氫燃料電池控制策略

氫燃料電池控制策略氫燃料電池控制策略氫燃料電池控制策略氫燃料電池控制策略編制僅供參考審核批準生效日期地址：電話：傳真:郵編:目錄30KW車用氫燃料電池控制策略 1目錄 41 控制策略的依據(jù) 62 30KW車用氫燃料電池控制策略 7 P&ID 8 模塊技術規(guī)范 9 用戶接口 9 系統(tǒng)量定義 10 電堆電芯(CELL)電壓輪詢檢測策略 18 Cell巡檢通道斷線診斷處理 18 Cell巡檢通道斷線診斷結果處理 19 Cell電壓測算 19 電堆健康度SOH評估 20 特性曲線電阻段對健康度的評估方法 20 ALARM和FAULT判定規(guī)則 21 工作模式（CRM和CDR）策略 23 電堆冷卻液出口溫度設定值策略 23 空氣流量需求量計算 24 陽極氫氣循環(huán)回路控制策略 26 陰極空氣傳輸回路控制策略 28 冷卻液傳輸回路控制策略 29 陽極吹掃（Purge）過程 29 防凍（Freeze）處理過程 30 泄漏檢查（LeakCheck）機理 30 在CtrStat17下的LeakCheck 30 CtrState2下的泄漏檢查 31 注水入泵（Prime）過程 31 狀態(tài)及遷移 32 狀態(tài)定義 32 狀態(tài)遷移圖 33 狀態(tài)功能 34 遷移條件 38 CAN通訊協(xié)議。 393 未確定事項 40

控制策略的依據(jù)對于氫燃料電池，追求的指標有：能量密度、額定功率、最大峰值功率（保持有限時間）、最小穩(wěn)定功率（小于該功率，功率輸出波動大，長時間小于最小穩(wěn)定功率下工作（包括開路），對電極有損傷））、效率（以氫氣低燃值計算，凈輸出功率），生命周期、啟動時間（從空閑到額定功率）、停機時間、環(huán)境要求（工作溫度、存貯溫度、濕度、海拔（主要是大氣壓力和密度變化對電堆其它指標的影響））等。這些指標，都反映在氫燃料電池的輸出特性曲線（極化曲線）上。對氫燃料電池的設計、實驗上，就是使輸出特性曲線反映的指標最好。影響輸出特性曲線的因素很多，對于質子交換膜氫燃料電池，主要反映在MEA的工藝上，繼而派生出的因素有：陽極氫氣的輸入口壓力（本文檔中，所有壓力是指絕對壓力）、陽極中氫氣的濕度，陰極空氣的壓力和流速、陰極空氣的濕度，陽極和陰極的的壓差、膜的溫度，因流場氣流的影響，流場入口端的濕度低于流場出口端的濕度，出現(xiàn)干端和濕端，影響指標，為了平衡濕度，采取入口氣體增濕工藝，陽極采用將出口處濕度高的氫氣通過回流泵直接送回入口，增加陽極氣體入口處的濕度。因此氫氣回流泵的流速也算一個因素。因質子交換膜氫燃料電池，在輸出功率時會產生熱量，為了達到穩(wěn)定MEA的溫度，就需要將熱量消散掉。因此需要測試不同電流下的熱量，用于設計熱源到冷卻介質間的熱阻（工藝設計中計算或測試）及冷卻流道的工藝參數(shù)。因陽極在輸出功率時，濕度會逐漸增大，會產生水以及氫氣純度會逐漸降低，到一定條件就需要將陽極的氫氣置換（吹掃）一次。對于電堆，通過實驗和測試，繪制各個因素組合下的輸出特性曲線。根據(jù)這些測繪出的輸出特性曲線，綜合出各個指標。根據(jù)指標，在輸出特性曲線中，確定一個安全穩(wěn)定工作區(qū)域。根據(jù)輸出特性曲線的安全穩(wěn)定工作區(qū)域，再確定各個因素以輸出電流為橫軸的工作區(qū)域。這些因數(shù)的工作區(qū)域，就是集成系統(tǒng)（模塊）的技術規(guī)范（即電堆生產廠的《電堆集成手冊》）。根據(jù)《電堆集成手冊》，設計電堆模塊，根據(jù)電堆模塊的工藝，形成《模塊手冊》。根據(jù)《模塊手冊》設計輔助系統(tǒng)工藝。最終形成《系統(tǒng)工藝流程圖》（P&ID）。對于應用還需要《應用需求》。以上資源是控制策略的依據(jù)。氫燃料電池控制策略控制策略內容包括：系統(tǒng)量定義，ALARM和FAULT判定規(guī)則,節(jié)電壓巡檢處理策略，電堆冷卻液出口溫度設定值策略，工作模式（CRM和CDR）策略，陽極氫氣循環(huán)回路控制策略，陰極空氣傳輸回路控制策略，冷卻液傳輸回路控制策略，陽極氫氣吹掃（Purge）過程，防凍（Freeze）處理過程，泄露檢查（LeakCheck）過程、注水入泵（Prime）過程，冷啟動過程，狀態(tài)及遷移，CAN通訊協(xié)議。