氢燃料电池汽车核心--燃料电池FCU电控开发

氢燃料电池汽车

近年来，随着新能源汽车的大规模推广应用，燃料电池汽车控制系统及零部件的开发与测试技术也得到了快速发展，但同时，市场竞争也越来越激烈，消费者对新能源汽车的驾乘感受及安全要求也越来越高。燃料电池控制器（FCU）及电机系统作为新能源汽车的核心系统，其产品质量将直接决定了整车的安全性。因此， FCU 的开发及仿真测试将是燃料电池整车开发过程中至关重要的环节。

在电控系统控制软件开发过程中，开发流程、开发及测试工具是保证开发软件质量的重要手段之一。从前期的需求分析、软件系统设计、软件设计、代码实现及硬件匹配、硬件在环仿真测试、实车测试等各个环节都需要借用专业的工具来提高开发效率和保证开发质量。

FCU控制功能

燃料电池汽车控制器是燃料电池汽车的核心控制部件，负责处理驾驶员输入和系统运行状态信号，例如功率的需求、系统状态、整车信号的输入、故障的诊断、燃料电池温度和电流等。通过这些信号进行控制决策和计算，将控制指令输出到各部件控制单元。车辆的运行情况基本决定了控制器应该实现的功能。

FCU基本功能包括：

(1)保持与各个子控制单元的通信，对各个子系统进行整体监控和协调；

(2)调节燃料电池、主DC-DC输出电流以便控制燃料电池输出功率，并实现整车的能量优化。

FCU控制功能模块定义

根据控制功能需求，FCU控制功能模块定义如下：

1) 系统上下电控制

FCU上下电控制分为低压电控制和高压电控制，根据点火钥匙的状态判断驾驶员的上下低压电意图，结合VCU发出的换档手柄的位置、电池电量SOC等参数作为上下高压电的控制依据。通过正常及紧急情况高/低压上、下电控制逻辑，控制高/低压继电器，确保系统安全、快速上、下电。

2) 工作模式

燃料电池工作模式分为CRM和CDR.

CRM模式，电流斜坡模式

CDR模式，电流请求模式

3) 节电池巡检处理

主要包括：单节电池的最高电压、最低电压、电流、温度等信息采集，在此基础上，精确检测电池状态。

4) 扭矩控制

扭矩控制的原理是首先采集加速踏板的位置信号，结合档位管理模块、整车状态识别和能量管理等处理，FCU综合以上所有信号确定燃料电池的工作模式，最终由扭矩协调管理模块计算输出电机控制器MCU所需要的扭矩值。

1）驾驶员需求扭矩计算：采集加速踏板信号，计算车辆扭矩需求，由VCU将信号发送给FCU进行能量输出；

2）扭矩限制：即根据当前电堆、电池、燃料电池工作状态，对动力系统输出扭矩进行限制；

3）扭矩协调：根据车辆工况及工作模式，实现扭矩协调工作；

5) 阳极氢气循环回路控制

• 1进气阀控制：对进出氢气的控制，以及氢气压力的控制。
• 2回流泵控制：充分利用燃料，提高效率，对未参与反应的氢气进行回流，同时检测氢气的流量。
• 氢气吹扫阀控制：吹扫未反应的氢气，提高回收再利用率。

6) 阴极空气子系统控制

阴极提供氧气（空气），空压机吸收空气，将空气压缩，提供高密度的氧气，使反应更充分，这就对空压机的转速要求很高，对空压机的控制直接影响电堆的反应效率。

7) 节电池管理

节电池能够很好的反应每一节电池的工作状态，检测电池的电压与电流。

8) 仪表显示控制模块

仪表显示控制模块主要是FCU将燃料电池运行参数通过CAN总线按照对应的通信协议发送到仪表上，驾驶员过仪表上参数可以确定电池系统的运行状态，是否出现故障等功能。

9) 附件控制

• 循环泵控制模块
• DC/DC控制模块
• 冷却系统控制模块

10) 输入/输出信号处理

输入/输出信号处理模块根据具体情况对输入、输出信号进行相应的滤波、抗抖、滞回处理，保证输入可靠有效，输出明确。

11) 故障诊断与处理功能的要求与实现

故障发生时故障诊断模块能诊断出相应的故障，并根据故障等级采用相应的处理措施，在保证车辆安全的前提下，尽量使车辆能够继续运行。