霍爾電流傳感器在車載燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用

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(shí)間短、續(xù)駛里程長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)一步包括質(zhì)子交換膜、催化劑層、氣體擴(kuò)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(lián)實(shí)現(xiàn)大功率輸出。通常情況下，燃料電池系統(tǒng)冷啟動(dòng)過程中，會(huì)采用較低的空氣計(jì)量比降低燃料電池系統(tǒng)輸出電壓，以加快啟動(dòng)速率。因此，在冷啟動(dòng)過程中，燃料電池輸出電壓較低，通常在50V以下，然而正常運(yùn)行時(shí)其輸出電壓較高，在200 V以上，商用車的電壓平臺(tái)為400?750V，因此需要DC?DC轉(zhuǎn)換器能適應(yīng)較寬的升壓比范圍。

目前，現(xiàn)有技術(shù)尚無解決燃料電池在冷啟動(dòng)切換至正常運(yùn)行過程中燃料電池與DC?DC轉(zhuǎn)換器的寬升壓比范圍的協(xié)調(diào)控制問題的方法，導(dǎo)致車載燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)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(dòng)運(yùn)行控制方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)尚無冷啟動(dòng)切換至正常運(yùn)行過程中燃料電池與DC?DC轉(zhuǎn)換器的寬升壓比范圍內(nèi)協(xié)調(diào)控制方法的問題。車載燃料電池系統(tǒng)包括電堆、DC?DC轉(zhuǎn)換器、氫氣設(shè)備、空氣設(shè)備和控制器;其中，電堆的氫氣進(jìn)氣口與氫氣設(shè)備的輸出端連接，空氣進(jìn)氣口與空氣設(shè)備的輸出端連接，供電端與DC?DC轉(zhuǎn)換器連接;

控制器用于低溫啟動(dòng)時(shí)，控制DC?DC轉(zhuǎn)換器置于較低的開關(guān)頻率，啟動(dòng)空氣設(shè)備、氫氣設(shè)備，調(diào)整入堆空氣計(jì)量比和電堆的供電電流，使得電堆輸出目標(biāo)電壓，完成低溫啟動(dòng);由低溫啟動(dòng)切換至高溫運(yùn)行時(shí)，控制電堆的輸出電流降低至標(biāo)定值后，調(diào)整入堆空氣計(jì)量比至目標(biāo)計(jì)量比;高溫運(yùn)行時(shí)，控制DC?DC轉(zhuǎn)換器置于較高的開關(guān)頻率，再根據(jù)整車的實(shí)時(shí)功率需求，實(shí)時(shí)調(diào)整燃料電池參數(shù)。該方案的優(yōu)點(diǎn)如下：通過DC?DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率的切換(低?高)，基于電流環(huán)與流量環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了車載燃料電池系統(tǒng)在低溫啟動(dòng)、高溫運(yùn)行及其切換過程中的升壓比與電流精度的多目標(biāo)優(yōu)化控制，增強(qiáng)了車載燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性與可靠性。

數(shù)據(jù)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(jī)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(shí)際輸出電壓與電流，發(fā)送至數(shù)據(jù)處理與控制單元;數(shù)據(jù)處理與控制單元，用于低溫啟動(dòng)時(shí)，先控制DC?DC轉(zhuǎn)換器置于較低的開關(guān)頻率，再啟動(dòng)空氣設(shè)備、氫氣設(shè)備，監(jiān)測(cè)電堆的實(shí)際輸出電壓，根據(jù)電堆的實(shí)際輸出電壓與目標(biāo)電壓的差值調(diào)整入堆空氣計(jì)量比和電堆的供電電流，使得電堆輸出目標(biāo)電壓，完成低溫啟動(dòng);由低溫啟動(dòng)切換至高溫運(yùn)行時(shí)，先控制電堆的輸出電流降低至標(biāo)定值后，再調(diào)整入堆空氣計(jì)量比至目標(biāo)計(jì)量比;高溫運(yùn)行時(shí)，控制DC?DC轉(zhuǎn)換器置于較高的開關(guān)頻率，再根據(jù)整車的實(shí)時(shí)功率需求，控制執(zhí)行單元實(shí)時(shí)調(diào)整燃料電池參數(shù);

執(zhí)行單元，用于根據(jù)數(shù)據(jù)處理與控制單元的控制，控制冷卻液水溫，或控制氫氣設(shè)備、空氣設(shè)備輸出氣體的壓力和流量。

