氢燃料电池控制策略

目录30KW车用氢燃料电池控制策略............................错误!未定义书签。目录.........................................................................................................11控制策略的依据.............................................................................3230KW车用氢燃料电池控制策略...................................................42.1P&ID..........................................................................................52.2模块技术规范...........................................................................62.3用户接口...................................................错误!未定义书签。2.4系统量定义..............................................................................82.5电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略........................................102.5.1Cell巡检通道断线诊断处理..................错误!未定义书签。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!未定义书签。2.7电堆健康度SOH评估...............................错误!未定义书签。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....................................................102.9工作模式（CRM和CDR）策略.............................................112.10电堆冷却液出口温度设定值策略.........................................112.11空气流量需求量计算.............................................................112.12阳极氢气循环回路控制策略....................错误!未定义书签。2.13阴极空气传输回路控制策略.................................................152.14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........................................................172.16防冻（Freeze）处理过程.......................................................182.17泄漏检查（LeakCheck）机理................................................182.17.1在CtrStat17下的LeakCheck...............................................192.17.2CtrState2下的泄漏检查......................................................192.18注水入泵（Prime）过程........................................................202.19状态及迁移............................................................................202.19.1状态定义.............................................................................202.19.2状态迁移图..........................................................................212.19.3状态功能.............................................................................222.19.4迁移条件................................................错误!未定义书签。2.20CAN通讯协议。........................................错误!未定义书签。3未确定事项.....................................................错误!未定义书签。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&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_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）：≤170kPaCAN总线：CAN2.0A/BPassive(Standard11bit)BPS250kb/s2.3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00FAULT5005,6,7,8,9CellLowVoltageMinV_Cell0.1V00FAULT5008,9Ce