氢燃料电池控制策略doc文档格式.docx
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1
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。
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(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。
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。
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(MaxQ_H2):
≤500LPM氢气温度(T_H2):
-10–46℃
空气流量(Q_Air):
≤2500LPM
空气温度(T_Air):
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
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
持续
有效状态域
位类型
时间
节
CtrState
(mS)
FAUL
5,6,7,8,9
500
T
00
8,9
01
1000
非
1,2,10,11
04FAUL100非1,2,10
源
CellLow
Voltage
MinV_Cell<
.1V
0.5V
CoolantHigh
Temp.
T_Coolant>
8
0℃
Heartbeat
在心跳时间内未接收到1C0或1C0+ID命令
Internal
6
100
非1,10
Sys.E-stop
E-STOP开关
H2Subsystem
17
LeakCheck
Fault
2
13
FreezeFault
单机工作时
FAUL5000
5,6,7
冷却液水位
开关为低液
位
单机启动时
30000
3,4
4
15
Purgefault
5
I_Bus>
50A
1,5,6,7,10
氢气进气阀
非1,10
打开2秒后,
P_H2IN>
150P
SI
(1032.4KPa
)
7
1,10,13,15,
P_H2IN<
40PSI
(275.8KPa)
3000
P_H2IN<
ALAR1000
Q_Air<
=0||
非1,10,
Q_Air>
M
(LPM)
单机工作时,
ALAR
FC总线电流
非10,
传感器输出
电压<
0.25
或>
4.75
多机工作时
的主机(1号
机),FC总线
电流传感器
输出电压
<
或>
4.75(A)
冷却液出口
3
温度<
-50
100(℃)
W_FC>
33000
(W)
氢气回流泵
ALAR15000
5,6,7,13
运行时,转速
300(RPM)
(10/2Hz)
ALAR10000
非1,11,10
温度>
75
(℃)
10000
V_Stack<
60
(V)
11,19
低
5,6,7,11
多机工作时,
ALAR30000
15000
19
I_Bus<
15(A)
Cell巡检通
断有新断路
错误
参数存贮表
1,6全错
2,7全错
非10,
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(CurrentDraw
Request)。
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。
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=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
2.72.52.32.32.22.22.02.02.01.9
_In
0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9
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×
(I_Bus+30)
I_Bus的200mS增量≤8A持续时间达10秒后,则QAR=120×
(I_Bus+10)
3、CDR工作模式
10A,则
(I_Bus×
1.2)
I_Bus的200mS增量≤10A,则
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_CDR1、I_Bus>
CDR
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
若CDR>
(I_Bus+10)持续时间到60秒后,则
3、最小值处理
C、在状态CS7下的处理
α_Air=α_Air_CRM
1、从CS6迁入
(CDR×
1.5)
2、从CS5迁入
2.9CDA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:
B、在状态CS6下的处理
α_Air=α_Air_CDR
D、在状态CS7下的处理
1、从CS5或CS6迁入CS7时的I_Bus(I_Bus_56)≤30ACDA=5A
2、从CS5或CS6迁入CS7时的I_Bus(I_Bus_56)>
30ACDA=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6t_PurgeOff--α_In插值表
t_PurgeOff6553565535450003000022500
α_In0.00.10.20.30.4t_PurgeOff1800015000128751125010000
α_In0.50.60.70.80.9
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。
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_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<
QARn)PWM+=0.001*50*10=0.5;
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
16
31
44
56
65
69
70
71
0.
43
52
64
84
QAR
72
76
79
83
88
94
10
9411121416182121
070908060800050
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