控制策略是提升燃料电池系统和关键部件效率的重要途径。5月27日，香橙会氢能沙龙第5期邀请上海氢恒、风氢扬、氢蓝时代三家代表企业就燃料电池系统控制器XCU、空压机控制器ACU等的最新技术进步和趋势进行分享和讨论，以下是其中两家企业的演讲内容节选。
1上海氢恒总经理肖洋：控制器多合一集成可以降低成本
氢燃料电池控制系统一般有燃料电池发动机控制器、氢气循环泵控制器、高速空压机控制器、水泵控制器和燃料电池DC／DC控制器等五个产品。
基于对产品的开发经验，电控系统的技术难点主要有以下五个方面。
首先是大功率，以氢燃料电池DC／DC为例，峰值功率需求已经达到180kW，未来的需求甚至达到300kW，而相对成熟的乘用车DC／DC功率要求要小很多。
第二个是低成本，预测2025年氢燃料电池系统成本会降低一半，从控制器角度分析，一方面由于氢燃料电池电控产品还没有大规模的应用，关键零部件的价格也居高不下，另外一方面就是电控产品比较分散，器件和线束的冗余增加了系统成本。
第三个是高可靠性，燃料电池商务车工作环境恶劣、维修成本高，对电控产品的可靠性有很高的要求，验证环节需要做长时间的耐久（高原、高寒、高温等）测试。
第四个是功能安全，氢燃料电池电控产品所要求的功能安全目标要达到ASILB及以上等级，以氢燃料电池发动机控制器（FCU）为例，电堆的温度高可以提高效率，但是过高的温度也会损害系统，95度以上的温度以及过大的压差会损害质子交换膜。
第五个是长寿命，燃料电池系统预期的寿命要超过2万小时，全寿命运行期间参数会发生比较大的变化，并且在不同的使用环境下，时变的方向也存在明显的差异，控制系统需要对燃料电池单元内部的状态进行有效的识别和计算。
为了应对以上挑战，氢恒给出了相应的解决方案。首先是成本，控制器通过多合一集成可以降低成本，通过多合一的集成减少主控芯片、外围电路、控制器之间的线速以及软件部分的开发和维护成本。氢恒正在开发一款多合一的集成控制器，将氢燃料电池系统中的五个控制器进行一体化设计，共用一颗主控芯片。这样的集成会涉及到一些关键技术，比如高压连接器的设计、一体化的立体水道设计、碳化硅功能模块并联等。
氢恒主要是通过严格的开发流程和测试验证来保证产品的可靠性。以FCU为例，软件开发符合AUTOSAR规范，提高软件质量的同时也方便客户在功能层面进行模块化的设计，另外一方面和系统集成商进行联合开发是公司的一个特点，产品可以跟随系统集成商完成耐久测试或者三高测试。
功能安全是从整个集团的角度，有多款电控产品的功能安全量产经验，也为客户提供了很多的功能安全咨询服务。氢恒依托集团这方面的能力，已在燃料电池集成控制器开展了功能安全相关设计，积累了基于三层架构功能安全设计的经验。
最后一个是长寿命，未来FCU系统会有智能诊断的需求，一方面需要采集更多高精度信号，另一方面会有更复杂的故障分析算法。需要提供一个基础的控制器平台，不仅要具备并行计算能力，还要具备OTA以及云端服务链接的能力，也就是经常谈到的智能化和云端协同的概念。
2风氢扬董事长刘军瑞：系统效率优化需要理论基础和工程经验的结合
燃料电池系统效率提升主要从电堆效率、BOP效率、系统效率、系统效率优化改善四个维度进行分析。
电堆效率：电堆损失主要为活化极化、欧姆极化、浓差极化、渗透损失。燃料电池始终存在不可逆因素导致的损失，减少各级损失是提升燃料电池运行效率的关键，这个跟电堆自身设计和结构有非常大的关系。
