Vbb在5 V 以下的區間里，導通電阻會出現急劇上升。因為質子交換膜燃料電池堆膜電極單體工作電壓通常不超過1.2 V，所以設計中必須要考慮功率開關的低壓導通輸出特性。供電電壓Vbb在0.6～1.2 V 區間里，實測BTS50080-1TEA 的導通電阻在1.4 Ω 左右，根據電容器充電電壓計算公式Vc=E{1-exp[-t/(C×R)]}，當E=1.0 V，C =150 F，R=1.4 Ω 時，可以計算出將Vc充電到1.0 V 需要630 s，顯然不符合主動補償控制電路實時充放電的技術要求。本設計采用將多路BTS50080-1TEA 功率開關并聯配合使用的方法解決這一問題，具體電路如圖3 所示。

圖3 中只顯示了一個膜電極單體E1和超級電容器單體C1之間的功率開關并聯配合使用的充放電控制電路，n 個BTS50080-1TEA 多路并聯組成功率開關，所有BTS50080-1TEA 的供電端VBB 都接到燃料電池堆膜電極單體E1的正極，輸出端OUT 都接到超級電容器單體C1的正極，每個BTS50080-1TEA 的控制端IN 都分別獨立接到MCU 的數字輸出管腳，由MCU 根據膜電極單體實際工作電壓數據和膜電極單體電壓最佳工作點數據，通過控制n 個BTS50080-1TEA功率開關的控制端電位，實現實時調整功率開關的等效并聯導通電阻阻值的功能，達到實時控制超級電容單體充放電流的目的。本設計采用28 個BTS50080-1TEA 并聯組成功率開關，其最小等效并聯導通電阻阻值為0.05 Ω，當E=1.0 V，C=150 F 時，將超級電容單體充滿電需要23 s，并且可以通過MCU 的數字輸出管腳獨立控制28 個BTS50080-1TEA 的導通/關斷狀態，理論上具有228種等效并聯導通電阻組合狀態，可以達到主動補償控制電路對超級電容單體實時充放電的技術要求。

主動補償控制電路中采用NXP 公司的基于ARM Cortex-M4F 內核的32 位汽車級MCU 芯片S32K144 作為主控制器，該芯片最高時鐘頻率達到了112 MHz，數字I/O 管腳達到了89 個，內部集成了512 kB 的FLASH、64 kB 的RAM、4 kB 的EEPROM、2×16 路 的12 位ADC、3 路UART/LIN、3 路FlexCAN 通訊控制器[8]，完全滿足主動補償控制電路對MCU的技術要求。

圖3 BTS50080-1TEA 典型導通特性

4 燃料電池管理控制電路設計

燃料電池發電原理與原電池類似，但與原電池和二次電池比較，需要具備一套相對復雜的管理系統，通常包括燃料供應、氧化劑供應、水熱管理及電控單元等子系統[9]，所以燃料電池管理控制電路必須采用柔性化、可編程的軟硬件設計方案，同時為了適應車用環境的嚴苛要求，MCU 主控芯片不僅需要具備寬溫度范圍、可靠的工作性能和極高的抗電磁干擾能力，而且必須具有CAN 總線、LIN 總線等多種串行數據總線通訊能力。

燃料電池管理控制電路采用NXP 公司的汽車級MCU 芯片S32K144 作為主控制器，為了提高整個燃料電池發動機管理系統的安全冗余度，在燃料電池管理控制電路中采用2 個S32K144 芯片，其中第1 個S32K144 芯片負責采集氫氣進氣壓力、氫氣排氣壓力、空氣進氣壓力、空氣排氣壓力、空氣側流量、空氣側濕度、冷卻水進口溫度、冷卻水出口溫度等傳感器的實時信號，根據膜電極單體的材料、燃料、溫度、壓力、濕度等實際運行工況數據，實時計算出燃料電池堆膜電極單體電壓最佳工作點數據；第2 個S32K144 芯片負責采集質子交換膜燃料電池堆全部膜電極單體的實時運行電壓數據，并將采集的膜電極單體運行電壓數據與每個主動補償控制電路經CAN 通訊總線上報的膜電極單體電壓數據進行校驗對比，實現燃料電池管理控制電路能夠實時監控每個主動補償控制電路工作狀態的功能。

5 控制流程設計

本文所采用的基于超級電容主動補償方法的燃料電池發動機管理系統設計，其控制程序步驟流程如圖4 和圖5 所示。

圖4 燃料電池管理控制電路程序流程

圖5 主動補償電路程序流程

6 結論

本文設計的基于超級電容主動補償方法的燃料電池發動機管理系統，采用在燃料電池堆的每個膜電極單體中都加入獨立的主動補償控制電路和獨立的超級電容器單體儲能的方法，分別設計了主動補償控制電路和燃料電池管理控制電路，以優化燃料電池發動機管理系統軟硬件的技術手段，為解決實際車用條件下因運行中的頻繁啟停工況和反復加減速工況所引起的質子交換膜電極高電位和膜電極電位循環造成的氫燃料電池堆壽命衰減的問題提供了一種新的方法。