氢燃料电池控制策略分析.docx
《氢燃料电池控制策略分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氢燃料电池控制策略分析.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
氢燃料电池控制策略分析
30KW车用氢燃料电池控制策略错误！
未定义书签。
目录1
1控制策略的依据3
230KW车用氢燃料电池控制策略4
2.1P&ID5
2.2模块技术规范6
2.3用户接口错误！
未定义书签。
2.4系统量定义8
2.5电堆电芯（CELL）电压轮询检测策略10
2.5.1Cell巡检通道断线诊断处理错误！
未定义书签。
2.5.2Cell巡检通道断线诊断结果处理…错误！
未定义书签。
2.6Cell电压测算错误！
未定义书签。
2.7电堆健康度SOF评估错误！
未定义书签。
2.7.1特性曲线电阻段对健康度的评估方法错误！
未定义书签。
2.8ALARM和FAULT判定规贝卩10
2.9工作模式（CRM和CDR策略11
2.10电堆冷却液出口温度设定值策略11
2.11空气流量需求量计算11
2.12阳极氢气循环回路控制策略错误！
未定义书签。
2.13阴极空气传输回路控制策略15
2.14冷却液传输回路控制策略错误！
未定义书签。
2.15阳极吹扫（Purge）过程17
2.16防冻（Freeze）处理过程18
2.17泄漏检查（LeakCheck）机理18
2.17.1在CtrStat17下的LeakCheck19
2.17.2CtrState2下的泄漏检查19
2.18注水入泵（Prime）过程20
2.19状态及迁移20
2.19.1状态定义20
2.19.2状态迁移图21
2.19.3状态功能23
2.19.4迁移条件错误！
未定义书签。
2.20CAN!
讯协议。
错误！
未定义书签。
3未确定事项错误！
未定义书签。
1控制策略的依据
对于氢燃料电池，追求的指标有：
能量密度、额定功率、最大峰值功率（保持有限时间）、最小稳定功率（小于该功率，功率输出波动大，长时间小于最小稳定功率下工作（包括开路），对电极有损伤））、效率（以氢气低燃值计算，净输出功率），生命周期、启动时间（从空闲到额定功率）、停机时间、环境要求（工作温度、存贮温度、湿度、海拔（主要是大气压力和密度变化对电堆其它指标的影响））等。
这些指标，都反映在氢燃料电池的输出特性曲线（极化曲线）上。
对氢燃料电池的设计、实验上，就是使输出特性曲线反映的指标最好。
影响输出特性曲线的因素很多，对于质子交换膜氢燃料电池，主要反映在MEA的工艺上，继而派生出的因素有：
阳极氢气的输入口压力（本文档中，所有压力是指绝对压力）、阳极中氢气的湿度，阴极空气的压力和流速、阴极空气的湿度，阳极和阴极的的压差、膜的温度，因流场气流的影响，流场入口端的湿度低于流场出口端的湿度，出现干端和湿端，影响指标，为了平衡湿度，采取入口气体增湿工艺，阳极采用将出口处湿度高的氢气通过回流泵直接送回入口，增加阳极
气体入口处的湿度。
因此氢气回流泵的流速也算一个因素。
因质子交换膜氢燃料电池，在输出功率时会产生热量，为了达到稳定MEA勺温度，就需要将热量消散掉。
因此需要测试不同电流下的热量，用于设计热源到冷却介质间的热阻（工艺设计中计算或测试）及冷却流道的工艺参数。
因阳极在输出功率时，湿度会逐渐增大，会产生水以及氢气纯度会逐渐降低，到一定条件就需要将阳极的氢气置换（吹扫）一次。
对于电堆，通过实验和测试，绘制各个因素组合下的输出特性曲线。
根据这些测绘出的输出特性曲线，综合出各个指标。
根据指标，在输出特性曲线中，确定一个安全稳定工作区域。
根据输出特性曲线的安全稳定工作区域，再确定各个因素以输出电流为横轴的工作区域。
这些因数的工作区域，就是集成系统（模块）的技术规范（即电堆生产厂的《电堆集成手册》）。
根据《电堆集成手册》，设计电堆模块，根据电堆模块的工艺，形成《模块手册》。
根据《模块手册》设计辅助系统工艺。
最终形成
《系统工艺流程图》（P&ID）。
对于应用还需要《应用需求》。
以上资源是控制策略的依据。
2氢燃料电池控制策略
控制策略内容包括：
