氫燃料電池電堆系統(tǒng)控制方案

1、表1 模塊附件表：符號(hào)名稱描述PT-D2電堆冷卻入口壓力用于壓力過高報(bào)警，不用于控制TT-D2電堆冷卻入口溫度用于指示和報(bào)警，不用于控制TT-D6電堆冷卻出口溫度用于指示和報(bào)警，不用于控制MFT-A1空氣質(zhì)量流量計(jì)用于空氣流量控制PT-A1空壓機(jī)入口壓力相對(duì)壓力為負(fù)值，用于空濾堵塞報(bào)警BP-A1空壓機(jī)TT-A2空壓機(jī)出口與熱交換器之間節(jié)點(diǎn)溫度HEX-A2冷卻液與壓縮空氣熱交換器TT-A3壓縮空氣熱交換器空氣出口和增濕器之間節(jié)點(diǎn)溫度TT-A4電堆空氣入口溫度PT-A4電堆空氣入口壓力TT-A5電堆空氣出口溫度PT-A5電堆空氣出口壓力用于電堆空氣出口背壓控制TT-A6空氣增濕器濕通道出口溫度EP

2、V-A6空氣電磁比例閥用于電堆空氣出口背壓控制PT-H2氫氣進(jìn)氣口壓力EV-H2氫氣進(jìn)氣閥控制閥PT-H3氫氣比例閥入口壓力用于氫氣入口壓力和流量控制EPV-H4氫氣電磁比例閥用于氫氣入口壓力和流量控制PT-H4氫氣電堆入口壓力PT-H5氫氣電堆出口壓力BP-H5氫氣回流泵EV-H5氫氣排放閥1EV-H6氫氣排放閥2SRV-H5安全泄放閥用于陽極對(duì)陰極的壓力保護(hù)SCAN-V電堆節(jié)電壓巡檢單元CT-HV3電堆輸出電流VT-HV3電堆輸出電壓GF電堆高壓總線絕緣電阻測試FCMC模塊控制器K-HV4電堆總線預(yù)充電開關(guān)直流接觸器D-HV4電堆總線預(yù)充電二極管防止反向給電池充電K-HV1電堆總線輸出正極

3、總開關(guān)直流接觸器K-HV2電堆總線輸出負(fù)極總開關(guān)直流接觸器VT-HV4模塊輸出電壓用于預(yù)充電控制HRB-DRV氫循環(huán)泵調(diào)速器在氫氣循環(huán)泵總成中，只是標(biāo)明電源BLW-DRV空壓機(jī)調(diào)速器在空壓機(jī)總成中，只是標(biāo)明電源PS-HV6外用電設(shè)備預(yù)充電電源表2 車載系統(tǒng)附件表：符號(hào)名稱描述H2TK高壓氫氣瓶組氫氣氣源HV-H11氫氣源入口手動(dòng)截止閥HV-N11氮?dú)庠慈肟谑謩?dòng)截止閥用于防凍處理過程PT-H12氫氣回路氣源壓力EV-H12氫氣回路氣源隔離閥SRV-H12氫氣回路氣源安全閥MIX-A12空氣排氣口混合器FLT-A11空氣進(jìn)氣口過濾器WEXPT冷卻補(bǔ)水膨脹水箱FLT-D16電堆冷卻液進(jìn)口過濾器過濾微

4、粒FLT-D11電堆冷卻液出口過濾器過濾微粒WP-D12冷卻液循環(huán)泵HET-D14冷卻液加熱器用于冷啟動(dòng)加熱EMV-D13冷卻液回路電動(dòng)三通閥RAD-D15冷卻液散熱水箱根據(jù)實(shí)際位置，可能有多個(gè)FLT-DI17去離子過濾器PT-D16電堆模塊冷卻回路入口壓力TT-D11電堆模塊冷卻回路出口溫度TT-D12冷卻回路循環(huán)泵出口溫度TT-D15冷卻回路散熱器出口溫度TT-D16電堆模塊冷卻回路入口溫度DC/DC燃料電池與動(dòng)力電池間的直流變換器根據(jù)整車動(dòng)力電池規(guī)格確定參數(shù)FCSC燃料電池系統(tǒng)控制器H2TKC氫氣瓶組控制器WP-DRV冷卻液循環(huán)水泵調(diào)速器在循環(huán)水泵總成中，只標(biāo)明電源FAN-DRV冷卻散熱

