霍尔电流传感器在车载燃料电池系统的应用

氢能燃料电池汽车是具有广阔发展前景的新能源汽车，其具有加氢时间短、续驶里程长等诸多优点。车载燃料电池系统通常包含电堆和外围氢气、空气、冷却等零部件，电堆进一步包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板等，由于1片单片电池的理论电压为1.23 V，其通常通过几百片并联实现大功率输出。通常情况下，燃料电池系统冷启动过程中，会采用较低的空气计量比降低燃料电池系统输出电压，以加快启动速率。因此，在冷启动过程中，燃料电池输出电压较低，通常在50V以下，然而正常运行时其输出电压较高，在200 V以上，商用车的电压平台为400‑750V，因此需要DC‑DC转换器能适应较宽的升压比范围。

目前，现有技术尚无解决燃料电池在冷启动切换至正常运行过程中燃料电池与DC‑DC转换器的宽升压比范围的协调控制问题的方法，导致车载燃料电池系统的环境适应性与可靠性较差。本文介绍一种车载燃料电池系统及其启动运行控制方法，用以解决现有技术尚无冷启动切换至正常运行过程中燃料电池与DC‑DC转换器的宽升压比范围内协调控制方法的问题。车载燃料电池系统包括电堆、DC‑DC转换器、氢气设备、空气设备和控制器;其中，电堆的氢气进气口与氢气设备的输出端连接，空气进气口与空气设备的输出端连接，供电端与DC‑DC转换器连接;

控制器用于低温启动时，控制DC‑DC转换器置于较低的开关频率，启动空气设备、氢气设备，调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，使得电堆输出目标电压，完成低温启动;由低温启动切换至高温运行时，控制电堆的输出电流降低至标定值后，调整入堆空气计量比至目标计量比;高温运行时，控制DC‑DC转换器置于较高的开关频率，再根据整车的实时功率需求，实时调整燃料电池参数。该方案的优点如下：通过DC‑DC转换器的开关频率的切换(低‑高)，基于电流环与流量环的双闭环调节，实现了车载燃料电池系统在低温启动、高温运行及其切换过程中的升压比与电流精度的多目标优化控制，增强了车载燃料电池系统的环境适应性与可靠性。

数据采集单元，用于分别采集入堆冷却液、出堆冷却液水温，空压机的输入端空气流量，入堆空气流量、入堆氢气流量，以及电堆的实际输出电压与电流，发送至数据处理与控制单元;数据处理与控制单元，用于低温启动时，先控制DC‑DC转换器置于较低的开关频率，再启动空气设备、氢气设备，监测电堆的实际输出电压，根据电堆的实际输出电压与目标电压的差值调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，使得电堆输出目标电压，完成低温启动;由低温启动切换至高温运行时，先控制电堆的输出电流降低至标定值后，再调整入堆空气计量比至目标计量比;高温运行时，控制DC‑DC转换器置于较高的开关频率，再根据整车的实时功率需求，控制执行单元实时调整燃料电池参数;

执行单元，用于根据数据处理与控制单元的控制，控制冷却液水温，或控制氢气设备、空气设备输出气体的压力和流量。

数据采集单元进一步包括：

温度传感器，分别设置于整车车厢内、电堆的冷却液入口和冷却液出口处，用于采集当前时刻的环境温度，以及布设位置处的冷却液水温;流量压力一体传感器，分别设置于空压机的输入端、电堆的空气入口、氢气入口处，用于采集布设位置处通流气体的流量和压力;电流监测设备，设置于电堆、DC‑DC转换器之间，用于采集电堆的实际输出电流，电流采集使用霍尔电流传感器CH704200CT;

