簡述燃料電池與鋰電池的管理系統(tǒng)比較
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-19 22:41
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目前電動汽車的主流技術路線就是鋰電池和燃料電池（PEMFC）。相對而言鋰電池在技術成熟度和成本方面有著明顯的優(yōu)勢，商業(yè)化程度更高。燃料電池技術目前在成本、使用壽命、基礎設施配套等方面距離規(guī)模化應用還有一定的距離，但較鋰電池而言還是有能量密度高、補給速度快的優(yōu)勢，未來勢必會有很大的發(fā)展空間。
從技術專利申請的情況看鋰電池在2008年起迎來了爆發(fā)，逐年線性遞增（2016年達8000件），與鋰電池產業(yè)化的腳步高度吻合。由此我們來看燃料電池多年維持在2000件左右的專利申請數且實用新型偏少，從一個角度印證了該技術還處于產業(yè)化前期的技術驗證階段。預計在2020年至2025年燃料電池技術可能進入快速發(fā)展階段，在此想比較一下鋰電池和燃料電池在管理系統(tǒng)上的異同。
有時候覺得鋰電池的管理系統(tǒng)（BMS）和燃料電池的控制系統(tǒng)（FCS）其實并沒有可比性。因為鋰電池系統(tǒng)屬于儲能裝置，而燃料電池系統(tǒng)屬于發(fā)電裝置，和發(fā)動機進行對標更合適。但另一方面燃料電池系統(tǒng)和鋰電池系統(tǒng)又有很多相似之處；都是由多節(jié)單體串聯(lián)而成需要對單體進行監(jiān)控，都是輸出電能并需要根據電池狀態(tài)實時調整功率邊界。較鋰電池而言燃料電池單體電壓平臺更低（標稱電壓約1V），功率響應有一定的滯后性，因此FCV車型動力總成中往往需要鋰電池系統(tǒng)或超級電容用于功率的瞬間輸出和回收。
下圖以Tesla電池系統(tǒng)與BALLARD的燃料電池系統(tǒng)進行比較，可見鋰電池系統(tǒng)對外部的接口簡單清晰（低壓接口、動力高壓接口、冷卻回路接口）。而燃料電池系統(tǒng)不僅包含常規(guī)的這三組接口，還需要有氫氣路接口與氫瓶連接，空氣路接口獲取氧氣并由空壓機增壓后注入電堆內，同時還需要有排氣通道。
鋰電池系統(tǒng)架構中被控對象主要包括：鋰電池單體、接觸器、冷卻系統(tǒng)；需要監(jiān)控的關鍵參數為：電流、電池單體電壓、系統(tǒng)總壓、溫度、絕緣電阻等，相對比較簡單。
而燃料電池系統(tǒng)架構中的被控對象包括了：燃料電池電堆、減壓閥、進氫閥、進氣閥、排氣閥、水循環(huán)系統(tǒng)、空壓機、加濕循環(huán)泵等。需要監(jiān)控的關鍵參數在鋰電池的基礎上需要增加：進堆口氫氣壓力、減壓閥前氫氣壓力、空氣壓力、空氣流量、空壓機電流等，并且需要控制進堆的氫氣和空氣保持適當的濕度。
4.控制策略比較
鋰電池BMS的策略主要可分為兩部分：BSE電池狀態(tài)算法和運行管理策略。由于鋰電池的電化學反應是電池主動完成的，因此BMS無需直接進行控制，只需要評估反應后的狀態(tài)。運行策略主要是基于對狀態(tài)的評估結果執(zhí)行接觸器、熱管理裝置、均衡功能的控制。
燃料電池的電化學反應過程需要通過控制系統(tǒng)控制物質的輸入輸出以及工作環(huán)境才得以進行，因此FCV的策略需要基于電堆控制模型、空氣路控制模型、氫氣路控制模型、以及冷卻系統(tǒng)模型實現(xiàn)有效控制。
5.主觀的感想
最后談一下對BMS和FCS控制策略的主管感受。BMS管理手段更像西醫(yī)療法，例如電池的均衡策略就是識別單體電池荷電態(tài)的不同，通過高放低充的方式直接進行治療。相比之下對燃料電池的管理有點中醫(yī)治療的味道，需要定期對燃料電池進行吹掃和活化來保持一致性。在運行過程中的控制上燃料電池復雜程度更高，多個模型之間互為輸入，因此采用機理模型（基于能量守恒、電化學反應方程的模型）很難得到最優(yōu)控制。預計在未來采用辨識模型（基于先驗知識實現(xiàn)等價模型匹配的算法）進行控制可能會是趨勢。
