2.1 燃料电池系统电气原理

燃料电池系统指的是用于车辆、游艇、航空航天及水下动力设备等作为驱动动力电源或辅助动力，通过电化学反应过程将反应物（燃料和氧化剂）的化学能转化为电能和热能的系统。燃料电池系统由燃料电池电堆、氢气供应系统、空气供应系统、水热管理系统以及控制子系统组成。燃料电池电堆是整个系统电化学反应的场所，其他子系统主要是相互协调确保燃料电池电堆的电化学反应能够正常、高效、可靠地工作。

燃料电池汽车的燃料电池系统电气原理可以分为高压电气原理和低压电气原理，高压电气原理的设计主要是燃料电池系统高压电路的连接，低压电气原理设计主要包括燃料电池系统低压电源配电设计和信号传输设计。

2.1.1 燃料电池系统高压电气原理

燃料电池系统高压电气的作用是为燃料电池汽车提供高压电源，驱动汽车行驶与高压部件的运转。燃料电池汽车的燃料电池高压电气系统，主要包括燃料电池电堆、燃料电池升压DC/DC变换器和燃料电池降压DC/DC变换器等部件。其工作原理为：氢气和氧气在燃料电池电堆内发生化学反应，产生高压电，高压电经过配电盒后进行电源分配，而后输入燃料电池升压DC/DC变换器内，对高压电进行稳定性升压处理，一部分输入到整车电气系统，为整车高压附件供电；另一部分输入到燃料电池降压DC/DC变换器内，对高压电进行降压处理，给燃料电池系统内的附件进行供电。

1. 燃料电池电堆高压输出电路

图2.1为燃料电池电堆高压输出电路图，燃料电池电堆输出到燃料电池升压DC/DC变换器的高压电路有两种，一种是高压电由电堆高压输出正极接口输入到配电盒高压输入接口，经过配电盒的电源分配，从配电盒输出接口，即系统高压输出正极，再输出到升压DC/DC变换器的电堆输入正极接口；另一种是高压电经过电堆高压输出负极接口直接输入到升压DC/DC变换器的电堆输入负极接口，燃料电池电堆、升压DC/DC变换器和配电盒组成高压输出与输入回路。配电盒集成在燃料电池电堆的内部，是电堆的一个电源保护装置，起到短路过载的快速断电保护、防漏电保护等安全保护作用。

2. 燃料电池升压DC/DC变换器高压输出电路

图2.2为燃料电池升压DC/DC变换器高压输出电路，升压DC/DC变换器输出的高压电有两路，其一是高压电经升压DC/DC变换器上的DC/DC输出正和DC/DC输出负接口输入到高压配电箱（PDU）的FCDCDC+和FCDCDC-接口，为整车高压附件进行供电；另一路高压电是由辅助高压输出接口，输入到燃料电池降压DC/DC变换器的降压DC高压输入端口。燃料电池电堆输出电压与高压配电箱之间的升压DC/DC变换器不可缺少。由于燃料电池电堆产生的电压是不稳定的、浮动的，而整体线路上需要一个稳定的电压保持供电，升压DC/DC变换器的作用就是使燃料电池电堆输出电压升高到与动力电池电压相同，当燃料电池产生的电能过多时，剩余电能可以通过高压配电箱输入到动力电池箱中。

3. 燃料电池降压DC/DC变换器高压输出电路

图2.3为燃料电池降压DC/DC变换器高压输出电路图，降压DC/DC变换器输出的高压电，主要为燃料电池电堆中的加热器和空压机进行供电。由升压DC/DC变换器输入的高压电，经过降压DC/DC变换器的降压处理，由电堆加热器输出和电堆空压机输出端口，输入到燃料电池电堆的空压机高压输入接口和PTC高压输入接口，为燃料电池电堆的空压机和加热器进行供电。空压机和加热器集成在燃料电池电堆的内部，空压机是高压燃料电池空气供应系统的关键部件，空气需要空压机来提供压力，增加燃料电池的反应速度，对空气加湿处理，它们所需要的电源是比整车电压低的低压电源，通过降压DC/DC变换器把升压DC/DC变换器输出的高压电转换为380V相对较低的电压，从而为加热器和空压机进行供电。

4. 燃料电池系统高压互锁回路

图2.4为燃料电池系统高压互锁回路图，燃料电池系统、整车电气系统和降压DC/DC变换器之间设置有高压互锁回路，用来保证燃料电池高压系统的安全。燃料电池高压系统中，高压互锁设计是燃料电池汽车高压系统的一个监测手段在汽车电路设计中的应用，能识别高压回路异常断开和破损，及时断开高压电路。在燃料汽车工作过程中，车辆因为某些故障突然断电，进而失去动力是最大的一种风险。高压互锁可以监测回路的连续性，并在高压断电之前给VCU发送报警信号，使VCU对整车系统采取相应的措施。另外的一个原因可能是人为误操作，高压互锁可以在连接器断开的时候，同时断开动力电池的输出，避免触电。