5、水箱風(fēng)扇調(diào)速器在風(fēng)扇總成中，只標(biāo)明電源AT-101AT-102AT-103AT-104AT-105AT-1066個(gè)氫氣濃度傳感變送器用于系統(tǒng)空間中可能氫氣漏氣處的氫氣泄漏報(bào)警2.1 模塊l 冷卻液與壓縮空氣熱交換器因冷卻液的溫度適應(yīng)電堆要求，該熱交換器的作用，一是壓縮空氣溫度過高時(shí)降溫（起中冷器作用），二是壓縮空氣溫度較低時(shí)加熱?？紤]到要適應(yīng)低溫環(huán)境，最好采用。l 氫氣入口壓力調(diào)整器電堆的氫氣入口壓力調(diào)整，由PT-H3、EPV-H4、PT-H4組成，通過程序采集壓力和控制比例閥來實(shí)現(xiàn)。為了控制準(zhǔn)確和簡單管路，將PT-H2、EV-H2、PT-H3、EPV-H4、PT-H4做到一個(gè)閥組（manif

6、old）上。l 陽極壓力保護(hù)為防止氫氣入口壓力調(diào)整器失效，而使陽極產(chǎn)生高壓毀壞電堆。采用安全閥SRV-H5保護(hù)。l 外增濕器外增濕器采用膜增濕器，用電堆的出口濕空氣來增濕電堆得入口干空氣。具體是否采用，要看電堆的需求。l 氫氣循環(huán)氫氣循環(huán)，一是使陽極的氫氣的濕度均勻，二是加熱入口的氫氣。l 氫氣吹掃（排放）閥氫氣吹掃閥，是用1個(gè)還是在電堆氫氣出口的2端各用1個(gè)。要看電堆的陽極結(jié)構(gòu)，因氫氣回流后，多少會(huì)有一些液態(tài)水，若不能及時(shí)吹掃掉，會(huì)影響水平較低段的節(jié)電池性能，也不利于防凍處理。l 電堆空氣出口壓力電堆出口壓力，采用電磁比例閥EPV-A6和電堆出口壓力表PT-A5形成回路來控制。為防止憋壓，比

7、例閥為常開閥。l 電堆高壓輸出正負(fù)極對(duì)結(jié)構(gòu)接地（搭鐵）絕緣電阻檢測電堆高壓輸出正負(fù)極對(duì)結(jié)構(gòu)接地的絕緣電阻小時(shí)，會(huì)危害電堆的安全。在模塊中需要加入檢測單元。絕緣電阻的要求，單節(jié)電池為1200歐，150節(jié)為180千歐。l 電機(jī)調(diào)速器的電源因空壓機(jī)的功率一般大于1kW，采用電堆的高壓電源，在啟動(dòng)或停止的過程中需要外電源供電。啟動(dòng)和停止時(shí)由預(yù)充電電源PS-HV6供電。氫氣循環(huán)泵，因功率一般小于500W，且只在電堆工作時(shí)運(yùn)行，采用外部24VDC單獨(dú)供電。l 節(jié)電池電壓巡檢單元節(jié)電池電壓巡檢單元，與電堆的結(jié)構(gòu)做到一起，自帶MPU，與模塊控制器采用通訊聯(lián)系（CAN和RS485）。這樣會(huì)使檢測電纜最短，提高可

8、靠性和美觀。l 模塊控制器控制器的MCU選用飛思卡爾的MC9S12CE，硬件和殼體，若能采購滿足要求的現(xiàn)成控制器，則采購；實(shí)驗(yàn)調(diào)試完成后，沿用采購的或公司自主研發(fā)。控制策略和軟件編程，公司自主研發(fā)。2.2 車載系統(tǒng)l 高壓氫氣瓶組高壓氫氣瓶組，根據(jù)整車要求設(shè)置個(gè)數(shù)，每個(gè)氫氣瓶都裝有瓶口閥組合塊。瓶口閥組合塊包括溫度傳感器、壓力傳感器、截止閥。因數(shù)量比較多，一般專做1個(gè)氫氣瓶組控制器，用于現(xiàn)場采集溫度壓力信號(hào)和截止閥的控制。氫氣瓶組控制器與燃料電池系統(tǒng)控制器通過CAN總線通訊。因高壓氫氣瓶組，屬于特種行業(yè)，需要有資質(zhì)的單位設(shè)計(jì)施工。l 氫氣氣源的選擇電堆模塊的氫氣氣源，設(shè)置2個(gè)手動(dòng)截止閥，一個(gè)接

