氢燃料电池控制策略.docx
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氢燃料电池控制策略
1
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。
第三级为第二级的过程状态，用于描绘第二级状态的不同阶段（Step）。
表4状态定义表
SysState
CtrState
Step
值
定义
值
定义
值
定义
0
PowerOn
0
PowerOn
1
Sta
升级会员 