电堆的最高效率虽然说影响因素众多，其实有一个简单的公式来判断电堆的效率，就是电堆工作电压比电堆低热值电压乘以氢气利用率。现在电堆最高工作电压一般情况不会超过0．85V，否则对电堆寿命或者耐久性都会产生比较大的影响，电堆低热值电压的话是1．254V，氢气利用率基本可以实现98％以上，因此得出电堆的最高效率大概在66．8％．
电堆最低效率同一个公式也很容易理解，一般情况下电堆的最低额定工作电压是0．6V，最低效率实际上是47％左右，电堆的最高效率和最低效率范围确定了，电堆的效率减去BOP损耗的功率剩下就是系统输出功率。
BOP效率也存在一个最佳的工作区，BOP效率是电堆的输出功率减去空压机的能耗、散热器的能耗、循环泵能耗、水泵能耗、控制器附件等能耗比上电堆输出功率，其实是最终系统的输出效率。不管是空压机、水泵、风扇等任何一个零部件，都有一个效率最优的区间，如果要想实现整个系统效率的提升，必须是每一个零部件尽量让他们处于高效区，这样才能总体上提高燃料电池系统的效率。
系统效率也做了简单的计算方式，随着工作电流的增加燃料电池系统的效率是逐渐下降的，因此平衡使用成本和原材料成本也是未来燃料电池系统设计需要面临的一个问题。
在这个过程中，通过增加工作电压或者输出功率，可以一定条件下改善系统效率，但总体上来说，系统的效率和电机的效率都是逐步下降的。以110kW系统为例，从两个极端开始进行对比分析，整个系统最高效率在60％以上，最低可以实现在40％以上。尽可能的降低附件的损耗是提高系统效率的关键举措。
系统效率的优化改善需要从能量流进行分析识别，基于系统能量流的分布，进行一个大致的生产能量流的梳理。燃料电池系统有效功大概在40％－60％。在这个过程当中，附件的能耗大概是在5％－20％之间、DCDC的损耗2％－4％、还有冷却液等其他损耗，效率主要是电负荷的效率，但实际上这一块产生的热量，绝大部分要通过散热器的方式进行带走，还包括尾气，在八九十度工作温度的时候，尾气也会带走一定的热量。
系统效率优化改善，“从根源出发”优化系统设计，风氢扬通过低流阻系统设计、BOP选型及工作状态优化、操作条件﹣FC功率目标多参数设计优化，系统最高效率达61％，额定点效率44％以上。
系统效率优化改善，“适应终端”基于实际工况的能量流优化，基于应用场景，从余热利用、系统运行舒适区、动力系统耦合工作策略、辅助系统集成设计等四方面综合提升系统应用端效率。
其中余热利用是在燃料电池车端应用的过程当中，向驾驶室还有乘客舱，尤其是冬天的余热利用能够实现整个燃料电池系统的综合能效；整车的动力电池和燃料电池的电电混合策略，在动力电池、燃料电池和整车功率需求之间实现最优控制策略的匹配；燃料电池散热系统和附件的散热系统，比如说DC／DC和空压机是完全两套散热系统，因此在辅助散热系统集成这一块也要进行必要的优化。
最终总结一句话，就是燃料电池系统优化改善，要牢记燃料电池的第一定律：燃料电池任何一个运行参数的变化，都会带来两个以上参数相反方向的变化，因此还需要同时改变另外一个参数或多个参数来“平衡”这种变化。比如电堆工作温度提高的前提下，需要同步提高压力或者降低的方法来改善湿度，抵消温度提升带来的不利影响。
综上来说，使燃料电池处在最佳工作区，才能使它的活性提高、质子传递速度加快、反应电流上升，综合效率寿命也会达到最佳的状态。燃料电池是一个多参数输入多参数输出的复杂的功能耦合系统，需要大量的理论基础和大量的工程经验的结合才能够使燃料电池系统效率处于综合最优的状态。
