氢燃料电池电堆系统控制方案总结.docx

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氢燃料电池电堆系统控制方案总结

表1模块附件表：

符号

名称

描述

PT-D2

电堆冷却入口压力

用于压力过高报警，不用于控制

TT-D2

电堆冷却入口温度

用于指示和报警，不用于控制

TT-D6

电堆冷却出口温度

用于指示和报警，不用于控制

MFT-A1

空气质量流量计

用于空气流量控制

PT-A1

空压机入口压力

相对压力为负值，用于空滤堵塞报警

BP-A1

空压机

TT-A2

空压机出口与热交换器之间节点温度

HEX-A2

冷却液与压缩空气热交换器

TT-A3

压缩空气热交换器空气出口和增湿器之间节点温度

TT-A4

电堆空气入口温度

PT-A4

电堆空气入口压力

TT-A5

电堆空气出口温度

PT-A5

电堆空气出口压力

用于电堆空气出口背压控制

TT-A6

空气增湿器湿通道出口温度

EPV-A6

空气电磁比例阀

用于电堆空气出口背压控制

PT-H2

氢气进气口压力

EV-H2

氢气进气阀

控制阀

PT-H3

氢气比例阀入口压力

用于氢气入口压力和流量控制

EPV-H4

氢气电磁比例阀

用于氢气入口压力和流量控制

PT-H4

氢气电堆入口压力

PT-H5

氢气电堆出口压力

BP-H5

氢气回流泵

EV-H5

氢气排放阀1

EV-H6

氢气排放阀2

SRV-H5

安全泄放阀

用于阳极对阴极的压力保护

SCAN-V

电堆节电压巡检单元

CT-HV3

电堆输出电流

VT-HV3

电堆输出电压

GF

电堆高压总线绝缘电阻测试

FCMC

模块控制器

K-HV4

电堆总线预充电开关

直流接触器

D-HV4

电堆总线预充电二极管

防止反向给电池充电

K-HV1

电堆总线输出正极总开关

直流接触器

K-HV2

电堆总线输出负极总开关

直流接触器

VT-HV4

模块输出电压

用于预充电控制

HRB-DRV

氢循环泵调速器

在氢气循环泵总成中，只是标明电源

BLW-DRV

空压机调速器

在空压机总成中，只是标明电源

PS-HV6

外用电设备预充电电源

表2车载系统附件表：

符号

名称

描述

H2TK

高压氢气瓶组

氢气气源

HV-H11

氢气源入口手动截止阀

HV-N11

氮气源入口手动截止阀

用于防冻处理过程

PT-H12

氢气回路气源压力

EV-H12

氢气回路气源隔离阀

SRV-H12

氢气回路气源安全阀

MIX-A12

空气排气口混合器

FLT-A11

空气进气口过滤器

WEXPT

冷却补水膨胀水箱

FLT-D16

电堆冷却液进口过滤器

过滤微粒

FLT-D11

电堆冷却液出口过滤器

过滤微粒

WP-D12

冷却液循环泵

HET-D14

冷却液加热器

用于冷启动加热

EMV-D13

冷却液回路电动三通阀

RAD-D15

冷却液散热水箱

根据实际位置，可能有多个

FLT-DI17

去离子过滤器

PT-D16

电堆模块冷却回路入口压力

TT-D11

电堆模块冷却回路出口温度

TT-D12

冷却回路循环泵出口温度

TT-D15

冷却回路散热器出口温度

TT-D16

电堆模块冷却回路入口温度

DC/DC

燃料电池与动力电池间的直流变换器

根据整车动力电池规格确定参数

FCSC

燃料电池系统控制器

H2TKC

氢气瓶组控制器

WP-DRV

冷却液循环水泵调速器

在循环水泵总成中，只标明电源

FAN-DRV

冷却散热水箱风扇调速器

在风扇总成中，只标明电源

AT-101

AT-102

AT-103

AT-104

AT-105

AT-106

6个氢气浓度传感变送器

用于系统空间中可能氢气漏气处的氢气泄漏报警

2.1模块

●冷却液与压缩空气热交换器

因冷却液的温度适应电堆要求，该热交换器的作用，一是压缩空气温度过高时降温（起中冷器作用），二是压缩空气温度较低时加热。

考虑到要适应低温环境，最好采用。

●氢气入口压力调整器

电堆的氢气入口压力调整，由PT-H3、EPV-H4、PT-H4组成，通过程序采集压力和控制比例阀来实现。

为了控制准确和简单管路，将PT-H2、EV-H2、PT-H3、EPV-H4、PT-H4做到一个阀组（manifold）上。

●阳极压力保护

为防止氢气入口压力调整器失效，而使阳极产生高压毁坏电堆。

采用安全阀SRV-H5保护。

●外增湿器

外增湿器采用膜增湿器，用电堆的出口湿空气来增湿电堆得入口干空气。

具体是否采用，要看电堆的需求。

●氢气循环

氢气循环，一是使阳极的氢气的湿度均匀，二是加热入口的氢气。

●氢气吹扫（排放）阀

氢气吹扫阀，是用1个还是在电堆氢气出口的2端各用1个。

要看电堆的阳极结构，因氢气回流后，多少会有一些液态水，若不能及时吹扫掉，会影响水平较低段的节电池性能，也不利于防冻处理。

●电堆空气出口压力

电堆出口压力，采用电磁比例阀EPV-A6和电堆出口压力表PT-A5形成回路来控制。

为防止憋压，比例阀为常开阀。

