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燃料電池系統(tǒng)的“眼睛”:燃料電池電堆巡檢(CVM)

更新時(shí)間:2021-08-09點(diǎn)擊次數(shù):8588


燃料電池電堆巡檢(CVM)是什么?



巡檢的功能,用一句話來(lái)說(shuō)就是:采集燃料電池單體電壓(或電堆總電壓)信號(hào),并將其發(fā)送到燃料電池系統(tǒng)控制器,通過(guò)對(duì)單體電壓信號(hào)的檢查,來(lái)判斷燃料電池的工作狀態(tài),并做對(duì)應(yīng)的控制操作。



電壓巡檢通過(guò)巡檢信號(hào)采集線與燃料電池電堆上的單體電池進(jìn)行連接,以實(shí)現(xiàn)電壓的采集,在電壓巡檢中通過(guò)巡檢通訊(如CAN總線通訊)線束傳輸?shù)酵ㄓ嵐ぞ撸ㄈ鏥ector公司的各種設(shè)備),后通過(guò)通訊工具與上位機(jī)連接,直接監(jiān)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(tài)主要反映在其單體電壓上,過(guò)干、過(guò)濕、缺氣等不良操作條件及機(jī)械損傷等因素均會(huì)使燃料電池的單體電壓發(fā)生改變。因此,如果要診斷燃料電池的狀態(tài)或依靠單體電壓進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)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*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(tǒng)的眼睛一樣,其作用將在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間無(wú)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(tǒng)均配備有巡檢。



結(jié)構(gòu)



就像人類的眼睛,幾乎每個(gè)人的眼睛都不同,對(duì)于電壓巡檢來(lái)說(shuō),也存在不同的外形,一些電壓巡檢制造商可以根據(jù)特殊的巡檢殼體形狀申請(qǐng)外觀磚利 。



安徽明天氫能科技有限公司,磚利申請(qǐng)?zhí)枺?01930048499.7。可以看出來(lái),此電壓巡檢外形中規(guī)中矩,整體呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)。

武漢泰歌氫能汽車(chē)有限公司,磚利申請(qǐng)?zhí)枺?01930372724.2。此電壓巡檢的外形整體也呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)為,在實(shí)際巡檢電路設(shè)計(jì)過(guò)程中,武漢泰歌的電壓巡檢可能會(huì)比安徽明天的電壓巡檢表現(xiàn)出更好的電磁兼容性能,因?yàn)槲錆h泰歌的電壓巡檢電路板設(shè)計(jì)中,更容易將電堆采樣(“高壓電")區(qū)和巡檢供電(“低壓電")隔離開(kāi),降低了由于電堆產(chǎn)生的電壓對(duì)巡檢自身供電產(chǎn)生電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn)。

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德國(guó)SMART Testsolution GmbH公司推出了單個(gè)的,可組裝拓展的電壓巡檢。這種單個(gè)的可組裝拓展的電壓巡檢,可以很好的快速應(yīng)對(duì)不同功率大小的電堆產(chǎn)品,但筆者認(rèn)為,在產(chǎn)品尚未*成熟與驗(yàn)證時(shí),保證單體品質(zhì)的一致性有一定的難度;當(dāng)單體品質(zhì)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),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(wèn)題。同時(shí)為了保證單品品質(zhì)的一致性,該電壓巡檢的成本會(huì)相對(duì)較高,影響其普適推廣。

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德國(guó)SMART Testsolution GmbH公司在2019年推出的一體式的G5S電壓巡檢系統(tǒng)。對(duì)比上面由單個(gè)電壓巡檢組裝的形式,G5S具有機(jī)械穩(wěn)定性高與集成度高的特點(diǎn),但是需要定制開(kāi)發(fā),一般開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)于上面組裝類型的巡檢。該款產(chǎn)品是德國(guó)SMART公司較早期的產(chǎn)品,可以看出早期電壓巡檢已經(jīng)充分考慮了其功能性,但產(chǎn)品的普適性或可拓展性不如后來(lái)開(kāi)發(fā)的單個(gè)可組裝拓展的電壓巡檢。筆者推測(cè),在開(kāi)發(fā)電壓巡檢的過(guò)程中,由于各式各樣電堆的出現(xiàn),倒逼電壓巡檢開(kāi)發(fā)商思考如何能夠開(kāi)發(fā)出快速應(yīng)對(duì)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(guó)HORIBA集團(tuán)FuelCon的電壓巡檢供應(yīng)商為SMART Testsolution GmbH。結(jié)合德國(guó)HORIBA集團(tuán)FuelCon的電壓巡檢的外形及細(xì)節(jié)圖可以看出,SMART Testsolution公司的電壓巡檢可以進(jìn)行串聯(lián)組裝,按照電堆的大小進(jìn)行快速的開(kāi)發(fā),產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期短。


