氢燃料电池控制策略

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1、目录30KW车用氢燃料电池控制策略错误!未指定书签。目录错误!未指定书签。1 控制策略的依据错误!未指定书签。2 30KW车用氢燃料电池控制策略错误!未指定书签。2.1 P&ID错误!未指定书签。2.2 模块技术规范错误!未指定书签。2.3 用户接口错误!未指定书签。2.4 系统量定义错误!未指定书签。2.5 电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略错误!未指定书签。2.5.1 Cell巡检通道断线诊断处理错误!未指定书签。2.5.2 Cell巡检通道断线诊断结果处理错误!未指定书签。2.6 Cell电压测算错误!未指定书签。2.7 电堆健康度SOH评估错误!未指定书签。2.7.1 特性曲线电阻段

2、对健康度的评估方法.错误!未指定书签。2.8 ALARM和FAULT判定规则错误!未指定书签。2.9 工作模式(CRM和CDR)策略错误!未指定书签。2.10 电堆冷却液出口温度设定值策略错误!未指定书签。2.11 空气流量需求量计算错误!未指定书签。2.12 阳极氢气循环回路控制策略 错误!未指定书签。2.13 阴极空气传输回路控制策略2.14 冷却液传输回路控制策略2.15 阳极吹扫（Purge）过程2.16 防冻（Freeze）处理过程2.17 泄漏检查（LeakCheck）机理2.17.1 在 CtrStat17 下的 LeakCheck2.17.2CtrState2下的泄漏检查2.1

3、8 注水入泵（Prime）过程2.19 状态及迁移2.19.1 状态定义2.19.2 状态迁移图2.19.3 状态功能2.19.4 迁移条件2.20 CAN 通讯协议。错误!未指定书签。 错误!未指定书签 错误!未指定书签 错误!未指定书签 错误!未指定书签 错误!未指定书签 错误!未指定书签 错误!未指定书签 错误!未指定书签 错误!未指定书签 错误!未指定书签 错误!未指定书签 错误!未指定书签 错误!未指定书签 错误!未指定书签3 未确定事项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

4、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

5、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

6、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

7、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&ID1、阳极氢气子系统控制涉及的项：氢气进气阀控制开关(S_H2lnlet )、氢气进气阀后的压力 (P_H2lnlet)、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_

8、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(O_FB)、模块左右向水 平倾斜角(O_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

9、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 _B

10、us)、总线电流(l_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）： W 20S停止时间（Shutdown）： W 5S氢气气源压力（P_H2Supply） : 653-928kPa电堆工作压力（P_StackOp） : Wl20kPa氢气最大流量（MaxQ_H2） : W500LPM氢气温度（T_H2） : -10 - 46C空气流量（Q_Air） :W2500LPM空气

11、温度（T_Air） : -10 - 46 C存贮温度（T_Storage） : -40 - 65C最小湿件温度（MinT_WettedComp） : 2C最大燃料电池模块内部温度（MaxT_FCPM）: 55C相对湿度（RH） : W 95%海拔（AT） : 0- 1600m水平倾角（。）:土 30阳极收集水量（Vol_AnodeWater） : W 48mL/min阴极收集水量（Vol_CathodeWater） : W 64mL/min热功率（P_Heater） : W 52kW冷却液出口温度（T_CoolantOutlet） : 50 - 70C冷却液流量(Q_Coolant)：上75L

12、PM冷却液最大压力降(MaxDropP_Coolant) : W 35kPa最大冷却液入口压力(MaxP_Coolantlnlet)： W 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25ALARM 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, & 9Cell Low VoltageMinV Cell0.1V00FAULT500&9Cell Low VoltageMi

13、nV Cell50A16FAULT100非 1,10氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN150PSI (1032.4KPa)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 Air= 0Q Air3000 (LPM)42ALARM1000非10，单机工作时，FC总线电流传感器输出电压 0.25 或4.7542ALARM1000非 1,10多机工作时的

14、主机(1号机)，FC总线电流 传感器输出电压0.25或4.75 (A)43ALARM1000非 1,10冷却液出口温度100 (C)44ALARM10005,6,7W FC33000 (W)47ALARM150005,6,7,13氢气回流泵运行时，转速 300 (RPM) (10/2Hz)50ALARM10000非 1,11,10冷却液出口温度75 (C)51ALARM100005,6,7V Stack CDRQAR = 120 X 0.01657 Xa _Air X (I_BusX 1.3)2、I_BusW CDR若 CDR W (I_Bus+10)或 CDR (I_Bus+10)持续时间未

15、到 60 秒，则QAR = 120 X 0.01657 Xa _Air X (CDRX 1.2)若CDR (I_Bus+10)持续时间到60秒后，则QAR = 120 X 0.01657 Xa _Air X (I_BusX 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a _Air =a _Air_CRM1、从CS6迁入QAR = 120 X 0.01657 Xa _Air X (CDR X 1.5)2、从 CS5 迁入QAR = 120 X 0.01657 Xa _Air X (I_BusX 1.5)2.9 CDA 计算A、在状态CS5下的处理a

