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燃料电池系统的“眼睛”——燃料电池电堆巡检

发布日期: 2020-04-30
浏览人气: 641

燃料电池电堆巡检(CVM)是什么?

巡检的功能,用一句话来说:采集单体电压(或电堆总电压)信号,并将其发送到燃料电池系统控制器,通过对单体电压信号的检查,来判断燃料电池的工作状态。

电压巡检通过巡检信号采集线与燃料电池电堆上的单体电池进行连接,以实现电压的采集,在电压巡检中通过巡检通讯(如CAN总线通讯)线束传输到通讯工具(如CANalyzer),最后通过通讯工具与PC端(或上位机)连接,直接监控或记录采集到的电堆单体电压。

为什么要安装巡检(CVM)?

燃料电池的健康状态主要反映在其单体电压上,过干、过湿、缺气等不良操作条件及机械损伤等因素均会使燃料电池的单体电压发生改变。因此,如果要诊断燃料电池的状态或依靠单体电压进行燃料电池系统控制,就需要知道燃料电池的单体电压,配合使用燃料电池(电堆)和巡检。

那么可不可以不安装巡检呢?在目前燃料电池(电堆)不能完全避免缺气、水淹、反极、短路等各种失效的情况下,巡检就如同燃料电池系统的眼睛一样,其作用将在未来很长时间无法替代,至少以笔者目前的了解,目前已有的燃料电池电堆和燃料电池系统均配备有巡检。

结构

就像人类的眼睛,几乎每个人的眼睛都不同,对于电压巡检来说,也存在不同的外形,一些电压巡检制造商可以根据特殊的巡检壳体形状申请外观专li 。

安徽明天氢能科技有限公司,可以看出来,此电压巡检外形中规中矩,整体呈现标准的立方体,单体电压采样线的接口与通讯和供电接口在同一侧。

武汉泰歌氢能汽车有限公司,此电压巡检的外形整体也呈现标准的立方体,单体电压采样线的接口与通讯和供电接口在不同方向。笔者认为,在实际巡检电路设计过程中,武汉泰歌的电压巡检可能会比安徽明天的电压巡检表现出更好的电磁兼容性能,因为武汉泰歌的电压巡检电路板设计中,更容易将电堆采样(“高压电”)区和巡检供电(“低压电”)隔离开,降低了由于电堆产生的电压对巡检自身供电产生电磁干扰的风险。

德国SMART estsolution GmbH公司推出了单个的,可组装拓展的电压巡检。这种单个的可组装拓展的电压巡检,可以很好的快速应对不同功率大小的电堆产品,但笔者认为,在产品尚未完全成熟与验证时,保证单体品质的一致性有一定的难度;当单体品质出现问题时,如何保证其它单体正常高效的工作是需要制造商思考的问题。同时为了保证单品品质的一致性,该电压巡检的成本会相对较高,影响其普适推广。

德国SMART estsolution GmbH公司在2019年推出的一体式的G5S电压巡检系统。对比上面由单个电压巡检组装的形式,G5S具有机械稳定性高与集成度高的特点,但是需要定制开发,一般开发时间长于上面组装类型的巡检。该款产品是德国SMART公司较早期的产品,可以看出早期电压巡检已经充分考虑了其功能性,但产品的普适性或可拓展性不如后来开发的单个可组装拓展的电压巡检。笔者推测,在开发电压巡检的过程中,由于各式各样电堆的出现,倒逼电压巡检开发商思考如何能够开发出快速应对各种不同电堆的电压巡检。由此,快速催生了单体可组装拓展式电压巡检。

德国HORIBA集团FuelCon的电压巡检供应商为SMAR Testsolution GmbH。结合德国HORIBA集团FuelCon的电压巡检的外形及细节图可以看出,SMART Testsolution公司的电压巡检可以进行串联组装,按照电堆的大小进行快速的开发,产品的开发周期短。

德国SMAR Electronic Development GmbH推出的电压巡检CVMpro60/90-R3

综上所述,巡检的外形并不拘泥于某一特定的样式,可以根据燃料电池电堆的样式进行相应的开发,来满足布置方面的要求。从长远的角度看,开发出普适性好,单个可组装拓展的电压巡检将是一个大趋势。