9、入氫氣氣源，一個(gè)接入氮?dú)鈿庠?。氮?dú)鈿庠床辉诂F(xiàn)場布置，只是在溫度低，需要長期停機(jī)或存貯時(shí)，將陽極的氫氣置換成氮?dú)狻 氫氣濃度傳感變送器氫氣濃度傳感變送器，用于檢測空間氫氣濃度，用于氫氣泄漏報(bào)警，設(shè)置6個(gè)。布置在氫氣可能泄漏的上方。l 氫氣氣源安全閥用于泄放氣源地高壓，出口接到空氣排放口。l 氫氣氣源隔離閥一是作為氫氣氣源地總開關(guān)，在出現(xiàn)氫氣泄漏報(bào)警時(shí)，關(guān)閉該閥，用于截?cái)鄽錃鈿庠础 空氣排放口混合器該混合器，以空氣回路為主通道，電堆氫氣排放口混合接入此處，用流動(dòng)的空氣來稀釋排放的氫氣，該處安裝一個(gè)氫氣濃度傳感器。報(bào)警時(shí)，關(guān)斷氫氣氣源隔離閥。l 空氣進(jìn)口過濾器空氣進(jìn)口過濾器，需要雙層過濾，外層為

10、物理過濾，主要過濾微粒；內(nèi)層為化學(xué)過濾器，主要過濾危害陰極觸媒的化學(xué)成分。并且壓損要小于3kpag。l 冷卻回路冷卻回路采用散熱水箱和補(bǔ)水膨脹水箱的結(jié)構(gòu)。采用電動(dòng)三通比例閥構(gòu)成2個(gè)分支回路：冷啟動(dòng)加熱和電堆小功率回路（內(nèi)回路），電堆大功率散熱器回路（外回路）。水溫控制執(zhí)行元件有：EMV-D13、FAN-DRV、WP-DRV、HEX-D14。組合控制達(dá)到各種工況的溫度要求。FLT-D11、FLT-D16為網(wǎng)狀物理過濾器，主要過濾顆粒物。FLT-DI17去離子過濾器，安裝在微循環(huán)分支上，用于去除冷卻液中的離子。l 電機(jī)調(diào)速器電源冷卻液循環(huán)水泵和散熱器風(fēng)扇電機(jī)調(diào)速器電源全部用外接的24VDC蓄電池電

11、源。l 燃料電池系統(tǒng)控制器控制器的MCU選用飛思卡爾的MC9S12CE，硬件和殼體，若能采購滿足要求的現(xiàn)成控制器，則采購；實(shí)驗(yàn)調(diào)試完成后，沿用采購的或公司自主研發(fā)?？刂撇呗院蛙浖幊?，公司自主研發(fā)。l DC/DC將DC/DC歸入燃料電池系統(tǒng)，是因?yàn)殡姸训墓r跟DC/DC密切相關(guān)。1. 節(jié)點(diǎn)參數(shù) 節(jié)點(diǎn)參數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)工藝正常工作和控制策略要求而提出。3.1 電堆參數(shù)l 單節(jié)電池電特性參數(shù)(用于健康度、生命期評(píng)估)額定電流： ADC終止電壓： VDC 表2 電壓 VS 電流額定電流比0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0最小電壓（mV）最大電壓(mV)l 冷卻流道參數(shù)冷卻

12、液為去離子水或防凍液（50%V/V乙二醇）。最大入口壓力： kPa（絕壓）最大出口溫度：最大出入口溫差：表3壓損VS 流量（去離子水）:流量(LPM)入口壓力(kpag)出口壓力(kpag)表4壓損VS 流量（防凍液）:流量(LPM)入口壓力(kpag)出口壓力(kpag)表5溫度 VS 電流電流CT-HV3(A)入口溫度TT-D2()出口溫度TT-D3()發(fā)熱功率（W）l 陽極（氫氣）及陰極參數(shù)工作溫度范圍： 最大陽極和陰極連通后入口壓力： kPa最大陽極對(duì)陰極壓力： kPa表6 最小陽極對(duì)陰極壓力 VS 電流電流CT-HV3(A)最小壓力（kPa）l 其它各項(xiàng)表7 各項(xiàng) VS 電流電流CT-HV3(A)電流密度（mA/cm2）氫氣計(jì)量比入口壓力出