氢燃料电池电堆系统控制方案

EV-H5PTH51号电堆H出前A入H入BP-H5A出增湿器TTA5湿入TTA6湿出AIROUT热交换器TTA2AIRINTTA3干入干出气进气出TTA4PTH3EV-H2PTH2PTH4C入TTD2PTD2H2IN水进水出C出TTD6DI-WEGINDI-WEGOUT图11号电堆模块系统图PTA4BP-A1MFT-A1HEX-A2HUM-A3H2PURGE1PTA1模块控制器HV+HV-IT-HV3VT-HV3GF预充电电源IN+IN-OUT+OUT-K-HV2K-HV1PS-HV6K-HV4D-HV4MDC高压输出24V蓄电池VT-HV4电堆节电压巡检SCAN-V空压机调速器BLW-DRV氢循环泵调速器HRB-DRVSRV-H5PTA5EV-H6P-51H2PURGE2H后出EPV-A6EPV-H41号电堆模块AIRINAIROUTH2INDI-WEGINDI-WEGOUT图2车用1号电堆系统系统图WP-D12H2PURGE2系统控制器HV+HV-FCSC去动力高压配电箱24V蓄电池循环水泵调速器WP-DRVH2PURGE1RAD-D15FLT-A11DC/DCMIX-A12SRV-H12EV-H12HV-H11HV-N11N2WEXPT空气排放口空气进气口HET-D14EMV-D13FLT-D16散热器风扇调速器FAN-DRVFLT-D11氢气瓶组控制器H2TKC氢气瓶组H2TKAT101AT102AT103AT104AT105AT106FLT-DI17氢气排放口PTH12TTD12TTD11TTD15TTD16PTD16FCM表1模块附件表：符号名称描述PT-D2电堆冷却入口压力用于压力过高报警，不用于控制TT-D2电堆冷却入口温度用于指示和报警，不用于控制TT-D6电堆冷却出口温度用于指示和报警，不用于控制MFT-A1空气质量流量计用于空气流量控制PT-A1空压机入口压力相对压力为负值，用于空滤堵塞报警BP-A1空压机TT-A2空压机出口与热交换器之间节点温度HEX-A2冷却液与压缩空气热交换器TT-A3压缩空气热交换器空气出口和增湿器之间节点温度TT-A4电堆空气入口温度PT-A4电堆空气入口压力TT-A5电堆空气出口温度PT-A5电堆空气出口压力用于电堆空气出口背压控制TT-A6空气增湿器湿通道出口温度EPV-A6空气电磁比例阀用于电堆空气出口背压控制PT-H2氢气进气口压力EV-H2氢气进气阀控制阀PT-H3氢气比例阀入口压力用于氢气入口压力和流量控制EPV-H4氢气电磁比例阀用于氢气入口压力和流量控制PT-H4氢气电堆入口压力PT-H5氢气电堆出口压力BP-H5氢气回流泵EV-H5氢气排放阀1EV-H6氢气排放阀2SRV-H5安全泄放阀用于阳极对阴极的压力保护SCAN-V电堆节电压巡检单元CT-HV3电堆输出电流VT-HV3电堆输出电压GF电堆高压总线绝缘电阻测试FCMC模块控制器K-HV4电堆总线预充电开关直流接触器D-HV4电堆总线预充电二极管防止反向给电池充电K-HV1电堆总线输出正极总开关直流接触器K-HV2电堆总线输出负极总开关直流接触器VT-HV4模块输出电压用于预充电控制HRB-DRV氢循环泵调速器在氢气循环泵总成中，只是标明电源BLW-DRV空压机调速器在空压机总成中，只是标明电源PS-HV6外用电设备预充电电源表2车载系统附件表：符号名称描述H2TK高压氢气瓶组氢气气源HV-H11氢气源入口手动截止阀HV-N11氮气源入口手动截止阀用于防冻处理过