系统量定义，ALARM和FAULT判定规则，节电压巡检处理策略，电堆冷却液出口温度设定值策略，工作模式（CRM和CDR策略，阳极氢气循环回路控制策略，阴极空气传输回路控制策略，冷却液传输回路控制策略，阳极氢气吹扫（Purge）过程，防
冻（Freeze）处理过程，泄露检查（LeakChecQ过程、注水入泵（Prime）过程，冷启动过程，状态及迁移，CANS讯协议。
2.1P&ID
1、阳极氢气子系统控制涉及的项：
氢气进气阀控制开关（S_H2Inlet）、氢气进气阀后的压力
（P_H2Inlet）、氢气回流泵的运行控制开关（EN_H2RecirPump、氢气回流泵的转速（n_H2RecirPump）、氢气回流泵驱动器PWM
（PWM_H2RecirPum）p,氢气回流泵驱动器中的1个测量量
（V_H2RecirPump、氢气吹扫阀控制总开关（S_H2Purge、氢气前吹
扫阀控制开关（S_H2FrontPurge、、氢气后吹扫阀控制开关
（S_H2BackPurge、模块前后向水平倾斜角（B_FB、模块左右向水平倾斜角（B_LR。
2、阴极空气子系统控制涉及的项：
空压机驱动器PWM^WM—AirBlowe）、空压机的转速（n_AirBlower）、
空气流量（Q_Air）。
3、冷却子系统控制涉及的项：
冷却液出口温度（T_CoolantOutlet）、冷却液泵运行控制开关
（EN_CoolantPump、冷却液泵驱动器PW（PWM_CoolantPuMp散热器风扇运行控制开关（EN_RadiatorFan）、散热器风扇驱动器
（PWM_RadiatorFan。
4、电气子系统控制涉及的项：
电堆节数（N_Cell,120）、电堆单节最小电压（MinV_Cell）、最小电压的节号（No_MinV_Cell,0-119,0号在前端）、电堆单节最大电压（MaxV_Cell）、最大电压的节号（No_MaxV_Cell,0-119，0号在前端）、电堆单节平均电压（AvgV_Cell）、电堆计算的电压（V_Stack）、总线电压（V_Bus）、总线电流（l_Bus）、总线输出开关（EN_BuS。
5、控制接口涉及的项：
燃料电池模块使能开关（EN_F）运行开关（S_Run、CAN总线。
2.2模块技术规范
额定功率（Pn）:
31kW
工作电流（I、：
0-500A
额定电流（In）:
495A
起动时间（t_Startup）:
<20S
停止时间（t_Shutdown）:
<5S
氢气气源压力（P_H2Supply）:
653-928kPa
电堆工作压力（P_StackOp）:
<120kPa
氢气最大流量（MaxQJH）：
<500LPM
氢气温度（T_H2：
-10-46C
空气流量（Q_Air）:
<2500LPM
空气温度（T_Air）:
-10-46C
存贮温度（T_Storage）:
-40-65°C
最小湿件温度（MinT_WettedComp:
2C
最大燃料电池模块内部温度（MaxT_FCPM:
55C
相对湿度（RH：
<95%
海拔（AT）:
0-1600m
水平倾角（9）:
±30°
阳极收集水量（Vol_AnodeWater）:
<48mL/min
阴极收集水量（Vol_CathodeWater）:
<64mL/min
热功率（P_Heater）:
<52kW
冷却液出口温度（T_CoolantOutlet）:
50-70°C
冷却液流量（Q_Coolant）:
>75LPM
冷却液最大压力降（MaxDropP_Coolant）:
<35kPa最大冷却液入口压力（MaxP_Coolantlnlet）:
<170kPa
CAN总线:
CAN2.0A/BPassive（Standard11bit）BPS250kb/s
2.3系统量定义
2.4电堆电芯（CELL）电压轮询检测策略
2.5ALARM和FAULT判定规则（S3EDAE3）
字节
位
类型
持续时间
（mS）
有效状态域
CtrState
源
0
0
FAULT
500
5,6,7,8,9
CellLowVoltage
MinVCell<0.1V
0
0
FAULT
500
8,9
CellLowVoltage
MinVCell<0.5V
0
1
FAULT
1000
非1,2,10,11
CoolantHighTemp.
