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氢燃料电池控制策略学习资料

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（