电压监测设备，与电堆的供电端连接，用于采集电堆两侧的实际输出电压。上述进一步改进方案的有益效果是：对数据采集单元的传感器种类进行了限定，使得启动运行控制过程更加精准。控制DC‑DC转换器与车载动力电池连接，使得车载动力电池通过DC‑DC转换器对空气设备、氢气设备供电，并控制执行单元对入堆冷却液开始进行加热;在加热的同时，启动空气设备、氢气设备，监测电堆的实际输出电压，获取电堆的实际输出电压与目标电压的差值;根据所述差值调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，直到电堆输出目标电压，断开车载动力电池;在调整过程中，同步监测出堆冷却液温水温，直到出堆冷却液水温达到标定温度，停止加热，完成燃料电池的低温启动。上述进一步改进方案的有益效果是：增加了冷启动判断，通过DC‑DC转换器的开关频率的切换，基于电流环与流量环的双调节，实现了燃料电池系统在低温启动过程中的优化控制，进一步增强了车载燃料电池系统的环境适应性与可靠性。进一步，整车运行时，所述数据处理与控制单元执行如下程序：监测当前时刻的出堆冷却液温水温;将所述出堆冷却液温水温与标定温度进行比较，判断燃料电池是否高温运行;如果出堆冷却液温水温小于等于标定温度，判定燃料电池非高温运行，根据整车的实时功率需求，控制执行单元调整燃料电池参数;否则，判定燃料电池高温运行，执行下一步;

控制两个调压阀调整开度，使得电堆的实际输出电流降低至标定值;所述标定值为标定的使得电堆输出电流稳定的切换电流幅值;控制空压机的转速，使得入堆空气计量比调整至目标计量比;控制DC‑DC转换器变更至较高的开关频率，再根据整车的实时功率需求，控制执行单元实时调整燃料电池参数;所述燃料电池参数包括入堆氢气和空气的压力、流量，以及入堆冷却液水温;所述较高的开关频率为在低升压比下能够维持DC‑DC转换器较高的电流控制精度的标定频率。上述进一步改进方案的有益效果是：增加了高温运行的判断，通过DC‑DC转换器的开关频率的切换，基于电流环与流量环的双闭环调节，实现了燃料电池系统在高温运行及其切换过程中的优化控制，进一步增强了车载燃料电池系统的环境适应性与可靠性。进一步，所述氢气设备进一步包括依次连接的氢源、氢喷设备、氢气进气节气阀;其中，所述空气进气设备进一步包括依次连接的空压机、空气进气节气阀;

所述执行单元进一步包括可变电阻器、多个MOS开关、冷却液水温调控设备;并且，所述可变电阻器设置于DC‑DC转换器与整车用电设备之间，每一所述MOS开关设置于数据处理与控制单元与调压阀或空压机或冷却液水温调控设备之间;所述冷却液水温调控设备设置于电堆的冷却液入口与冷却液出口之间。上述进一步改进方案的有益效果是：对氢气设备、空气进气设备以及执行单元的组成进一步限定，可以有效控制低温启动、高温运行过程中的电堆输出电流、冷却液温度、空压机输出流量，以及入堆气体压力。进一步，该系统还包括尾排电磁阀;其中，所述尾排电磁阀的输入端也与电堆的排气口连接，其控制端与控制器的输出端连接。上述进一步改进方案的有益效果是：通过设置尾排电磁阀，进一步提高了车载燃料电池系统的安全性。电堆内气体压力过大(超阈值)时，控制器能够控制尾排电磁阀提高开启频率及时泄压。文章中提到的CH704芯片是意瑞半导体(上海)有限公司推出隔离集成式电流传感器芯片，该芯片可以替代Allegro的大电流霍尔电流传感器ACS756/ACS758/ACS770/ACS772，其中CH704A是满足汽车级标准的产品，填补了国内的空白。

CH704 是专为大电流检测应用开发的隔离集成式电流传感芯片。CH704 内置 0.1mΩ 的初级导体电阻，有效降低芯片发热支持大电流检测：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其内部集成独特的温度补偿电路以实现芯片在 -40 到150­°C全温范围内良好的一致性。出厂前芯片已做好灵敏度和静态(零电流)输出电压的校准，在全温度范围内提供 ±2% 的典型准确性。

产品信息如下：

• 隔离电压：4800VRMS

• AEC-Q100 汽车认证 (CH704A)

• 电源：4.5-5.5V

• 输出电压与电流成正比：+/-50A,+/-100A,+/-150A,+/-200A

• 带宽：120kHz

• 响应时间：2us

• 宽温度范围：-40­°C 至 150­°C

• 使用 EEPROM 进行高分辨率偏移和灵敏度调整

• 导线电阻：0.1 mΩ

• 集成数字温度补偿电路

• 几乎为零的磁滞

• 电源电压的比例输出

• 抗外部磁场

原文标题：车载燃料电池系统及其启动运行控制方法介绍(霍尔电流传感器CH704200CT应用案例)

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审核编辑：汤梓红