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    燃料電池系統的“眼睛”:燃料電池電堆巡檢(CVM)

    發布日期: 2021-08-09
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    燃料電池電堆巡檢(CVM)是什么?



    巡檢的功能,用一句話來說就是:采集燃料電池單體電壓(或電堆總電壓)信號,并將其發送到燃料電池系統控制器,通過對單體電壓信號的檢查,來判斷燃料電池的工作狀態,并做對應的控制操作。



    電壓巡檢通過巡檢信號采集線與燃料電池電堆上的單體電池進行連接,以實現電壓的采集,在電壓巡檢中通過巡檢通訊(如CAN總線通訊)線束傳輸到通訊工具(如Vector公司的各種設備),后通過通訊工具與上位機連接,直接監控或記錄采集到的電堆單體電壓。



    為什么要安裝巡檢(CVM)?

    燃料電池的健康狀態主要反映在其單體電壓上,過干、過濕、缺氣等不良操作條件及機械損傷等因素均會使燃料電池的單體電壓發生改變。因此,如果要診斷燃料電池的狀態或依靠單體電壓進行燃料電池系統控制,就需要知道燃料電池的單體電壓,配合使用燃料電池(電堆)和巡檢。

    那么可不可以不安裝巡檢呢?在目前燃料電池(電堆)不能完全避免缺氣、水淹、反極、短路等各種失效的情況下,巡檢就如同燃料電池系統的眼睛一樣,其作用將在未來很長時間無法替代,至少以筆者目前的了解,目前已有的燃料電池電堆和燃料電池系統均配備有巡檢。



    結構



    就像人類的眼睛,幾乎每個人的眼睛都不同,對于電壓巡檢來說,也存在不同的外形,一些電壓巡檢制造商可以根據特殊的巡檢殼體形狀申請外觀磚利 。



    安徽明天氫能科技有限公司,磚利申請號:201930048499.7??梢钥闯鰜?,此電壓巡檢外形中規中矩,整體呈現標準的立方體,單體電壓采樣線的接口與通訊和供電接口在同一側。

    武漢泰歌氫能汽車有限公司,磚利申請號:201930372724.2。此電壓巡檢的外形整體也呈現標準的立方體,單體電壓采樣線的接口與通訊和供電接口在不同方向。筆者認為,在實際巡檢電路設計過程中,武漢泰歌的電壓巡檢可能會比安徽明天的電壓巡檢表現出更好的電磁兼容性能,因為武漢泰歌的電壓巡檢電路板設計中,更容易將電堆采樣(“高壓電")區和巡檢供電(“低壓電")隔離開,降低了由于電堆產生的電壓對巡檢自身供電產生電磁干擾的風險。

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    德國SMART Testsolution GmbH公司推出了單個的,可組裝拓展的電壓巡檢。這種單個的可組裝拓展的電壓巡檢,可以很好的快速應對不同功率大小的電堆產品,但筆者認為,在產品尚未完全成熟與驗證時,保證單體品質的一致性有一定的難度;當單體品質出現問題時,如何保證其它單體正常高效的工作是需要制造商思考的問題。同時為了保證單品品質的一致性,該電壓巡檢的成本會相對較高,影響其普適推廣。

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    德國SMART Testsolution GmbH公司在2019年推出的一體式的G5S電壓巡檢系統。對比上面由單個電壓巡檢組裝的形式,G5S具有機械穩定性高與集成度高的特點,但是需要定制開發,一般開發時間長于上面組裝類型的巡檢。該款產品是德國SMART公司較早期的產品,可以看出早期電壓巡檢已經充分考慮了其功能性,但產品的普適性或可拓展性不如后來開發的單個可組裝拓展的電壓巡檢。筆者推測,在開發電壓巡檢的過程中,由于各式各樣電堆的出現,倒逼電壓巡檢開發商思考如何能夠開發出快速應對各種不同電堆的電壓巡檢。由此,快速催生了單體可組裝拓展式電壓巡檢。

    德國HORIBA集團FuelCon的電壓巡檢供應商為SMART Testsolution GmbH。結合德國HORIBA集團FuelCon的電壓巡檢的外形及細節圖可以看出,SMART Testsolution公司的電壓巡檢可以進行串聯組裝,按照電堆的大小進行快速的開發,產品的開發周期短。


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    德國SMART Electronic Development GmbH推出的電壓巡檢CVMpro60/90-R3




    綜上所述,巡檢的外形并不拘泥于某一特定的樣式,可以根據燃料電池電堆的樣式進行相應的開發,來滿足布置方面的要求。從長遠的角度看,開發出普適性好,單個可組裝拓展的電壓巡檢將是一個大趨勢。





