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氢燃料电池控制策略

30KW车用氢燃料电池控制策略1

目录4

1控制策略的依据6

230KW车用氢燃料电池控制策略7

2.1P&ID8

2.2模块技术规范9

2.3用户接口9

2.4系统量定义10

2.5电堆电芯（CELL）电压轮询检测策略18

2.5.1Cell巡检通道断线诊断处理18

2.5.2Cell巡检通道断线诊断结果处理19

2.6Cell电压测算19

2.7电堆健康度SOH评估20

2.7.1特性曲线电阻段对健康度的评估方法20

2.8ALARM和FAULT判定规则21

2.9工作模式（CRM和CDR）策略23

2.10电堆冷却液出口温度设定值策略23

2.11空气流量需求量计算24

2.12阳极氢气循环回路控制策略26

2.13阴极空气传输回路控制策略28

2.14冷却液传输回路控制策略29

2.15阳极吹扫（Purge）过程29

2.16防冻（Freeze）处理过程30

2.17泄漏检查（LeakCheck）机理30

2.17.1在CtrStat17下的LeakCheck30

2.17.2CtrState2下的泄漏检查31

2.18注水入泵（Prime）过程31

2.19状态及迁移32

2.19.1状态定义32

2.19.2状态迁移图33

2.19.3状态功能34

2.19.4迁移条件38

2.20CAN通讯协议。

39

3未确定事项40

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

2.6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。

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

2.7

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）

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）≤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）

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_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。

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_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

2.13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。

2.14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。

2.15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。

2.15.1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