TCoolant>80°C
0
4
FAULT
100
非1,2,10
Heartbeat
在心跳时间内未接收到1C0或1C0+ID命令
0
6
FAULT
100
非1，10
InternalSys.E-stopE-STOP开关
1
0
FAULT
P100
17
H2SubsystemLeakCheckFault
1
0
FAULT
100
2
H2SubsystemLeakCheckFault
11
1
「FAULT
P100
13
FreezeFault
1
2
FAULT
5000
5,6,7
单机工作时冷却液水位开关为低液位
1J
2
「FAULT
r30000
3,4
单机启动时冷却液水位开关为低液位
1
4
FAULT
100
15
Purgefault
1:
5
「FAULT
r1000
非1,5,6,7,10
IBus>50A
1
6
FAULT
100
非1,10
氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN>150PSI
（1032.4KPa）
1
7
FAULT
1000
非
1,10,13,15,17
氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN<40PSI
（275.8KPa）
1
7
FAULT
3000
13
氢气进气阀打开2秒后，PH2IN<40PSI
1
7
FAULT
100
15
氢气进气阀打开2秒后，PH2IN<40PSI
4
1
PALARM
:
1000
非1,10,
QAir<=0||QAir>3000（LPM）
4
2
ALARM
1000
非10，
单机工作时，FC总线电流传感器输出电压
<0.25或>4.75
4
2
ALARM
1000
非1,10
多机工作时的主机（1号机），FC总线电流传感器输出电压<0.25或>4.75（A）
4
3
ALARM
1000
非1,10
冷却液出口温度<-50或>100（C）
41
4
[ALARM
r1000
5,6,7
WFC>33000（W
4
7
ALARM
15000
5,6,7,13
氢气回流泵运行时，转速<300（RPM
（10/2Hz）
5
0
ALARM
110000
非1,11,10
冷却液出口温度>75（C）
5
1
ALARM
10000
5,6,7
VStack<60（V）
5
2
ALARM
100
7
1
5
3
ALARM
15000
11,19
单机工作时，冷却液水位低
5
3
ALARM
500
5,6,7,11
多机工作时，冷却液水位低
5
3
ALARM
30000
3,4
多机工作时，冷却液水位低
5:
3
「ALARM
P15000
「19
多机工作时，冷却液水位低
5
4
ALARM
300000
5,6,7
IBus<15（A）
5
5
ALARM
P100
3
Cell巡检通断有新断路错误
5
6
ALARM
100
非10,
参数存贮表1,6全错
参数存贮表2,7全错
参数存贮表3,8全错
上次的参数存贮表2,7全错
2.6工作模式（CRM和CDR策略
工作模式分为CRM（CurrentRampMode）和CDR（CurrentDrawRequest）。
CRM模式，电流斜坡模式，是指负载电流以一定的斜率上升或下降。
CDF模式，电流请求模式，是指在CDA限制下，负载电流通过通讯或模拟信号提供给FC控制器CDR®。
2.7电堆冷却液出口温度设定值（TCSP）策略
2.8空气流量需求量（QAR）计算
空气流量需求QAR基本计算公式
QAR=120X0.01657Xa_AirX_Bus
注：
120为电堆的总Cell数，0.01657为单个Cell在l_Bus为1A时，1分钟需要消耗的理论空气体积量（升）。
a_Air是a」n的函数，该函数为多段线性插值
FLOAT32Interp_a_Air（FLOAT32a_ln）
表5aAir--a」n插值表
aAir
2.7
2.5
2.3
2.3
2.2
2.2
2.0
2.0
2.0
1.9
aln
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
a_Air_CRM=Interp_a_Air（l_Bus/In_Bus）a_Air_CDR=Interp_a_Air（CDR/In_Bus）
A、在状态CS5（CRM下的处理
1、过剩空气系数的处理
进入CS5状态头30秒：
a_Air=a_Air_CRM
30秒后，先缺省a_Air=a_Air_CRM在某个持续20秒的事件发
生后，a_Air=a_Air_CRM+0.8
2、CRMf作模式
