热管理的氢燃料电池控制器研究

热管理的氢燃料电池控制器研究

王应文

贵州梅岭电源有限公司 贵州省遵义市 563000

摘要：由于氢燃料控制器的运转需求与其他控制器有着明显的区别和差异，因此还应当从多个视角上对其研究路径进行探讨和分析，而热管理的存在为这一研究方案提供更切实可行的工作路径。基于此，文章先从热管理的工作目的及研究方向入手进行简单分析，再结合控制器的运转需求，探究热管理视角下的氢燃料电池控制器研究路径，以供相关人员参考、借鉴，希望为稳步提升氢燃料电池控制器的运转性能提供帮助。

关键词：热管理；氢燃料；电池控制器

前言

储能方式具有多种多样的特点，而在这之中，氢能的来源更为广泛，且具有较为全面的使用特征，也不会对环境造成破坏和污染，因此氢能逐渐成为新兴能源的主要载体，利用绿色、无污染制取手段，即可实现氢气的大量制备，得益于国内清洁能源产业的飞速发展，氢气制取及利用的工作发展前景十分广阔。氢燃料电池系统作为氢能产业快速发展的重要载体，对于其核心部件--氢燃料电池控制器的优化和完善而言，技术人员还需要从热管理视角入手，寻求更优质的设计方案。

一、热管理的工作目的及管理研究

对氢燃料电池控制器予以热管理的工作模式，就是要确保控制器的元器件可以在更适宜的条件下进行工作，从而有效提升氢燃料电池器的使用性能和使用寿命。利用热管理为工作手段，灵活转变工作方式，可以为氢燃料电池控制器的平稳运转提供比较稳定的电流输出值，实现电池系统控制器输出性能的专项管控。通过对氢燃料电池控制器的导热和散热性能进行调整，即可对其运转环境进行监管和控制。在原有的管理方式下，热传导往往需要依靠散热片等零件实现热量的传输与输送，而热管理的存在正是以此为基础进行升级改造，让散热片同时承担着导热和散热的使用性能，并增加对流、辐射等其他种散热方式。由于在一个串联电路中，各个节点的电流属于恒定状态，但是热流传输却与之呈现较大的差异性，一些电路节点有可能因为热阻过大等问题，导致电量传输不通畅等现象，致使电路局部出现热量聚集的情况。对氢燃料电池控制器予以热管理，就是要将热源向外散发的热量充分显现出来，确保氢燃料电池控制器中的芯片节点温度始终处于合理、安全的数值范围内。

二、热管理视角下的氢燃料电池控制器研究路径

（一）深入分析回路控制需求

为了在热管理的工作视角下充分实现氢燃料电池控制器的深入研究，技术人员就需要提前做好回路控制要求，分别从氢气、空气以及散热等几个工作角度入手，逐一对控制基本需求进行商讨和制定。在对氢气回路予以控制和管理时，技术人员应当确保控制器可以实时接收到开关机的所属信号，并自动进行故障检测。当完成检测后确认回路无明显故障后，需要在短时间内顺利启动系统，一旦在检测过程中发现明显的故障问题，就需要及时上传故障代码并停机。当控制器系统正式启动后，就需要立即进行数据采集工作并维系氢燃料电池系统的正常运转状态，确保氢气可以以一定的流量及压力输入电堆，产生相应的系列反应，再利用读取状态码等方式，实现对系统的运行状态读取操作，并利用外设的传感器获取系统的氢气路关键数据参数，技术人员通过控制器采集并上传的数据信息，例如系统状态和压力信息等，及时对系统的进气压力等数值进行调整，从而确保氢气供应与实际运转需求相符合，促使控制循环泵可以维系氢气循环的稳定性[1]。