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德國(guó)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(jù)燃料電池電堆的樣式進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)發(fā),來(lái)滿足布置方面的要求。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看,開(kāi)發(fā)出普適性好,單個(gè)可組裝拓展的電壓巡檢將是一個(gè)大趨勢(shì)。





應(yīng)用

巡檢安裝的位置及布置方法,根據(jù)需求不同,應(yīng)用場(chǎng)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(jī)廠及電堆生產(chǎn)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(jù)筆者了解,豐田Mirai將電壓巡檢直接布置集成在電堆殼體內(nèi)部,且在布置時(shí)遠(yuǎn)離了電堆高壓電輸出銅排,降低了電堆產(chǎn)生高壓電對(duì)電壓巡檢的電磁干擾。



現(xiàn)代Nexo的巡檢布置如下:


現(xiàn)代Nexo的電壓巡檢布置在電堆的側(cè)面,并用外殼蓋板將其密封起來(lái),當(dāng)需要更換或維修電壓巡檢時(shí),直接打開(kāi)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(hù)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(cè)面布置,能夠防止水汽凝結(jié)后豎直延電壓信號(hào)線流入電壓巡檢電路板。



上海氫晨專為60kW系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的H280C型電堆


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上海氫晨H280C型電堆,電壓巡檢采用側(cè)面布置,如豐田和現(xiàn)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(fā)電堆




從捷氫科技自主研發(fā)電堆看,將電壓巡檢布置在電堆側(cè)面,外界用巡檢蓋板進(jìn)行了密封,筆者猜測(cè)該設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)標(biāo)現(xiàn)代Nexo而衍生出來(lái)的。



安徽明天氫能



安徽明天的電堆沒(méi)有明確體現(xiàn)出電壓巡檢的布置位置,但是預(yù)留了電壓巡檢線束。筆者猜測(cè),此舉是為了專心研發(fā)電堆,讓用戶根據(jù)自身需求去選購(gòu)定制電壓巡檢。



大連新源HYMOD@-70電堆模塊(圖片來(lái)源新聞網(wǎng)站)


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大連新源HYMOD@-70電堆模塊(圖片來(lái)源其*網(wǎng)站)。筆者猜測(cè),大連新源guan網(wǎng)上釋放的 HYMOD@-70電堆模塊上,電壓巡檢已經(jīng)移入電堆殼體內(nèi)部,并通過(guò)外部蓋板進(jìn)行密封。這樣做的原因,筆者猜測(cè)是通過(guò)對(duì)標(biāo)如現(xiàn)代等燃料電池系統(tǒng)的結(jié)果。移入電堆殼體內(nèi)部的巡檢是否有殼體包裹暫無(wú)法確定。

BMW集團(tuán)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(cè)試臺(tái)巡檢布置(巡檢為德國(guó)SMART Electronic Development GmbH公司的產(chǎn)品,從圖中外形猜測(cè)產(chǎn)品型號(hào)為CVMpro60/90-R3)


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總結(jié)



通過(guò)堆上述各整車(chē)廠及電堆供應(yīng)商的電堆巡檢的分析,可以看出他們都存在一個(gè)共同的特點(diǎn):即有電堆外殼或巡檢模塊自身外殼進(jìn)行包裹。筆者認(rèn)為,這樣的做法主要從三個(gè)需求出發(fā):

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(huán)境下長(zhǎng)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(hù),給電壓巡檢模塊自身加外殼可以加強(qiáng)保護(hù)。

2、機(jī)械防護(hù)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(jī)械強(qiáng)度,同時(shí)保證了電壓巡檢一定的抗機(jī)械沖擊及抗機(jī)械振動(dòng)的能力,這一點(diǎn)在整車(chē)燃料電池的應(yīng)用上非常重要,車(chē)用燃料電池需要通過(guò)國(guó)標(biāo)或企標(biāo)中關(guān)于機(jī)械振動(dòng)沖擊方面的標(biāo)準(zhǔn);

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(guò)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(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)器,其對(duì)電壓巡檢產(chǎn)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(duì)電壓巡檢自身也采用金屬外殼保護(hù)。

總而言之,燃料電池電壓巡檢對(duì)于外形無(wú)具體的要求,可以根據(jù)用戶的燃料電池電堆來(lái)開(kāi)發(fā),未來(lái)單體可拓展形式的巡檢市場(chǎng)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(jī)械防護(hù)和電磁兼容性能。




作者:鯉琨
校對(duì):楚軒

文章來(lái)源:《鯉琨  燃料電池百科》微信公眾號(hào)   侵刪



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