16、 _Air =a _Air_CRM在多机工作模式下：CDA = 30 + Q_Air/(120X 0.01657 Xa_Air )在单机工作模式下：CDA = 30 + Q_Air/(120X 0.01657 Xa_Air )B、在状态CS6下的处理a _Air =a _Air_CDRCDA = 30 + Q_Air/(120X 0.01657 Xa_Air )D、在状态 CS7 下的处理1、从 CS5 或 CS6 迁入 CS7 时的 l_Bus (l_Bus_56)W 30A CDA = 5A2、从 CS5 或 CS6 迁入 CS7 时的 l_Bus(l_Bus_56) 30ACDA = I

17、_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 -a ln 插值表t PurgeOff6553565535450003000022500a In0.00.10.20.30.4t PurgeOff1800015000128751125010000a In0.50.60.70.80.9在状态7下，开2秒关5秒 在状态 8、

18、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:lf(V_Bus 30.0V) PWM_Air =0lf(V_Bus= 30.0V) PWM_Air =25在 CS3Step3、 CS8、 CS9 下:QARn = 120 * 0.01657 * 1.9 * 495 = 1870(LPM)lf(Q_AlR QAR(1+a _QAR/100)If(PWM_Air 10)PWM1_Air -= ABS(Q_Air - QAR)*0.01/100;/ 0.01/100为减增量If(Q

19、_Air 10)PWM1_Air += ABS(Q_Air - QAR)*0.1/100; /0.1/100为加增量/PWM1_Air 上下限调整讦(PWM1_Air (100 一 0.0 - PWMO_Air)PWM1_Air = (100 - 0.0 - PWMO_Air); lf(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

20、_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_H2IN 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若 PWM_Air 为 100

21、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。215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 F

22、ault 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_H2IN185 秒在此阶段开始，关闭H2进气阀。若 V_Stack470 秒，则进入第 5 步。若 V_Stack 10V、时间470 秒且 P_H2IN36psig,则泄漏检测失 败;若=36psig,则泄漏检查成功。2.15.2CtrState2 下的泄漏检查若控制状态2是从控制状态5 、 6、 7、 8迁入，则进行泄漏检查。 其方法与CtrState17差不多，只是将第1、2阶段合为1个阶段 了，省掉第1步

23、的进气。因控制状态5，6，7，8中，H2进气阀一直 开着2.16注水入泵（Prime）过程在注水入泵过程中，只开冷却液泵。2.17状态及迁移2.17.1状态定义状态的划分和定义，根据在系统中的作用不同分为3级。第一级为系统状态（SysState,简称SS），从总体功能上向用户 （Customer）描述系统的简略工作状态。第二级为控制状态（CtrState，简称CS），即该系统的实际状态，用 于系统功能的详细定义和工作状态。第三级为第二级的过程状态，用于描绘第二级状态的不同阶段 （Step）。表 4 状态定义表SysStateCtrStateStep值定义值定义值定义0PowerOn0Power

24、On1Standby122Startup31234123Run5RUN CRM6RUN CDR7RUN S0H 14Shutdown895Fault1012秒定时26CoolDown117CoolDownComplete128Freeze139Freeze Complete1410(A)Purge1511(B)Purge Complete1612(C)LeakCheck1713(D)LeakCheckComplete1814(E)Prime1915(F)Prime Complete202.17.2状态迁移图图 1 状态迁移图2.17.3状态功能2.17.3.1 CS0 PowerOnInit上

25、电初始化状态，为一过程状态。初始化硬件和程序运行的环境。2.17.3.2 CS1 Standby此状态下定时 2 秒，对状态系统进行初始化。1、复位报警管理表和报警输出结果。2、氢气进气阀=关3、氢气回流泵=停4、吹扫阀=关5、QAR=0、PWM_Air=06、TCSP、水泵停、散热风扇停、节温器？7、CDA=O、总线输出二关2.17.3.3CS2 Standby此状态为系统待机状态，若是从 CS9 迁移过来，则进行一次氢气泄漏检查（见 2.18.2），检查完成后或不做检查，则做以下功能：1、报警检查=进行，但没有报警项2、氢气进气阀=关3、氢气回流泵=关4、吹扫阀=关5、QAR=0、 PWM

26、_Air=06、TCSP、水泵、散热风扇、节温器7、CDA=O、总线输出二关2.17.3.4CS3STEP1 Startup此状态为启动状态的第1 过程。定时0.1 秒，在此状态下：1、报警检查=进行2、氢气进气阀3、氢气回流泵4、吹扫阀5、QAR、空压机6、TCSP、水泵、散热风扇、节温器7、CDA、 BUS_OUT8、Cell OW 检测9、2.17.3.5状态功能8、报警9、氢气进气阀10、氢气回流泵11、吹扫阀12、QAR、空压机13、TCSP、水泵、散热风扇、节温器14、CDA、 BUS_OUT15、Cell OW 检测16、2.17.3.6状态功能17、报警18、氢气进气阀19、氢气回流泵20、吹扫阀21、QAR、空压机22、TCSP、水泵、散热风扇、节温器23、CDA、 BUS_OUT24、Cell OW 检测25、2.17.3.7状态功能26、报警27、氢气进气阀28、氢气回流泵29、吹扫阀30、QAR、空压机31、TCSP、水泵、散热风扇、节温器32、CDA、 BUS_OUT33、Cell OW 检测34、2.17.3.8状态功能35、报警36、氢气进气阀37、氢气回流泵38、吹扫阀39、QAR、空压机40、TCSP、水泵、散热风扇、节温器41、CDA、 BUS_OUT42、Cell OW 检测43、