我所理解的氢燃料电池(第十章：系统-电气子系统2-低压)
10-4-2 低压电气子系统
燃料电池系统的电气低压子系统（通常指12V或24V低压电路）是整个燃料电池系统的“神经与血管”，该系统通过各种传感器收集空气子系、氢气子系统、冷却子系统的运行状态和参数，并根据所收集的信息进行相应的逻辑运算、故障诊断等工作，进而对各个执行器、阀等执行部件发送相应的工作指令，其典型的电气接口如图10-15所示。它虽不直接参与电能的主输出（主输出由高压子系统提供），但与高压子系统形成互补，是系统稳定、高效、安全运行的核心支撑。
图10-15低压电气子系统的架构图
在低压电气子系统中，24V低压电源给FCU、电磁阀、排氢阀、入堆节气门、进气压力阀、辅助水泵、辅助散热风扇以及主散热风扇供电；各传感器则根据电气接口类型与对应的控制器引脚相连实现信号采集；FCU通常至少能与3路CAN进行通信，包括内部CAN、标定CAN和整车CAN。
内部CAN用于连接燃料电池系统内部所有基于CAN通信的零部件。在内部CAN网络中，所有零部件需要满足一定的条件才能稳定通信，即通信波特率必须一致，帧ID不能相互冲突，并且网络负载率要处于合理范围内。如果这些条件不满足，通信稳定性就会下降，导致数据传输错误、延迟甚至通信中断，影响燃料电池系统的正常运行 。例如，燃料电池堆的温度传感器和湿度传感器都通过内部CAN向FCU发送数据，若它们的帧ID冲突，FCU就无法准确识别和接收各自的数据。
标定CAN主要服务于燃料电池系统的开发过程。开发工程师可以通过标定CAN对应用层控制策略的参数进行调整和标定，比如调整空气供应系统的目标压力值、氢气循环系统的流量控制参数等。同时，利用标定CAN进行逻辑验证，监测系统运行过程中的各种数据，评估控制策略的有效性和合理性，不断优化燃料电池系统的性能 。
整车CAN是FCU与整车控制器进行交互的通信网络。通过整车CAN，FCU接收整车控制器发送的各种指令，如车辆启动、停止、加速、减速等操作所对应的指令，并根据这些指令调整燃料电池系统的输出功率。同时，FCU也会向整车控制器反馈燃料电池系统的当前状态信息，如输出电压、电流、功率、剩余氢气量等，以便整车控制器综合考虑并协调燃料电池系统与其他车载系统（如驱动电机系统、电池管理系统等）的工作
简单来说，CAN总线就像一个“高效的对讲机系统”，让多个设备能有序、可靠地“说话”。
1.燃料电池控制器单元(Fuel Cell Controller Unit，FCU）
FCU是燃料电池系统的核心控制单元，就像人体的“大脑”，对整个燃料电池系统的稳定、高效运行起着关键的决策和调控作用，如图10-16所示。
图10-16 FCU
系统控制与协调的作用
1）FCU根据整车控制器（VCU）发送的功率需求指令，实时调节燃料电池堆的输出功率。例如，在汽车加速时，FCU控制增加氢气和空气的供应量，使燃料电池堆产生更多电能以满足驱动电机的需求；在车辆减速或怠速时，减少燃料供应，降低发电功率，提高能源利用效率；
2）协调燃料电池系统内各个子系统的工作，如氢气供应系统、空气供应系统、热管理系统等。它会根据燃料电池堆的运行状态，精确控制氢气供应系统的电磁阀、泵等设备，确保氢气稳定供应；同时，调节空气压缩机的转速，保证合适的空气（氧气）输入量，维持电化学反应的正常进行。此外，还会控制冷却液泵、散热风扇等热管理系统部件，使燃料电池堆工作在适宜的温度范围内。
数据采集与处理的作用
1）实时采集燃料电池系统中各类传感器的数据，包括但不限于燃料电池堆的电压、电流、温度、湿度，氢气的压力、流量，空气的压力、流量等。这些数据是FCU进行系统控制和状态评估的重要依据；
2）对采集到的数据进行分析和处理，判断燃料电池系统的运行状态是否正常。例如，通过分析燃料电池堆的电压和电流数据，评估其发电效率；根据温度数据判断是否需要调整热管理系统的工作模式等。
故障诊断与保护的作用
