氢燃料电池控制策略.docx

1、氢燃料电池控制策略30KW车用氢燃料电池控制策略 1目录 41 控制策略的依据 62 30KW车用氢燃料电池控制策略 72.1 P&ID 82.2 模块技术规范 92.3 用户接口 92.4 系统量定义 102.5 电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略 182.5.1 Cell巡检通道断线诊断处理 182.5.2 Cell巡检通道断线诊断结果处理 192.6 Cell电压测算 192.7 电堆健康度SOH评估 202.7.1 特性曲线电阻段对健康度的评估方法 202.8 ALARM和FAULT判定规则 212.9 工作模式（CRM和CDR）策略 232.10 电堆冷却液出口温度设定值策略 23

2、2.11 空气流量需求量计算 242.12 阳极氢气循环回路控制策略 262.13 阴极空气传输回路控制策略 282.14 冷却液传输回路控制策略 292.15 阳极吹扫（Purge）过程 292.16 防冻（Freeze）处理过程 302.17 泄漏检查（LeakCheck）机理 302.17.1 在CtrStat17下的LeakCheck 302.17.2 CtrState2下的泄漏检查 312.18 注水入泵（Prime）过程 312.19 状态及迁移 322.19.1 状态定义 322.19.2 状态迁移图 332.19.3 状态功能 342.19.4 迁移条件 382.20 CAN通

3、讯协议。 393 未确定事项 401 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ME

4、A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

5、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

6、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。2.1 P&ID1、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_H2Re

7、cirPump）、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（_FB）、模块左右向水平倾斜角（_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_Coo

8、lantOutlet）、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

9、（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

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（）：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_C

11、oolantInlet）： 170kPaCAN总线：CAN 2.0A/B Passive(Standard 11 bit) BPS 250 kb/s2.3 系统量定义2.4 电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略2.5 ALARM和FAULT判定规则(S3EDAE3)字节位类型持续时间( mS )有效状态域CtrState源00FAULT5005,6,7,8,9Cell Low VoltageMinV_Cell0.1V00FAULT5008,9Cell Low VoltageMinV_Cell8004FAULT100非1,2,10Heartbeat在心跳时间内未接收到1C0或1C0+ID命令06

12、FAULT100非1，10Internal Sys. E-stopE-STOP开关10FAULT10017H2 Subsystem LeakCheck Fault10FAULT1002H2 Subsystem LeakCheck Fault11FAULT10013Freeze Fault12FAULT50005,6,7单机工作时冷却液水位开关为低液位12FAULT300003,4单机启动时冷却液水位开关为低液位14FAULT10015Purge fault15FAULT1000非1,5,6,7,10I_Bus50A16FAULT100非1,10氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN150PSI（1

13、032.4KPa）17FAULT1000非1,10,13,15,17氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN 40PSI（275.8KPa）17FAULT300013氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN 40PSI17FAULT10015氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN 40PSI41ALARM1000非1,10,Q_Air3000 (LPM)42ALARM1000非10，单机工作时，FC总线电流传感器输出电压4.7542ALARM1000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4.75（A）43ALARM1000非1,10冷却液出口温度 100（）44ALARM10005,

14、6,7W_FC33000 （W）47ALARM150005,6,7,13氢气回流泵运行时，转速 75（）51ALARM100005,6,7V_Stack60（V）52ALARM1007153ALARM1500011,19单机工作时，冷却液水位低53ALARM5005,6,7,11多机工作时，冷却液水位低53ALARM300003,4多机工作时，冷却液水位低53ALARM1500019多机工作时，冷却液水位低54ALARM3000005,6,7I_Bus 8A或8A持续时间未到10秒，则 QAR = 120 0.01657 _Air (I_Bus +30)I_Bus的200mS增量 8A持续时间

15、达10秒后,则 QAR = 120 0.01657 _Air (I_Bus +10)3、CDR工作模式I_Bus的200mS增量 10A，则 QAR = 120 0.01657 _Air (I_Bus 1.2)I_Bus的200mS增量 10A,则 QAR = 120 0.01657 _Air I_Bus4、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_Air =_Air_CDR1、I_Bus CDR QAR = 120 0.01657 _Air (I_Bus 1.3)2、I_Bus CDR若CDR (I_Bus+10)或CDR (I_Bus+10)持续时

16、间未到60秒，则QAR = 120 0.01657 _Air (CDR 1.2)若CDR (I_Bus+10)持续时间到60秒后，则QAR = 120 0.01657 _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_Air =_Air_CRM1、从CS6迁入QAR = 120 0.01657 _Air (CDR 1.5)2、从CS5迁入QAR = 120 0.01657 _Air (I_Bus 1.5)2.9 CDA计算A、在状态CS5下的处理_Air =_Air_CRM在多机工作模式下： CDA = 30 + Q_Air/（120

17、 0.01657 _Air ）在单机工作模式下：CDA = 30 + Q_Air/（120 0.01657 _Air ）B、在状态CS6下的处理_Air =_Air_CDR CDA = 30 + Q_Air/（120 0.01657 _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 = 5A2、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

18、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 -_In 插值表t_PurgeOff6553565535450003000022500_In0.00.10.20.30.4t_PurgeOff1800015000128751125010000_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

19、 30.0V) PWM_Air =0If(V_Bus= 30.0V) PWM_Air =25在CS3Step3、CS8、CS9下: QARn = 120 * 0.01657 * 1.9 * 495 = 1870(LPM)If(Q_AIR QAR(1+_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 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

20、 - PWM0_Air) PWM1_Air = (100 0.0 - PWM0_Air);If(PWM1_Air 100) PWM_Air = 100;If(PWM_Air 0.6V)QARn = 120 * 0.01657 * 1.9 * 495 = 1870(LPM)If(Q_AIR 30) PWM_Air = 0;If(V_Bus= 30) PWM_Air = 25 在除上述状态外的状态下：PWM_Air = 02.13 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

21、阀关闭，进气阀打开，进行2秒，在此过程中，若P_H2IN40psig，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_H2IN0.3V，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 30) PWM_Air = 0;If(V_Bus= 30

22、) PWM_Air = 25 若PWM_Air为100时，Q_Air600LPM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LeakCheck Fault 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_H2IN5psig，则定为失败，置位LeakCheck Fault 标志Fault_LeakCheck。第3步：180-185秒将H2进气阀打开5秒。第4