I_Bus的200mS增量>8A或W8A持续时间未到10秒，贝卩
QAR=120X0.01657Xo_Air>（l_Bus+30）
I_Bus的200mS增量w8A持续时间达10秒后，贝卩
QAR=120X0.01657Xo_Airx（|_Bus+10）
3、CDRE作模式
I_Bus的200mS增量>10A，贝卩
QAR=120X0.01657Xo_Airx（|_BusX1.2）
I_Bus的200mS增量w10A,贝卩
QAR=120X0.01657Xo_Air>4_Bus
4、最小值处理
QAR吉果小于50,则结果值为50。
B、在状态CS6（CDR下的处理
a_Air=a_Air_CDR
1、l_Bus>CDR
QAR=120X0.01657Xo_Airx（|_BusX1.3）
2、I_Bus若CDR<（l_Bus+10）或CDR>（l_Bus+10）持续时间未到60秒,则
QAR=120X0.01657Xo_AirX（CDRX1.2）
若CDR>（I_Bus+10）持续时间到60秒后，则
QAR=120X0.01657Xo_Airx（|_BusX1.2）
3、最小值处理
QAR吉果小于50，则结果值为50。
C、在状态CS7下的处理
a_Air=a_Air_CRM
X（CDRX1.5）
x（|_BusX1.5）
1、从CS6迁入
QAR=120X0.01657Xo_Air
2、从CS5迁入
QAR=120X0.01657Xo_Air
2.9CDA计算
A、在状态CS5下的处理
a_Air=a_Air_CRM
在多机工作模式下：
CDA=30+Q_Air/（120X0.01657Xo_Air）
在单机工作模式下：
CDA=30+Q_Air/（120X0.01657x^Air）
B、在状态CS6下的处理
a_Air=a_Air_CDR
CDA=30+Q_Air/（120X0.01657Xo_Air）
D在状态CS7下的处理
1、从CS5或CS6迁入CS7时的l_Bus（I_Bus_56）<30ACDA=5A
2、从CS5或CS6迁入CS7时的l_Bus（l_Bus_56）>30A
CDA=I_Bus_56-（t*5/400）
2.10阳极氢气循环回路控制策略
2.11阳极氢气吹扫阀控制策略
在状态CS15随氢气进气阀相反动作
在状态3,第1、2阶段开1秒关0.5秒，第3阶段开1秒关1秒在状态5,开2秒，关时间先根据额定电流比插值基本时间，再根据氢气回流泵的参数作调整。
表6tPurgeOff--a」n插值表
t_PurgeOff
65535
65535
45000
30000
22500
a_In
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
t_PurgeOff
18000
15000
12875
11250
10000
a_In
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
t_PurgeOff-a」插值
aIn
在状态7下，开2秒关5秒在状态813下，常开。
其他状态下，常关。
2.12阴极空气传输回路控制策略
阴极空压机没有运行控制开关信号，只有PWM控制信号PWM_Ai。
在状态CS3Step2下：
lf（V_Bus>30.0V）PWM_Air=0
lf（V_Bus<二30.0V）PWM_Air=25
在CS3Step3CS8CS9下:
QARn=120*0.01657*1.9*495=1870（LPM）If（Q_AIR在CS4Step1下
PWM_Air=50
在CS4Step2下：
PWM_Air=55
在状态CS5CS6CS7下:
包括2部分，基本部分PWM0_Ai和调整部分PWM1_Ai，PWM_Ai的范围为10-100。
基本部分由氢气需求量插值求得。
FLOAT32Interp_PWM0_Air（FLOAT32QAR）
PWM0_Air=lnterp_PWM0_Air（QAR）
表6PWM0_Air--QAR插值表
PWM0_Air
5
16
31
44
56
65
69
70
71
QAR
0.0
64
190
315
430
520
640
750
845
PWM0_Air
72
75
76
79
83
88
94
100
QAR
940
1170
1290
1480
1660
1880
2100
2150
PWMO_Air--QAR甫值
调整部分PWM1_Ai计算过程：
Q_Air的调整为回差增量式控制回路（控制周期50mS,回差的下限为QAR回差上限为在QAF的基础上增加1个QAF的百分比例a_QARH卩QAR（1a_QAR/100）o
以C语言描述：
a_QAR=5oPWM1_Air=0.