1）持续监测燃料电池系统的运行参数，依据预设的故障阈值和诊断逻辑，及时发现系统中出现的故障，如氢气泄漏、空气供应不足、温度过高或过低等；
2）一旦检测到故障，FCU会立即采取相应的保护措施，如降低燃料电池堆的输出功率、切断燃料供应或关闭系统，以防止故障进一步扩大，保护燃料电池堆和其他关键部件不受损坏。同时，还会记录故障代码和相关数据，方便维修人员进行故障排查和修复。
2.单电池电压监测器(Cell Voltage Monitor，CVM)
单电池电压监测器，又称单电池电压巡检，如图10-17所示。在燃料电池系统中，CVM是专门用于实时监测燃料电池堆内部每个单电池电压的关键设备。由于燃料电池堆通常由数十甚至数百个单电池串联组成，每个单电池的电压状态直接反映其健康状况和电化学反应效率，因此CVM的监测功能对系统安全、高效运行至关重要。
图10-17 CVM
CVM直接与电池堆的单电池连接，其采集点的布置需避免影响电池堆的密封和散热，同时需适应电池堆的振动、温湿度环境(通常工作温度 - 40~85℃);
CVM是FCU的“眼睛”，提供单电池级的状态数据，FCU基于这些数据调整系统控制策略（如空气过量系数、氢气循环速率），实现闭环控制。
目前关于燃料电池CVM的采集方法有以下一些方法：
1）将采集的电压值通过电阻分压衰减到芯片可测量的范围内。电阻分压法通过在每节电池两端并联一组高精度分压电阻R1和R2，R1远大于R2，这样的话，就可以将单体电压按照R1+R2:R2的固定比例衰减至模数转换器可测量范围内，再通过公式V单体= V分压×(R1+R2)/R2反推实际单体电压。
该测量方法简单易行，成本低，使用寿命长，但是存在累计误差，并且累计误差无法消除，随着单体电池节数的增加，这种误差会随着燃料电池共模电压的增大而增大。分压电阻会持续消耗电流，造成少量的能量损耗。
2）基于光电隔离继电器的巡检方法，是一种通过光电隔离继电器实现高压单体电池与低压采集电路电气隔离的监测方案，核心是利用继电器的开关特性选通目标单体电池，再结合隔离电路传输电压信号。
工作流程如下：巡检主控单元发送检测单元启动命令，启动各个检测单元开始采集单片电压值；该检测单元的微控制器通过模拟通道多路选择开关（由多个光电隔离继电器组成）依次打开每个选通单元，确保任意时刻有且只有一片单电池在线；将该片电压模拟信号送入信号调理单元，经信号调理单元滤波放大后送入转换器，转换后得到的数字信号（即该片的电压值）送入微控制器。检测单元如此循环顺序选通，依次实现该组路电压信号采集和发送。
该测量方法安全性高，抗干扰能力强，精度可控，灵活性高，但是其成本较高，响应速度慢，继电器导通/ 关断时间（通常0.1-1ms）限制了采集速率，100节单体的轮询周期需≥100ms，难以实现高频动态监测；功耗较大，继电器驱动电流（如10-50mA）和隔离电源的功耗较高（如每路≥100mW），长期运行会增加系统能耗，不适合低功耗设备。
3）基于差分运放的巡检方法，是一种通过差分运算放大器直接采集单体电池电压的技术，核心优势在于抑制共模干扰并放大差模信号，尤其适用于高压堆体中微弱单体电压的高精度测量。
差分运放的核心功能是计算两个输入信号的差值并放大，其输出电压与输入的“差模信号”(两个输入端的电压差）成正比，而对“共模信号”(两个输入端的共同电压成分）具有极强的抑制能力，差分运放通过其共模抑制比（CMRR）抑制共模电压干扰，仅放大单体电压的差模信号，最终输出适合模数转换器采集的低压信号。
差模信号：目标监测的单体电池电压；
共模信号：由于单体电池串联形成高压堆体，每个单体的正、负极都叠加了较高的共模电压（如第n 节单体的共模电压可能达到前 n-1 节单体的总电压，最高可达数百伏)。
该测量方法实时性强，抗干扰能力强，精度可控，但是若共模电压超过运放耐受范围，需额外设计分压网络，可能引入误差；电阻温漂、运放失调电压等会直接影响测量结果，需严格筛选元件并进行校准。