2.1.2 燃料电池系统低压电气原理

燃料电池系统低压电气原理主要分为低压电源分配和信号传输两个部分，低压电源分配主要包括氢气供给系统、燃料电池电堆、散热器组件等部件的低压电路连接，信号传输主要由各类传感器信号以及CAN信号组成。燃料电池系统低压电气工作原理为：当驾驶员插入开关钥匙拧到ON位，ON位信号唤醒整车控制器（VCU）。VCU控制燃料电池总开关和电源总开关，进而控制燃料电池低压附件的供电。燃料电池低压电气系统的输入为整车24V常电电源和各类传感器信号，输出为燃料电池系统低压附件电源。整车24V常电电源是所有燃料电池系统低压附件的供电电源，与燃料电池系统每个低压附件之间连接有燃料电池熔丝盒，熔丝盒内的各路熔丝限定低压附件的电路电流，保护燃料电池低压系统电路。

1. 燃料电池系统低压电源分配

燃料电池系统低压电源主要包括：燃料电池控制器电源、氢气循环泵电源、水泵电源、氢管路伴热电源、氢尾排PTC电源、升压DC/DC变换器电源、降压DC/DC变换器电源、散热系统控制器电源、风扇1电源、风扇2电源、风扇3电源、风扇4电源、氢气供给系统电源、控制器使能电源和各类传感器电源。

图2.5为燃料电池升压DC/DC和降压DC/DC变换器电源分配图，整车24V电源经多功能电源箱输出低压电，先输入到燃料电池熔丝盒中，再连接至燃料电池升压DC/DC变换器的升压DC电源接口和燃料电池降压DC/DC变换器的降压DC电源接口，为升压DC/DC和降压DC/DC变换器供电。

图2.6为燃料电池氢气供给系统电源分配图，氢气供给系统的低压电源连接与升压/降压变换器相同，整车24V常电电源，先接入到燃料电池熔丝盒中，再连接至氢气供给系统电源接口（氢系统电源+和氢系统电源-），为氢气供给系统供电。氢气供给系统输出12V电源（传感器电源+和传感器电源-）为储氢舱的氢气浓度传感器供电。

图2.7为燃料电池电堆低压电源分配图，燃料电池控制器（FCU）和控制器使能由整车24V常电电源供电。低压电源先接入到燃料电池熔丝盒，再输入燃料电池系统中的FC控制系统电源接口和控制器使能电源接口，为FC控制器和控制器使能供电。燃料电池汽车整车控制器是燃料电池汽车的核心控制部件，主要功能是处理驾驶员输入和系统运行状态信号，例如整车功率需求、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。FCU基本功能是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；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。燃料电池舱的空气流量计和氢浓度传感器由燃料电池电堆供电，低压电由电堆上的12V+和12V-电源接口，输入至空气流量计和氢浓度传感器。空气流量计用来检测空气系统入口量，将进气量信息通过电路的连接转化为电信号输入给FCU，以供FCU控制燃料电池电堆。燃料电池舱里的氢浓度传感器，实时检测氢气浓度，在氢气达到安全的浓度范围内，确保车辆用氢安全。

由图2.7可知，燃料电池电堆中的氢气循环泵和氢管路伴热附件也是由整车24V常电电源供电，它们与氢气供给系统配合工作，提升氢气供给效率和利用率。整车常电电源输出低压电，接入燃料电池熔丝盒，再连接至燃料电池电堆的氢气循环泵低压输入接口（电堆氢循环泵+和电堆氢循环泵-）和氢管路伴热电源接口（氢管路伴热电源+和氢管路伴热电源-），为燃料电池电堆的氢气循环泵和氢管路伴热部件供电。氢气循环泵在燃料电池电堆发电过程中起到至关重要的作用，是燃料电池系统中的核心部件之一，它将未反应的氢气从燃料电池出口直接泵回燃料电池入口，与入口反应气汇合后进入燃料电池。利用氢气循环泵，一方面可以把反应气尾气的水分带入电池，起到增湿作用；另一方面，可以提高氢气在燃料电池阳极流道内的流速，防止阳极水的累积，避免阳极水淹，同时也提高了氢气利用率。氢管路伴热的功能是：当汽车在冬季工作时，氢管路内水分容易凝结，导致管路冰堵，所以需要对氢管路进行加热保温。在燃料电池系统内部加入氢管路伴热装置。另外，氢气浓度达不到要求时，即氢气内含有水分时，也需要对氢管路进行保温加热处理。氢管路伴热用来控制燃料电池系统的氢管路温度，可以显著提升燃料电池系统的发电效率。