P&ID1、陽極氫氣子系統(tǒng)控制涉及的項：氫氣進氣閥控制開關（S_H2Inlet）、氫氣進氣閥后的壓力（P_H2Inlet）、氫氣回流泵的運行控制開關（EN_H2RecirPump）、氫氣回流泵的轉速（n_H2RecirPump）、氫氣回流泵驅動器PWM（PWM_H2RecirPump）,氫氣回流泵驅動器中的1個測量量（V_H2RecirPump）、氫氣吹掃閥控制總開關（S_H2Purge）、氫氣前吹掃閥控制開關（S_H2FrontPurge）、氫氣后吹掃閥控制開關（S_H2BackPurge）、模塊前后向水平傾斜角（θ_FB）、模塊左右向水平傾斜角（θ_LR）。2、陰極空氣子系統(tǒng)控制涉及的項：空壓機驅動器PWM（PWM_AirBlower）、空壓機的轉速（n_AirBlower）、空氣流量（Q_Air）。3、冷卻子系統(tǒng)控制涉及的項：冷卻液出口溫度（T_CoolantOutlet）、冷卻液泵運行控制開關（EN_CoolantPump）、冷卻液泵驅動器PWM（PWM_CoolantPump）散熱器風扇運行控制開關（EN_RadiatorFan）、散熱器風扇驅動器（PWM_RadiatorFan）。4、電氣子系統(tǒng)控制涉及的項：電堆節(jié)數(shù)（N_Cell，120）、電堆單節(jié)最小電壓（MinV_Cell）、最小電壓的節(jié)號（No_MinV_Cell，0-119，0號在前端）、電堆單節(jié)最大電壓（MaxV_Cell）、最大電壓的節(jié)號（No_MaxV_Cell，0-119，0號在前端）、電堆單節(jié)平均電壓（AvgV_Cell）、電堆計算的電壓（V_Stack）、總線電壓（V_Bus）、總線電流（I_Bus）、總線輸出開關（EN_Bus）。5、控制接口涉及的項：燃料電池模塊使能開關（EN_FC）、運行開關（S_Run）、CAN總線。模塊技術規(guī)范額定功率（Pn）：31kW工作電流（I）：0-500A額定電流（In）：495A起動時間（t_Startup）：≤20S停止時間（t_Shutdown）：≤5S氫氣氣源壓力（P_H2Supply）：653-928kPa電堆工作壓力（P_StackOp）：≤120kPa氫氣最大流量（MaxQ_H2）：≤500LPM氫氣溫度（T_H2）：-10–46℃空氣流量（Q_Air）:≤2500LPM空氣溫度（T_Air）：-10–46℃存貯溫度（T_Storage）:-40–65℃最小濕件溫度（MinT_WettedComp）：2℃最大燃料電池模塊內部溫度（MaxT_FCPM）:55℃相對濕度（RH）：≤95%海拔（AT）：0–1600m水平傾角（θ）：±30°陽極收集水量（Vol_AnodeWater）：≤48mL/min陰極收集水量（Vol_CathodeWater）：≤64mL/min熱功率（P_Heater）:≤52kW冷卻液出口溫度（T_CoolantOutlet）：50–70℃冷卻液流量（Q_Coolant）：≥75LPM冷卻液最大壓力降（MaxDropP_Coolant）:≤35kPa最大冷卻液入口壓力（MaxP_CoolantInlet）：≤170kPaCAN總線：CANBPassive(Standard11bit)BPS250kb/s系統(tǒng)量定義電堆電芯(CELL)電壓輪詢檢測策略ALARM和FAULT判定規(guī)則(S3EDAE3)字節(jié)位類型持續(xù)時間(mS)有效狀態(tài)域CtrState源00FAULT5005,6,7,8,9CellLowVoltageMinV_Cell<00FAULT5008,9CellLowVoltageMinV_Cell<01FAULT1000非1,2,10,11CoolantHighTemp.T_Coolant>80℃04FAULT100非1,2,10Heartbeat在心跳時間內未接收到1C0或1C0+ID命令06FAULT100非1，10InternalSys.E-stopE-STOP開關10FAULT10017H2SubsystemLeakCheckFault10FAULT1002H2SubsystemLeakCheckFault11FAULT10013FreezeFault12FAULT50005,6,7單機工作時冷卻液水位開關為低液位12FAULT300003,4單機啟動時冷卻液水位開關為低液位14FAULT10015Purgefault15FAULT1000非1,5,6,7,10I_Bus>50A16FAULT100非1,10氫氣進氣閥打開2秒后，P_H2IN>150PSI（）17FAULT1000非1,10,13,15,17氫氣進氣閥打開2秒后，P_H2IN<40PSI（）17FAULT300013氫氣進氣閥打開2秒后，P_H2IN<40PSI17FAULT10015氫氣進氣閥打開2秒后，P_H2IN<40PSI41ALARM1000非1,10,Q_Air<=0||Q_Air>3000(LPM)42ALARM1000非10，單機工作時，F(xiàn)C總線電流傳感器輸出電壓<或>42ALARM1000非1,10多機工作時的主機（1號機），F(xiàn)C總線電流傳感器輸出電壓<或>（A）43ALARM1000非1,10冷卻液出口溫度<-50或>100（℃）44ALARM10005,6,7W_FC>33000（W）47ALARM150005,6,7,13氫氣回流泵運行時，轉速<300（RPM）（10/2Hz）50ALARM10000非1,11,10冷卻液出口溫度>75（℃）51ALARM100005,6,7V_Stack<60（V）52ALARM1007153ALARM1500011,19單機工作時，冷卻液水位低53ALARM5005,6,7,11多機工作時，冷卻液水位低53ALARM300003,4多機工作時，冷卻液水位低53ALARM1500019多機工作時，冷卻液水位低54ALARM3000005,6,7I_Bus<15（A）55ALARM1003Cell巡檢通斷有新斷路錯誤56ALARM100非10,參數(shù)存貯表1，6全錯參數(shù)存貯表2，7全錯參數(shù)存貯表3，8全錯上次的參數(shù)存貯表2，7全錯工作模式（CRM和CDR）策略工作模式分為CRM(CurrentRampMode)和CDR(CurrentDrawRequest)。CRM模式，電流斜坡模式，是指負載電流以一定的斜率上升或下降。CDR模式，電流請求模式，是指在CDA 限制下，負載電流通過通訊或模擬信號提供給FC控制器CDR值。電堆冷卻液出口溫度設定值(TCSP)策略空氣流量需求量(QAR)計算空氣流量需求QAR基本計算公式QAR=120××α_Air×I_Bus注：120 為電堆的總Cell數(shù)，為單個Cell在I_Bus為1A時，1分鐘需要消耗的理論空氣體積量（升）。α_Air是α_In的函數(shù)，該函數(shù)為多段線性插值FLOAT32Interp_α_Air(FLOAT32α_In) 表5α_Air--α_In插值表α_Airα_In α_Air_CRM=Interp_α_Air(I_Bus/In_Bus)α_Air_CDR=Interp_α_Air(CDR/In_Bus)在狀態(tài)CS5(CRM)下的處理1、過?？諝庀禂?shù)的處理進入CS5狀態(tài)頭30秒：α_Air=α_Air_CRM30秒后，先缺省α_Air=α_Air_CRM，在某個持續(xù)20秒的事件發(fā)生后，α_Air=α_Air_CRM+2、CRM工作模式I_Bus的200mS增量>8A或≤8A持續(xù)時間未到10秒，則QAR=120××α_Air×(I_Bus+30)I_Bus的200mS增量≤8A持續(xù)時間達10秒后,則QAR=120××α_Air×(I_Bus+10)3、CDR工作模式I_Bus的200mS增量>10A，則QAR=120××α_Air×(I_Bus×I_Bus的200mS增量≤10A,則QAR=120××α_Air×I_Bus4、最小值處理QAR結果小于50，則結果值為50。