PWM0_Air=lnterp_PWMO_Air（QAR）;
voidFunc_PWM1_Air（void）
{
lf（Q_Air>QAR（1+a_QAR/100））
{
If（PWM_Air>10）
PWM1_Air-=ABS（Q_Air-QAR）*0.01/100;
//0.01/100为减增量
}
If（Q_Air{
If（PWM_Air>10）
PWM1_Air+=ABS（Q_Air-QAR）*0.1/100;
//0.1/100为加增量
}
//PWM1_Air上下限调整
if（PWM1_Air>（100-0.0-PWM0_Air））
PWM1_Air=（100—0.0-PWM0_Air）;
lf（PWM1_Air<（10-0.0-PWM0_Air））
PWM1_Air=（10-0.0-PWM0_Air）;
}
PWM_Air=PWM0_Air+PWM1_Air+0.0;II0.0为PWM1_Ai的0位偏置
//PWM_Air做10,100的上下限调整If（PWM_Air>100）PWM_Air=100;If（PWM_Air<10）PWM_Air=10
在状态CS13下：
C语言表示
If（MinV_Cell>0.6V）
{
QARn=120*0.01657*1.9*495=1870（LPM）If（Q_AIRII50为采样周期（mS），10为每秒增加量
}
Else
{
If（V_Bus>30）PWM_Air=0;
If（V_Bus<=30）PWM_Air=25
}
在除上述状态外的状态下:
PWM_Air=0
2.13阳极吹扫（Purge）过程
阳极吹扫（置换）过程，是在状态CS15下进行。
在阳极吹扫过程中，冷却子系统和空气子系统都停止运行进行3次吹扫过程。
吹扫过程如下：
第1步：
吹扫阀关闭，进气阀打开，进行2秒，在此过程中，若
P_H2IN<40psig,则吹扫失败。
第2步：
进气阀关闭，吹扫阀打开，进行58秒。
在此过程中，若P_H2IN<10psig在58秒内，则过程结束；若超过58秒，则吹扫失败。
若MinV_Cel>0.3V,则运行回流泵。
2.14防冻（Freeze）处理过程
防冻处理在状态CS13下进行，为了在冻冰温度下停机，防止阴极和阳极出现冻冰。
处理过程总进行180秒（3分钟），
氢气进气阀、氢气吹扫阀常开。
冷却子系统关闭。
阴极空气子系统，空压机控制如下：
If（MinV_Cell>0.6V）
{
QARn二120*0.01657*1.9*495=1870（LPM）lf（Q_AIR}
Else
{
If（V_Bus>30）PWM_Air=0;
If（V_Bus<=30）PWM_Air=25}
若PWM_Ai为100时，Q_Air<600LPM持续时间到30秒，则产生防冻处理故障，则迁移到FAUL袱态（CS10,处理失败；
若收到CAN命令Standby,则迁移到CS2认为过程成功；过程时间到，则认为过程成功，迁移到CS14
2.15泄漏检查（LeakCheck）机理
泄漏露检查是指模
升级会员 