氢燃料电池控制策略.docx
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氢燃料电池控制策略
氢燃料电池控制策略
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2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的温度,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。
3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(LeakCheck)过程、注水入泵(Prime)过程,冷启动过程,状态及迁移,CAN通讯协议。
3.1P&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_H2RecirPump),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(θ_FB)、模块左右向水平倾斜角(θ_LR)。
2、阴极空气子系统控制涉及的项:
空压机驱动器PWM(PWM_AirBlower)、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PWM(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(I_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_FC)、运行开关(S_Run)、CAN总线。
3.2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(MaxQ_H2):
≤500LPM
氢气温度(T_H2):
-10–46℃
空气流量(Q_Air):
≤2500LPM
空气温度(T_Air):
-10–46℃
存贮温度(T_Storage):
-40–65℃
最小湿件温度(MinT_WettedComp):
2℃
最大燃料电池模块内部温度(MaxT_FCPM):
55℃
相对湿度(RH):
≤95%
海拔(AT):
0–1600m
水平倾角(θ):
±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℃
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_CoolantInlet):
≤170kPa
CAN总线:
CAN2.0A/BPassive(Standard11bit)BPS250kb/s
3.3系统量定义
3.4电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略
3.5ALARM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
MinV_Cell<0.1V
0
0
FAULT
500
8,9
CellLowVoltage
MinV_Cell<0.5V
0
1
FAULT
1000
非1,2,10,11
CoolantHighTemp.
T_Coolant>80℃
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-stop
E-STOP开关
1
0
FAULT
100
17
H2SubsystemLeakCheckFault
1
0
FAULT
100
2
H2SubsystemLeakCheckFault
1
1
FAULT
100
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
1
2
FAULT
30000
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
1000
非1,5,6,7,10
I_Bus>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,P_H2IN<40PSI
1
7
FAULT
100
15
氢气进气阀打开2秒后,P_H2IN<40PSI
4
1
ALARM
1000
非1,10,
Q_Air<=0||Q_Air>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(℃)
4
4
ALARM
1000
5,6,7
W_FC>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
10000
非1,11,10
冷却液出口温度>75(℃)
5
1
ALARM
10000
5,6,7
V_Stack<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
15000
19
多机工作时,冷却液水位低
5
4
ALARM
300000
5,6,7
I_Bus<15(A)
5
5
ALARM
100
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
3.6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。
CDR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值。
3.7电堆冷却液出口温度设定值(TCSP)策略
3.8空气流量需求量(QAR)计算
空气流量需求QAR基本计算公式
QAR=120×0.01657×α_Air×I_Bus
注:
120为电堆的总Cell数,0.01657为单个Cell在I_Bus为1A时,1分钟需要消耗的理论空气体积量(升)。
α_Air是α_In的函数,该函数为多段线性插值
FLOAT32Interp_α_Air(FLOAT32α_In)
表5α_Air--α_In插值表
α_Air
2.7
2.5
2.3
2.3
2.2
2.2
2.0
2.0
2.0
1.9
α_In
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
α_Air_CRM=Interp_α_Air(I_Bus/In_Bus)
α_Air_CDR=Interp_α_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:
α_Air=α_Air_CRM
30秒后,先缺省α_Air=α_Air_CRM,在某个持续20秒的事件发生后,α_Air=α_Air_CRM+0.8
2、CRM工作模式
I_Bus的200mS增量>8A或≤8A持续时间未到10秒,则
QAR=120×0.01657×α_Air×(I_Bus+30)
I_Bus的200mS增量≤8A持续时间达10秒后,则
QAR=120×0.01657×α_Air×(I_Bus+10)
3、CDR工作模式
I_Bus的200mS增量>10A,则
QAR=120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.2)
I_Bus的200mS增量≤10A,则
QAR=120×0.01657×α_Air×I_Bus