    應用

    巡檢安裝的位置及布置方法,根據需求不同,應用場景不同,其布置方法和位置也有所不同。


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    一種燃料電池電堆巡檢的安裝



    我們可以從眾多各主機廠及電堆生產廠商看到有許多種巡檢的布置方法:

    豐田Mirai的巡檢布置如下:


    根據筆者了解,豐田Mirai將電壓巡檢直接布置集成在電堆殼體內部,且在布置時遠離了電堆高壓電輸出銅排,降低了電堆產生高壓電對電壓巡檢的電磁干擾。



    現代Nexo的巡檢布置如下:


    現代Nexo的電壓巡檢布置在電堆的側面,并用外殼蓋板將其密封起來,當需要更換或維修電壓巡檢時,直接打開巡檢蓋板即可操作。因此相比豐田Mirai,具有較好和較方便的維護性。

    上海氫晨MS06型103kW金屬板電堆外形

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    上海氫晨MS06型電堆,將電壓巡檢布置于電堆上水平面,該布置不同于電堆側面布置,能夠防止水汽凝結后豎直延電壓信號線流入電壓巡檢電路板。



    上海氫晨專為60kW系統開發的H280C型電堆


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    上海氫晨H280C型電堆,電壓巡檢采用側面布置,如豐田和現代,需要保證接插件有較好的防水性能



    捷氫科技115KW自主研發電堆




    從捷氫科技自主研發電堆看,將電壓巡檢布置在電堆側面,外界用巡檢蓋板進行了密封,筆者猜測該設計是通過對標現代Nexo而衍生出來的。



    安徽明天氫能



    安徽明天的電堆沒有明確體現出電壓巡檢的布置位置,但是預留了電壓巡檢線束。筆者猜測,此舉是為了專心研發電堆,讓用戶根據自身需求去選購定制電壓巡檢。



    大連新源HYMOD@-70電堆模塊(圖片來源新聞網站)


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    大連新源HYMOD@-70電堆模塊(圖片來源其*網站)。筆者猜測,大連新源guan網上釋放的 HYMOD@-70電堆模塊上,電壓巡檢已經移入電堆殼體內部,并通過外部蓋板進行密封。這樣做的原因,筆者猜測是通過對標如現代等燃料電池系統的結果。移入電堆殼體內部的巡檢是否有殼體包裹暫無法確定。

    BMW集團電堆模塊fuel cell X5集成


    BMW采用了豐田Mirai相同的電堆,因此電壓巡檢位置與豐田相同。



    某電堆測試臺巡檢布置(巡檢為德國SMART Electronic Development GmbH公司的產品,從圖中外形猜測產品型號為CVMpro60/90-R3)


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    總結



    通過堆上述各整車廠及電堆供應商的電堆巡檢的分析,可以看出他們都存在一個共同的特點:即有電堆外殼或巡檢模塊自身外殼進行包裹。筆者認為,這樣的做法主要從三個需求出發:

    1、保證巡檢的防水防塵的需求。電壓巡檢的主體是電子元器件,為了使其能在各種不同的環境下長壽命的工作,防水防塵bi不可少,至少有電堆模塊外殼一層保護,給電壓巡檢模塊自身加外殼可以加強保護。

    2、機械防護的需求。不論是電堆模塊殼體還是電壓巡檢模塊殼體,絕大部分采用金屬外殼。金屬外殼一方面可以保障巡檢在不同安裝位置的機械強度,同時保證了電壓巡檢一定的抗機械沖擊及抗機械振動的能力,這一點在整車燃料電池的應用上非常重要,車用燃料電池需要通過國標或企標中關于機械振動沖擊方面的標準;

    3、電磁兼容性能的需求。電壓巡檢的金屬外殼可以有效的防止電磁干擾通過輻射直接影響到電壓巡檢的電路。燃料電池電堆作為能量轉化的化學反應器,其對電壓巡檢產生的電磁干擾比較有限,因此如將電壓巡檢布入電堆殼體,則推薦對電壓巡檢自身也采用金屬外殼保護。

    總而言之,燃料電池電壓巡檢對于外形無具體的要求,可以根據用戶的燃料電池電堆來開發,未來單體可拓展形式的巡檢市場可期。燃料電池的電壓的布置和外殼材料的方案確定,需要保證防水防塵、機械防護和電磁兼容性能。




    作者:鯉琨
    校對:楚軒

    文章來源:《鯉琨  燃料電池百科》微信公眾號   侵刪



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