程PT-H12氢气回路气源压力EV-H12氢气回路气源隔离阀SRV-H12氢气回路气源安全阀MIX-A12空气排气口混合器FLT-A11空气进气口过滤器WEXPT冷却补水膨胀水箱FLT-D16电堆冷却液进口过滤器过滤微粒FLT-D11电堆冷却液出口过滤器过滤微粒WP-D12冷却液循环泵HET-D14冷却液加热器用于冷启动加热EMV-D13冷却液回路电动三通阀RAD-D15冷却液散热水箱根据实际位置，可能有多个FLT-DI17去离子过滤器PT-D16电堆模块冷却回路入口压力TT-D11电堆模块冷却回路出口温度TT-D12冷却回路循环泵出口温度TT-D15冷却回路散热器出口温度TT-D16电堆模块冷却回路入口温度DC/DC燃料电池与动力电池间的直流变换器根据整车动力电池规格确定参数FCSC燃料电池系统控制器H2TKC氢气瓶组控制器WP-DRV冷却液循环水泵调速器在循环水泵总成中，只标明电源FAN-DRV冷却散热水箱风扇调速器在风扇总成中，只标明电源AT-101AT-102AT-103AT-104AT-105AT-1066个氢气浓度传感变送器用于系统空间中可能氢气漏气处的氢气泄漏报警2.1模块冷却液与压缩空气热交换器因冷却液的温度适应电堆要求，该热交换器的作用，一是压缩空气温度过高时降温（起中冷器作用），二是压缩空气温度较低时加热。考虑到要适应低温环境，最好采用。氢气入口压力调整器电堆的氢气入口压力调整，由PT-H3、EPV-H4、PT-H4组成，通过程序采集压力和控制比例阀来实现。为了控制准确和简单管路，将PT-H2、EV-H2、PT-H3、EPV-H4、PT-H4做到一个阀组（manifold）上。阳极压力保护为防止氢气入口压力调整器失效，而使阳极产生高压毁坏电堆。采用安全阀SRV-H5保护。外增湿器外增湿器采用膜增湿器，用电堆的出口湿空气来增湿电堆得入口干空气。具体是否采用，要看电堆的需求。氢气循环氢气循环，一是使阳极的氢气的湿度均匀，二是加热入口的氢气。氢气吹扫（排放）阀氢气吹扫阀，是用1个还是在电堆氢气出口的2端各用1个。要看电堆的阳极结构，因氢气回流后，多少会有一些液态水，若不能及时吹扫掉，会影响水平较低段的节电池性能，也不利于防冻处理。电堆空气出口压力电堆出口压力，采用电磁比例阀EPV-A6和电堆出口压力表PT-A5形成回路来控制。为防止憋压，比例阀为常开阀。电堆高压输出正负极对结构接地（搭铁）绝缘电阻检测电堆高压输出正负极对结构接地的绝缘电阻小时，会危害电堆的安全。在模块中需要加入检测单元。绝缘电阻的要求，单节电池为1200欧，150节为180千欧。电机调速器的电源因空压机的功率一般大于1kW，采用电堆的高压电源，在启动或停止的过程中需要外电源供电。启动和停止时由预充电电源PS-HV6供电。氢气循环泵，因功率一般小于500W，且只在电堆工作时运行，采用外部24VDC单独供电。节电池电压巡检单元节电池电压巡检单元，与电堆的结构做到一起，自带MPU，与模块控制器采用通讯联系（CAN和RS485）。这样会使检测电缆最短，提高可靠性和美观。模块控制器控制器的MCU选用飞思卡尔的MC9S12CE，硬件和壳体，若能采购满足要求的现成控制器，则采购；实验调试完成后，沿用采购的或公司自主研发。控制策略和软件编程，公司自主研发。2.2车载系统高压氢气瓶组高压氢气瓶组，根据整车要求设置个数，每个氢气瓶都装有瓶口阀组合块。瓶口阀组合块包括温度传感器、压力传感器、截止阀。因数量比较多，一般专做1个氢气瓶组控制器，用于现场采集温度压力信号和截止阀的控制。