在对氢燃料电池控制器的空气回路进行运行需求分析时，应当对空气回路的运转情况予以准确预判。一般情况下，当空气顺利进入到电池内部的进气通道后，系统的空滤就会及时除去空气中所含有的杂质以及硫化物等，并将过滤后的空气送入空压机内，再利用中冷器和增湿器，以水热交换的形式，为整个电池系统的运转提供更稳定的反应效率，并完成能量的回收。在这一环节，技术人员应当严格把控温度指标，如果没有及时干预温度变化，造成氢燃料电池内部温度过高或过低等问题，就容易导致质子膜的明显损伤，因此技术人员还应当以实时监测的方式把控电堆的运转温度。相较于上述两种回路控制需求。在对控制器的散热回路进行设计和分析时，技术人员需要对其采集的相关信息进行统筹规划[2]。在对控制器散热回路的采集信息进行划分时，通常都需要针对电堆入口处冷却路的压力温度、冷却液流量以及风扇转速等节点予以控制，以30kW的额定氢燃料电池为例，此类电池在运转过程中往往会产生小于40kW的产热功率，最适宜的环境温度为70℃左右，且一般会使用循环冷却液的方式对其运转状态进行温度的调整，在系统水泵驱动的作用下，提前留有的冷却液循环系统可以带出一定量的电堆热量值，再利用散热风扇的运转，即可完成对整个回路的降温和冷却。

（二）完善控制器电路设计

在完成氢燃料电池控制器的回路控制需求之后，技术人员还应当从热管理视角入手，对整个控制器的电路进行优化设计。第一，在对电源模块电路部分进行设计工作时，技术人员应当确保稳压模块具有较高的可靠性和稳定性。降压降温模块的设计可以有效维系硬件电路中各个功能模块的运转稳定性，尤其对于较大负荷的电源系统而言，外部供电系统或蓄电池的存在可以为各个控制节点提供供电电源，但是由于控制器中的一些模块，需要经过匹配工作电压后才可以进入正式的运转状态，导致外部供电电压与电子控制系统的直流电压不符合，因此还需要结合控制器的运转需求，对其电压数值予以降压和稳压处理。第二，在对控制器电路进行设计时，技术人员还需要额外注意PWM驱动部分，尤其对于燃料电池系统的运转而言，技术人员更应当予以电压控制的运行比例进行监管，并逐一对空压机及风扇的转速情况进行调整。但是受到控制器内部固有芯片的影响，由于此类芯片具有较为薄弱的驱动能力，因此这类芯片输出的PWM信号无法直接对外在零件进行驱动操作，为了缓解这一方面的电路影响，技术人员可以增加一定数量的驱动电路，实现对PWM的有效控制

[3]。第三，电磁阀也是对控制器驱动电路进行设计的关键节点，在整个系统的运转状态中，由于单片机的自有结构较为薄弱，无法直接对阀门等组件施加控制，因此技术人员可以通过继电器等方式，实现对电磁阀的控制管理，通常情况下，结合控制器的运转需求，可以直接选用HF46F/5-HSH1型号的插件功能继电器为主要载体，做好整个运转系统的电气隔离工作。

（三）强化控制器热管测试

在完成上述工作之后，技术人员还应当结合氢燃料电池控制器的运转需求，提前做好控制器热管理物理测试。开展此项实验检测的目的就是为了通过风扇转速实验的方式，判断系统中的电路板是否可以处于长期的正常运转状态，同时还可以对PWM输出电路等硬件电路组成情况的运行状态予以判断，由于PWM信号在整个氢燃料电池系统中关系到电机驱动与电磁阀的控制和调节，因此技术人员在开展这项测试时，还需要对PWM控制风扇转速的精确度进行判定，对此，技术人员可以通过借助霍尔传感器对风扇的转速情况进行测定和判断，以测周法和测评法等方式进行评判，并编码相应的脉冲速度，提升计算数值的准确性和精确度。

三、结论

综上所述，热管理作为一种比较先进的工作理念和手段，具有一定的泛用性和灵活性，比较适应各类电池控制器的设计方案。氢燃料是一种新型清洁能源，可以为电源行业提供更灵活、更现代的作业方式，在后续的工作实践阶段，技术人员应当坚持从热管理视角入手，针对氢燃料电池控制器的运转模式，逐一实现回路控制需求、控制器电路设计、控制器热管测试等工作内容，逐步提高氢燃料电池控制器的可靠性与稳定性。

参考文献：

[1]钱思达, 李雷. 基于GREET模型的氢燃料电池机车全生命周期碳排放与能耗分析[J]. 铁道运输与经济, 1-8.

[2]黄其, 罗玲, 薛利昆, 等. 氢燃料电池高速空压机控制器设计[J]. 电气工程学报, 2020, 15 (04): 91-98.

[3]翁昕晨, 黄瑞, 俞小莉, 等. 氢燃料电池热特性测试平台设计和应用[J]. 中国科学:技术科学, 2023, 53 (03): 363-374.