燃料电池电堆中的氢尾排PTC和循环水泵也是由整车24V常电电源供电，它们都是电堆水热管理系统的重要部件。整车常电先输入到燃料电池熔丝盒中，再连接至电堆的氢尾排PTC电源接口（氢尾排PTC+和氢尾排PTC-）和循环水泵低压输入接口（电堆循环水泵+和电堆循环水泵-），为它们进行供电。氢尾排PTC的作用是：对氢气在燃料电池系统里发生反应后所排出的水汽及未反应的氢气进行加热，让排气管路温度升高，防止汽车在冬季排气管路有水汽凝结，堵塞管路。安装氢尾排PTC可以有效地防止故障发生，可以在冬季给燃料电池系统进行加热，以免冬季燃料汽车起动慢，无法正常工作，还可以减少废气带来的污染。燃料电池电堆水泵是燃料电池系统的重要部件之一，对燃料电池的水热管理起到至关重要的作用。燃料电池系统的最佳工作温度为80℃左右，为保证燃料电池系统良好的工作性能，要求冷却水泵及时地带走过多的热量。水泵给燃料电池系统冷却液做功，使冷却循环回路中的冷却液循环，保证电堆产生的热量能够快速有效地散发，使燃料电池系统保持合适的工作温度。

图2.8为燃料电池系统散热器组件低压电源分配图，散热系统控制器、水箱液位开关和电导率仪的电源连接在一起。整车24V常电电源输出低压电，接入到燃料电池熔丝盒，再输入到散热系统控制器（电源输入正极和电源输入负极）、水箱液位开关和电导率仪。风扇1、风扇2、风扇3和风扇4是整车24V常电电源输出低压电（风扇1、2、3、4电源24V+和风扇1、2、3、4电源24V-），接入到燃料电池熔丝盒，再连接到风扇1、2、3和4的电源接口（VCC和GND）中，从而驱动风扇运转。散热系统的主要任务是保证将燃料电池电堆在化学反应过程中产生的热量排出系统，保证燃料电池在合适的温度下工作。

2. 燃料电池系统信号传输

燃料的电池系统信号传输主要分为硬线信号传输和CAN信号传输，硬线信号主要包括：氢浓度传感器信号、空气系统入口流量信号、环境温度信号、液位报警信号、散热出口温度信号、散热入口温度信号、4～20mA电导率信号、钥匙点火信号、风扇状态反馈信号。燃料电池系统低压电气CAN信号主要包括：CAN1、CAN3、CAND和CANE等多路CAN信号。

图2.9为燃料电池系统硬线信号传输图，硬线信号工作原理为：氢系统的氢浓度传感器，散热系统控制器中的风扇状态反馈、水箱液位开关、散热出水口温度传感器、散热入水口温度传感器、电导率仪，燃料电池电堆中的空气流量计、氢浓度传感器，收集燃料电池系统的信息，然后传递给各类控制器。燃料电池电堆的空气流量计用来检测空气系统入口量，将进气量信息通过电路的连接转化为电信号输入给燃料电池控制器（FCU），以供FCU控制燃料电池电堆。燃料电池舱里的氢浓度传感器，实时检测氢气浓度，在氢气达到安全的浓度范围内，确保车辆用氢安全。散热系统控制器的散热出水口温度传感器和散热入水口温度传感器收集温度信号，传输给散热控制器，散热系统控制器根据传感器电信号，判断是否需要控制风扇运作给燃料电池散热。散热系统控制器的电导率仪检测冷却液的电导率信号，保证整车的绝缘安全。水箱液位开关收集水箱液位信号，传给散热系统控制器，防止水箱中液位过低，影响冷却循环回路的流动，进而影响冷却效果，使得燃料电池系统过热。氢系统中储氢舱的氢浓度传感器，布置在易于出现氢气泄漏和聚集的地方，实时检测相关区域的氢气浓度，保障燃料电池汽车的氢安全。

图2.10为燃料电池系统CAN线信号传输图，CAN信号主要有四条CAN线信号组成，分别为：燃料电池电堆、燃料电池升压DC/DC变换器、燃料电池降压DC/DC变化器、氢系统。CAN1调试口和散热系统控制器的CAN网络组成燃料电池系统CAN1网络拓扑；燃料电池电堆和整车电气系统的CAN网络组成燃料电池系统CAN3网络拓扑；燃料电池升压DC/DC变换器和CAND调试口的CAN网络组成燃料电池系统的CAND网络拓扑；燃料电池降压DC/DC变换器和CANE调试口的CAN网络组成燃料电池系统的CANE网络拓扑。燃料电池低压电气CAN线信号传输工作原理为：各控制器先接收传感器测量的硬线信号，然后将硬线信号信息在CAN线上传输，燃料电池系统内的各控制器通过接收到的硬线信号信息，根据设定的控制策略，再通过CAN线发出信号，对燃料电池系统中的各附件进行控制。当燃料电池系统中的升压DC/DC变换器和降压DC/DC变换器出现故障时，可以通过CAND和CANE调试口对它们进行调试，检查故障所在。同样，当燃料电池系统CAN1网络出现故障时，可以通过CAN1调试口进行调试。