氢气瓶组控制器与燃料电池系统控制器通过CAN总线通讯。因高压氢气瓶组，属于特种行业，需要有资质的单位设计施工。氢气气源的选择电堆模块的氢气气源，设置2个手动截止阀，一个接入氢气气源，一个接入氮气气源。氮气气源不在现场布置，只是在温度低，需要长期停机或存贮时，将阳极的氢气置换成氮气。氢气浓度传感变送器氢气浓度传感变送器，用于检测空间氢气浓度，用于氢气泄漏报警，设置6个。布置在氢气可能泄漏的上方。氢气气源安全阀用于泄放气源地高压，出口接到空气排放口。氢气气源隔离阀一是作为氢气气源地总开关，在出现氢气泄漏报警时，关闭该阀，用于截断氢气气源。空气排放口混合器该混合器，以空气回路为主通道，电堆氢气排放口混合接入此处，用流动的空气来稀释排放的氢气，该处安装一个氢气浓度传感器。报警时，关断氢气气源隔离阀。空气进口过滤器空气进口过滤器，需要双层过滤，外层为物理过滤，主要过滤微粒；内层为化学过滤器，主要过滤危害阴极触媒的化学成分。并且压损要小于3kpag。冷却回路冷却回路采用散热水箱和补水膨胀水箱的结构。采用电动三通比例阀构成2个分支回路：冷启动加热和电堆小功率回路（内回路），电堆大功率散热器回路（外回路）。水温控制执行元件有：EMV-D13、FAN-DRV、WP-DRV、HEX-D14。组合控制达到各种工况的温度要求。FLT-D11、FLT-D16为网状物理过滤器，主要过滤颗粒物。FLT-DI17去离子过滤器，安装在微循环分支上，用于去除冷却液中的离子。电机调速器电源冷却液循环水泵和散热器风扇电机调速器电源全部用外接的24VDC蓄电池电源。燃料电池系统控制器控制器的MCU选用飞思卡尔的MC9S12CE，硬件和壳体，若能采购满足要求的现成控制器，则采购；实验调试完成后，沿用采购的或公司自主研发。控制策略和软件编程，公司自主研发。DC/DC将DC/DC归入燃料电池系统，是因为电堆的工况跟DC/DC密切相关。1.节点参数节点参数是根据系统工艺正常工作和控制策略要求而提出。3.1电堆参数单节电池电特性参数(用于健康度、生命期评估)额定电流：ADC终止电压：VDC表2电压VS电流额定电流比0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0最小电压（mV）最大电压(mV)冷却流道参数冷却液为去离子水或防冻液（50%V/V乙二醇）。最大入口压力：kPa（绝压）最大出口温度：最大出入口温差：表3压损VS流量（去离子水）:流量(LPM)入口压力(kpag)出口压力(kpag)表4压损VS流量（防冻液）:流量(LPM)入口压力(kpag)出口压力(kpag)表5温度VS电流电流CT-HV3(A)入口温度TT-D2(℃)出口温度TT-D3(℃)发热功率（W）阳极（氢气）及阴极参数工作温度范围：℃最大阳极和阴极连通后入口压力：kPa最大阳极对阴极压力：kPa表6最小阳极对阴极压力VS电流电流CT-HV3(A)最小压力（kPa）其它各项表7各项VS电流电流CT-HV3(A)电流密度（mA/cm2）氢气计量比入口压力出口压力供气流量相对湿度露点回流流量空气计量比入口压力流量入口温度入口相对湿度入口露点出口压力3.2氢气通道气源压力范围：7.6-9.6barg3.3空气通道入口最低压力：-3.0kpag出口最大压力：3.0kpag3.4加湿器最大总压损：10.0kpa3.5热交换器需根据压缩空气的最大流量、最高温度、最低温度来确定。水道阻力：最大气道压损：5.0kpag