●电堆高压输出正负极对结构接地（搭铁）绝缘电阻检测

电堆高压输出正负极对结构接地的绝缘电阻小时，会危害电堆的安全。

在模块中需要加入检测单元。

绝缘电阻的要求，单节电池为1200欧，150节为180千欧。

●电机调速器的电源

因空压机的功率一般大于1kW，采用电堆的高压电源，在启动或停止的过程中需要外电源供电。

启动和停止时由预充电电源PS-HV6供电。

氢气循环泵，因功率一般小于500W，且只在电堆工作时运行，采用外部24VDC单独供电。

●节电池电压巡检单元

节电池电压巡检单元，与电堆的结构做到一起，自带MPU，与模块控制器采用通讯联系（CAN和RS485）。

这样会使检测电缆最短，提高可靠性和美观。

●模块控制器

控制器的MCU选用飞思卡尔的MC9S12CE，硬件和壳体，若能采购满足要求的现成控制器，则采购；实验调试完成后，沿用采购的或公司自主研发。

控制策略和软件编程，公司自主研发。

2.2车载系统

●高压氢气瓶组

高压氢气瓶组，根据整车要求设置个数，每个氢气瓶都装有瓶口阀组合块。

瓶口阀组合块包括温度传感器、压力传感器、截止阀。

因数量比较多，一般专做1个氢气瓶组控制器，用于现场采集温度压力信号和截止阀的控制。

氢气瓶组控制器与燃料电池系统控制器通过CAN总线通讯。

因高压氢气瓶组，属于特种行业，需要有资质的单位设计施工。

●氢气气源的选择

电堆模块的氢气气源，设置2个手动截止阀，一个接入氢气气源，一个接入氮气气源。

氮气气源不在现场布置，只是在温度低，需要长期停机或存贮时，将阳极的氢气置换成氮气。

●氢气浓度传感变送器

氢气浓度传感变送器，用于检测空间氢气浓度，用于氢气泄漏报警，设置6个。

布置在氢气可能泄漏的上方。

●氢气气源安全阀

用于泄放气源地高压，出口接到空气排放口。

●氢气气源隔离阀

一是作为氢气气源地总开关，在出现氢气泄漏报警时，关闭该阀，用于截断氢气气源。

●空气排放口混合器

该混合器，以空气回路为主通道，电堆氢气排放口混合接入此处，用流动的空气来稀释排放的氢气，该处安装一个氢气浓度传感器。

报警时，关断氢气气源隔离阀。

●空气进口过滤器

空气进口过滤器，需要双层过滤，外层为物理过滤，主要过滤微粒；内层为化学过滤器，主要过滤危害阴极触媒的化学成分。

并且压损要小于3kpag。

●冷却回路

冷却回路采用散热水箱和补水膨胀水箱的结构。

采用电动三通比例阀构成2个分支回路：

冷启动加热和电堆小功率回路（内回路），电堆大功率散热器回路（外回路）。

水温控制执行元件有：

EMV-D13、FAN-DRV、WP-DRV、HEX-D14。

组合控制达到各种工况的温度要求。

FLT-D11、FLT-D16为网状物理过滤器，主要过滤颗粒物。

FLT-DI17去离子过滤器，安装在微循环分支上，用于去除冷却液中的离子。

●电机调速器电源

冷却液循环水泵和散热器风扇电机调速器电源全部用外接的24VDC蓄电池电源。

●燃料电池系统控制器

控制器的MCU选用飞思卡尔的MC9S12CE，硬件和壳体，若能采购满足要求的现成控制器，则采购；实验调试完成后，沿用采购的或公司自主研发。

控制策略和软件编程，公司自主研发。

●DC/DC

将DC/DC归入燃料电池系统，是因为电堆的工况跟DC/DC密切相关。

1.节点参数

节点参数是根据系统工艺正常工作和控制策略要求而提出。

3.1电堆参数

●单节电池电特性参数（用于健康度、生命期评估）

额定电流：

ADC

终止电压：

VDC

表2电压VS电流

额定电流比

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

最小电压

（mV）

最大电压

（mV）

●冷却流道参数

冷却液为去离子水或防冻液（50%V/V乙二醇）。

最大入口压力：

kPa（绝压）

最大出口温度：

最大出入口温差：

表3压损VS流量（去离子水）:

流量

（LPM）

入口压力

（kpag）

出口压力

（kpag）

表4压损VS流量（防冻液）:

流量

（LPM）

入口压力

（kpag）

出口压力

（kpag）

表5温度VS电流

电流

CT-HV3

（A）

入口温度

TT-D2

（℃）

出口温度

TT-D3

（℃）

发热功率

（W）

●阳极（氢气）及阴极参数

工作温度范围：

℃

最大阳极和阴极连通后入口压力：

kPa

最大阳极对阴极压力：

kPa

表6最小阳极对阴极压力VS电流

电流

CT-HV3

（A）

最小压力

（kPa）

●其它各项

表7各项VS电流

电流

CT-HV3

（A）

电流密度

（mA/cm2）

氢气

计量比

入口压力

出口压力

供气流量

相对湿度

露点

回流流量

空气

计量比

入口压力

流量

入口温度

入口相对湿度

入口露点

出口压力

3.2氢气通道

气源压力范围：

7.6-9.6barg

3.3空气通道

入口最低压力：

-3.0kpag

出口最大压力：

3.0kpag

3.4加湿器

最大总压损：

10.0kpa

3.5热交换器

需根据压缩空气的最大流量、最高温度、最低温度来确定。

水道阻力：

最大气道压损：

5.0kpag