數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)一步包括：

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

電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備，與電堆的供電端連接，用于采集電堆兩側(cè)的實(shí)際輸出電壓。上述進(jìn)一步改進(jìn)方案的有益效果是：對(duì)數(shù)據(jù)采集單元的傳感器種類進(jìn)行了限定，使得啟動(dòng)運(yùn)行控制過程更加精準(zhǔn)?？刂艱C?DC轉(zhuǎn)換器與車載動(dòng)力電池連接，使得車載動(dòng)力電池通過DC?DC轉(zhuǎn)換器對(duì)空氣設(shè)備、氫氣設(shè)備供電，并控制執(zhí)行單元對(duì)入堆冷卻液開始進(jìn)行加熱;在加熱的同時(shí)，啟動(dòng)空氣設(shè)備、氫氣設(shè)備，監(jiān)測(cè)電堆的實(shí)際輸出電壓，獲取電堆的實(shí)際輸出電壓與目標(biāo)電壓的差值;根據(jù)所述差值調(diào)整入堆空氣計(jì)量比和電堆的供電電流，直到電堆輸出目標(biāo)電壓，斷開車載動(dòng)力電池;在調(diào)整過程中，同步監(jiān)測(cè)出堆冷卻液溫水溫，直到出堆冷卻液水溫達(dá)到標(biāo)定溫度，停止加熱，完成燃料電池的低溫啟動(dòng)。上述進(jìn)一步改進(jìn)方案的有益效果是：增加了冷啟動(dòng)判斷，通過DC?DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率的切換，基于電流環(huán)與流量環(huán)的雙調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了燃料電池系統(tǒng)在低溫啟動(dòng)過程中的優(yōu)化控制，進(jìn)一步增強(qiáng)了車載燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性與可靠性。進(jìn)一步，整車運(yùn)行時(shí)，所述數(shù)據(jù)處理與控制單元執(zhí)行如下程序：監(jiān)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的出堆冷卻液溫水溫;將所述出堆冷卻液溫水溫與標(biāo)定溫度進(jìn)行比較，判斷燃料電池是否高溫運(yùn)行;如果出堆冷卻液溫水溫小于等于標(biāo)定溫度，判定燃料電池非高溫運(yùn)行，根據(jù)整車的實(shí)時(shí)功率需求，控制執(zhí)行單元調(diào)整燃料電池參數(shù);否則，判定燃料電池高溫運(yùn)行，執(zhí)行下一步;

控制兩個(gè)調(diào)壓閥調(diào)整開度，使得電堆的實(shí)際輸出電流降低至標(biāo)定值;所述標(biāo)定值為標(biāo)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(jī)的轉(zhuǎn)速，使得入堆空氣計(jì)量比調(diào)整至目標(biāo)計(jì)量比;控制DC?DC轉(zhuǎn)換器變更至較高的開關(guān)頻率，再根據(jù)整車的實(shí)時(shí)功率需求，控制執(zhí)行單元實(shí)時(shí)調(diào)整燃料電池參數(shù);所述燃料電池參數(shù)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(guān)頻率為在低升壓比下能夠維持DC?DC轉(zhuǎn)換器較高的電流控制精度的標(biāo)定頻率。上述進(jìn)一步改進(jìn)方案的有益效果是：增加了高溫運(yùn)行的判斷，通過DC?DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率的切換，基于電流環(huán)與流量環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了燃料電池系統(tǒng)在高溫運(yùn)行及其切換過程中的優(yōu)化控制，進(jìn)一步增強(qiáng)了車載燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性與可靠性。進(jìn)一步，所述氫氣設(shè)備進(jìn)一步包括依次連接的氫源、氫噴設(shè)備、氫氣進(jìn)氣節(jié)氣閥;其中，所述空氣進(jìn)氣設(shè)備進(jìn)一步包括依次連接的空壓機(jī)、空氣進(jìn)氣節(jié)氣閥;

所述執(zhí)行單元進(jìn)一步包括可變電阻器、多個(gè)MOS開關(guān)、冷卻液水溫調(diào)控設(shè)備;并且，所述可變電阻器設(shè)置于DC?DC轉(zhuǎn)換器與整車用電設(shè)備之間，每一所述MOS開關(guān)設(shè)置于數(shù)據(jù)處理與控制單元與調(diào)壓閥或空壓機(jī)或冷卻液水溫調(diào)控設(shè)備之間;所述冷卻液水溫調(diào)控設(shè)備設(shè)置于電堆的冷卻液入口與冷卻液出口之間。上述進(jìn)一步改進(jìn)方案的有益效果是：對(duì)氫氣設(shè)備、空氣進(jìn)氣設(shè)備以及執(zhí)行單元的組成進(jìn)一步限定，可以有效控制低溫啟動(dòng)、高溫運(yùn)行過程中的電堆輸出電流、冷卻液溫度、空壓機(jī)輸出流量，以及入堆氣體壓力。進(jìn)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(jìn)一步改進(jìn)方案的有益效果是：通過設(shè)置尾排電磁閥，進(jìn)一步提高了車載燃料電池系統(tǒng)的安全性。電堆內(nèi)氣體壓力過大(超閾值)時(shí)，控制器能夠控制尾排電磁閥提高開啟頻率及時(shí)泄壓。文章中提到的CH704芯片是意瑞半導(dǎo)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白。

CH704 是專為大電流檢測(cè)應(yīng)用開發(fā)的隔離集成式電流傳感芯片。CH704 內(nèi)置 0.1mΩ 的初級(jí)導(dǎo)體電阻，有效降低芯片發(fā)熱支持大電流檢測(cè)：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其內(nèi)部集成獨(dú)特的溫度補(bǔ)償電路以實(shí)現(xiàn)芯片在 -40 到150-°C全溫范圍內(nèi)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(zhǔn)，在全溫度范圍內(nèi)提供 ±2% 的典型準(zhǔn)確性。

產(chǎn)品信息如下：

? 隔離電壓：4800VRMS

? AEC-Q100 汽車認(rèn)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(yīng)時(shí)間：2us

? 寬溫度范圍：-40-°C 至 150-°C

? 使用 EEPROM 進(jìn)行高分辨率偏移和靈敏度調(diào)整

? 導(dǎo)線電阻：0.1 mΩ

? 集成數(shù)字溫度補(bǔ)償電路

? 幾乎為零的磁滯

? 電源電壓的比例輸出

? 抗外部磁場(chǎng)

原文標(biāo)題：車載燃料電池系統(tǒng)及其啟動(dòng)運(yùn)行控制方法介紹(霍爾電流傳感器CH704200CT應(yīng)用案例)

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