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氢燃料电池控制策略doc

氢燃料电池控制策略

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30KW车用氢燃料电池控制策略错误!

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目录3

1控制策略的依据5

230KW车用氢燃料电池控制策略6

2.1P&ID7

2.2模块技术规范8

2.3用户接口错误!

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2.4系统量定义10

2.5电堆电芯（CELL）电压轮询检测策略12

2.5.1Cell巡检通道断线诊断处理错误!

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2.5.2Cell巡检通道断线诊断结果处理错误!

未定义书签。

2.6Cell电压测算错误!

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2.7电堆健康度SOH评估错误!

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2.7.1特性曲线电阻段对健康度的评估方法..错误!

未定义书签。

2.8ALARM和FAULT判定规则12

2.9工作模式（CRM和CDR）策略16

2.10电堆冷却液出口温度设定值策略17

2.11空气流量需求量计算17

2.12阳极氢气循环回路控制策略错误!

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2.13阴极空气传输回路控制策略21

2.14冷却液传输回路控制策略错误!

未定义书签。

2.15阳极吹扫（Purge）过程23

2.16防冻（Freeze）处理过程24

2.17泄漏检查（LeakCheck）机理25

2.17.1在CtrStat17下的LeakCheck25

2.17.2CtrState2下的泄漏检查26

2.18注水入泵（Prime）过程26

2.19状态及迁移26

2.19.1状态定义26

2.19.2状态迁移图28

2.19.3状态功能29

2.19.4迁移条件错误!

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2.20CAN通讯协议。

错误!

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3未确定事项错误!

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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。

2.1P&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。

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）：

-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

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）

0

0

FAUL

5,6,7,8,9

500

T

00

FAUL

500

8,9

T

01

FAUL

1000

非

T

1,2,10,11

04FAUL100非1,2,10

T

源

CellLow

Voltage

MinV_Cell<0

.1V

CellLow

Voltage

MinV_Cell<

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

FAUL

Internal

0

6

100

非1，10

Sys.E-stop

T

E-STOP开关

FAUL

H2Subsystem

1

0

100

17

LeakCheck

T

Fault

FAUL

H2Subsystem

1

0

100

2

LeakCheck

T

Fault

1

1

FAUL

100

13

FreezeFault

T

单机工作时

1

2

FAUL5000

5,6,7

冷却液水位

T

开关为低液

位

单机启动时

1

2

FAUL

30000

3,4

冷却液水位

T

开关为低液

位

1

4

FAUL

100

15

Purgefault

T

1

5

FAUL

1000

非

I_Bus>50A

T

1,5,6,7,10

FAUL

氢气进气阀

1

6

100

非1,10

打开2秒后，

T

P_H2IN>150P

SI

（1032.4KPa

）

氢气进气阀

FAUL

非

打开2秒后，

1

7

1000

1,10,13,15,

P_H2IN<

T

17

40PSI

（275.8KPa）

氢气进气阀

1

7

FAUL

3000

13

打开2秒后，

T

P_H2IN<

40PSI

氢气进气阀

1

7

FAUL

100

15

打开2秒后，

T

P_H2IN<

40PSI

ALAR1000

Q_Air<=0||

4

1

非1,10,

Q_Air>3000

M

（LPM）

单机工作时，

ALAR

FC总线电流

4

2

1000

非10，

传感器输出

M

电压<0.25

或>4.75

4

2

ALAR

1000

非1,10

多机工作时

M

的主机（1号

机），FC总线

电流传感器

输出电压

<0.25

或>4.75（A）

ALAR

冷却液出口

4

3

1000

非1,10

温度<-50

M

或>100（℃）

4

4

ALAR

1000

5,6,7

W_FC>33000

M

（W）

氢气回流泵

4

7

ALAR15000

5,6,7,13

运行时，转速

M

<300（RPM）

（10/2Hz）

ALAR10000

冷却液出口

5

0

非1,11,10

温度>75

M

（℃）

5

1

ALAR

10000

5,6,7

V_Stack<60

M

（V）

5

2

ALAR

100

7

1

M

ALAR15000

单机工作时，

5

3

11,19

冷却液水位

M

低

5

3

ALAR

500

5,6,7,11

多机工作时，

M

冷却液水位

低

ALAR30000

多机工作时，

5

3

3,4

冷却液水位

M

低

ALAR

多机工作时，

5

3

15000

19

冷却液水位

M

低

5

4

ALAR30000

5,6,7

I_Bus<15（A）

M

0

ALAR

Cell巡检通

5

5

100

3

断有新断路

M

错误

参数存贮表

1，6全错

参数存贮表

2，7全错

5

6

ALAR

100

非10,

参数存贮表

M

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

α

_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=120×0.01657×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_CDR1、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

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）

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：

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）≤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

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

5

16

31

44

56

65

69

70

71

_Air

0.

19

31

43

52

64

75

84

QAR

64

0

0

5

0

0

0

0

5

PWM0

72

75

76

79

83

88

94

10

_Air

0

9411121416182121

QAR

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