4、最小值处理
QAR结果小于50,则结果值为50。
B、在状态CS6(CDR)下的处理
α_Air=α_Air_CDR
1、I_Bus>CDR
QAR=120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.3)
2、I_Bus≤CDR
若CDR≤(I_Bus+10)或CDR>(I_Bus+10)持续时间未到60秒,则
QAR=120×0.01657×α_Air×(CDR×1.2)
若CDR>(I_Bus+10)持续时间到60秒后,则
QAR=120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.2)
3、最小值处理
QAR结果小于50,则结果值为50。
C、在状态CS7下的处理
α_Air=α_Air_CRM
1、从CS6迁入
QAR=120×0.01657×α_Air×(CDR×1.5)
2、从CS5迁入
QAR=120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.5)
3.9CDA计算
A、在状态CS5下的处理
α_Air=α_Air_CRM
在多机工作模式下:
CDA=30+Q_Air/(120×0.01657×α_Air)
在单机工作模式下:
CDA=30+Q_Air/(120×0.01657×α_Air)
B、在状态CS6下的处理
α_Air=α_Air_CDR
CDA=30+Q_Air/(120×0.01657×α_Air)
D、在状态CS7下的处理
1、从CS5或CS6迁入CS7时的I_Bus(I_Bus_56)≤30A
CDA=5A
2、从CS5或CS6迁入CS7时的I_Bus(I_Bus_56)>30A
CDA=I_Bus_56–(t*5/400)
3.10阳极氢气循环回路控制策略
3.11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6t_PurgeOff--α_In插值表
t_PurgeOff
65535
65535
45000
30000
22500
α_In
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
t_PurgeOff
18000
15000
12875
11250
10000
α_In
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
在状态7下,开2秒关5秒
在状态8、13下,常开。
其他状态下,常关。
3.12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_Air。
在状态CS3Step2下:
If(V_Bus>30.0V)PWM_Air=0
If(V_Bus<=30.0V)PWM_Air=25
在CS3Step3、CS8、CS9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CS5、CS6、CS7下:
包括2部分,基本部分PWM0_Air和调整部分PWM1_Air,PWM_Air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=Interp_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
调整部分PWM1_Air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QAR的基础上增加1个QAR的百分比例α_QAR即QAR(1+α_QAR/100)。
以C语言描述:
α_QAR=5。
PWM1_Air=0.
PWM0_Air=Interp_PWM0_Air(QAR);
voidFunc_PWM1_Air(void)
{
If(Q_Air>QAR(1+α_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);
If(PWM1_Air<(10–0.0-PWM0_Air))
PWM1_Air=(10–0.0-PWM0_Air);
}
PWM_Air=PWM0_Air+PWM1_Air+0.0;
//0.0为PWM1_Air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_AIR//50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
3.13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。
3.14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=120*0.01657*1.9*495=1870(LPM)
If(Q_AIR}
Else
{
If(V_Bus>30)PWM_Air=0;
If(V_Bus<=30)PWM_Air=25
}
若PWM_Air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FAULT状态(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。
3.15泄漏检查(LeakCheck)机理
泄漏露检查是指模块中氢气子系统的进气阀、质子膜、吹扫阀的泄漏检查。
泄漏检查在控制状态2和控制状态17进行。
3.15.1在CtrStat17下的LeakCheck
在此状态下做氢气子系统泄漏检查时,冷却子系统和空气子系统不工作。
使用600秒跑表,总定时到时未结束泄漏检查,则定为失败,置位LeakCheckFault标志Fault_LeakCheck。
按下面步骤进行:
第1步:
0-5秒
将H2进气阀打开5秒;
第2步:
5-180秒
在此阶段,关H2进气阀,若H2进口压力P_H2IN<5psig,则定为失败,置位LeakCheckFault标志Fault_LeakCheck。
第3步:
180-185秒
将H2进气阀打开5秒。
第4步:
>185秒
在此阶段开始,关闭H2进气阀。
若V_Stack<10V或者时间>470秒,则进入第5步。
若V_Stack>10V、时间<470秒且P_H2IN<5psig,则进行5秒补气并采样P_H2IN。
第5步:
该阶段,单独计时,5秒内补气并采样P_H2IN,120秒后,用当前P_H2IN减去5秒内的采样值,若差值>36psig,则泄漏检测失败;若<=36psig,则泄漏检查成功。
3.15.2CtrState2下的泄漏检查
若控制状态2是从控制状态5、6、7、8迁入,则进行泄漏检查。
其方法与CtrState17差不多,只是将第1、2阶段合为1个阶段了,省掉第1步的进气。
因控制状态5,6,7,8中,H2进气阀一直开着
3.16注水入泵(Prime)过程
在注水入泵过程中,只开冷却液泵。
3.17状态及迁移
3.17.1状态定义
状态的划分和定义,根据在系统中的作用不同分为3级。
第一级为系统状态(SysState,简称SS),从总体功能上向用户(Customer)描述系统的简略工作状态。
第二级为控制状态(CtrState,简称CS),即该系统的实际状态,用于系统功能的详细定义和工作状态。