应用

巡检安装的位置及布置方法,根据需求不同,应用场景不同,其布置方法和位置也有所不同。

一种燃料电池电堆巡检的安装

我们可以从众多各主机厂及电堆生产厂商看到有许多种巡检的布置方法:

丰田Mirai的巡检布置如下:

根据笔者了解,丰田Mirai将电压巡检直接布置集成在电堆壳体内部,且在布置时远离了电堆高压电输出铜排,降低了电堆产生高压电对电压巡检的电磁干扰。

 

现代Nexo的巡检布置如下:

现代Nexo的电压巡检布置在电堆的侧面,并用外壳盖板将其密封起来,当需要更换或维修电压巡检时,直接打开巡检盖板即可操作。因此相比丰田Mirai,具有较好和较方便的维护性。

上海氢晨MS06型103kW金属板电堆外形

上海氢晨MS06型电堆,将电压巡检布置于电堆上水平面,该布置不同于电堆侧面布置,能够防止水汽凝结后竖直延电压信号线流入电压巡检电路板。

上海氢晨专为60kW系统开发的H280C型电堆

上海氢晨H280C型电堆,电压巡检采用侧面布置,如丰田和现代,需要保证接插件有较好的防水性能

 

捷氢科技115KW自主研发电堆

从捷氢科技自主研发电堆看,将电压巡检布置在电堆侧面,外界用巡检盖板进行了密封,笔者猜测该设计是通过对标现代Nexo而衍生出来的。

安徽明天氢能

安徽明天的电堆没有明确体现出电压巡检的布置位置,但是预留了电压巡检线束。笔者猜测,此举是为了专心研发电堆,让用户根据自身需求去选购定制电压巡检。

大连新源HYMOD@-70电堆模块(图片来源新闻网站)

大连新源HYMOD@-70电堆模块(图片来源其网站)。笔者猜测,大连新源官wang上释放的 HYMOD@-70电堆模块上,电压巡检已经移入电堆壳体内部,并通过外部盖板进行密封。这样做的原因,笔者猜测是通过对标如现代等燃料电池系统的结果。移入电堆壳体内部的巡检是否有壳体包裹暂无法确定。

BMW集团电堆模块fuel cell X5集成

BMW采用了丰田Mirai相同的电堆,因此电压巡检位置与丰田相同。

 

某电堆测试台巡检布置(巡检为德国SMAR Elecronic Development GmbH公司的产品,从图中外形猜测产品型号为CVMpro60/90-R3)

通过堆上述各整车厂及电堆供应商的电堆巡检的分析,可以看出他们都存在一个共同的特点:即有电堆外壳或巡检模块自身外壳进行包裹。笔者认为,这样的做法主要有三个出发点:1、保证巡检的防水防尘的需求。电压巡检的主体是电子元器件,为了使其能在各种不同的环境下长寿命的工作,防水防尘必不可少,至少有电堆模块外壳一层保护,给电压巡检模块自身加外壳可以加强保护。2、机械防护的需求。不论是电堆模块壳体还是电压巡检模块壳体,绝大部分采用金属外壳。金属外壳一方面可以保障巡检在不同安装位置的机械强度,同时保证了电压巡检一定的抗机械冲击及抗机械振动的能力,这一点在整车燃料电池的应用上非常重要,车用燃料电池需要通过国标或企标中关于机械振动冲击方面的标准;3、电磁兼容性能的需求。电压巡检的金属外壳可以有效的防止电磁干扰通过辐射直接影响到电压巡检的电路。燃料电池电堆作为能量转化的化学反应器,其对电压巡检产生的电磁干扰比较有限,因此如将电压巡检布入电堆壳体,则推荐对电压巡检自身也采用金属外壳保护。

总而言之,燃料电池电压巡检的外形无具体的要求,可以根据用户的燃料电池电堆来开发,未来单体可拓展的形式市场可期。燃料电池的电压的布置和外壳材料的方案确定,需要保证防水防尘、机械防护和电磁兼容性能。

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