在狀態(tài)CS6(CDR)下的處理α_Air=α_Air_CDR1、I_Bus>CDRQAR=120××α_Air×(I_Bus×2、I_Bus≤CDR若CDR≤(I_Bus+10)或CDR>(I_Bus+10)持續(xù)時間未到60秒，則QAR=120××α_Air×(CDR×若CDR>(I_Bus+10)持續(xù)時間到60秒后，則QAR=120××α_Air×(I_Bus×3、最小值處理QAR結果小于50，則結果值為50。在狀態(tài)CS7下的處理α_Air=α_Air_CRM1、從CS6遷入QAR=120××α_Air×(CDR×2、從CS5遷入QAR=120××α_Air×(I_Bus×CDA計算A、在狀態(tài)CS5下的處理α_Air=α_Air_CRM在多機工作模式下：CDA=30+Q_Air/（120××α_Air）在單機工作模式下：CDA=30+Q_Air/（120××α_Air）B、在狀態(tài)CS6下的處理α_Air=α_Air_CDRCDA=30+Q_Air/（120××α_Air）在狀態(tài)CS7下的處理1、從CS5或CS6遷入CS7時的I_Bus(I_Bus_56)≤30ACDA=5A2、從CS5或CS6遷入CS7時的I_Bus(I_Bus_56)>30ACDA=I_Bus_56–(t*5/400)陽極氫氣循環(huán)回路控制策略陽極氫氣吹掃閥控制策略在狀態(tài)CS15，隨氫氣進氣閥相反動作在狀態(tài)3，第1、2階段開1秒關秒，第3階段開1秒關1秒在狀態(tài)5，開2秒，關時間先根據(jù)額定電流比插值基本時間，再根據(jù)氫氣回流泵的參數(shù)作調整。表6t_PurgeOff--α_In插值表t_PurgeOff6553565535450003000022500α_Int_PurgeOff1800015000128751125010000α_In在狀態(tài)7下，開2秒關5秒在狀態(tài)8、13下，常開。其他狀態(tài)下，常關。陰極空氣傳輸回路控制策略陰極空壓機沒有運行控制開關信號，只有PWM控制信號PWM_Air。在狀態(tài)CS3Step2下:If(V_Bus>PWM_Air=0If(V_Bus<=PWM_Air=25在CS3Step3、CS8、CS9下:QARn=120***495=1870(LPM)If(Q_AIR<QARn)PWM+=*50*10=;在CS4Step1下PWM_Air=50在CS4Step2下:PWM_Air=55在狀態(tài)CS5、CS6、CS7下:包括2部分，基本部分PWM0_Air和調整部分PWM1_Air， PWM_Air的范圍為10-100?；静糠钟蓺錃庑枨罅坎逯登蟮?。FLOAT32Interp_PWM0_Air(FLOAT32QAR)PWM0_Air=Interp_PWM0_Air(QAR)表6PWM0_Air--QAR插值表PWM0_Air51631445665697071QAR64190315430520640750845PWM0_Air72757679838894100QAR9401170129014801660188021002150調整部分PWM1_Air計算過程：Q_Air的調整為回差增量式控制回路(控制周期50mS)，回差的下限為QAR，回差上限為在QAR的基礎上增加1個QAR的百分比例α_QAR即QAR(1+α_QAR/100)。以C語言描述：α_QAR=5。PWM1_Air=0.PWM0_Air=Interp_PWM0_Air(QAR);voidFunc_PWM1_Air(void){If(Q_Air>QAR(1+α_QAR/100)){If(PWM_Air>10)PWM1_Air-=ABS(Q_Air-QAR)*100;//100為減增量}If(Q_Air<QAR){If(PWM_Air>10)PWM1_Air+=ABS(Q_Air-QAR)*100;//100為加增量}//PWM1_Air上下限調整if(PWM1_Air>(100–-PWM0_Air))PWM1_Air=(100–-PWM0_Air);If(PWM1_Air<(10–-PWM0_Air))PWM1_Air=(10–-PWM0_Air);}PWM_Air=PWM0_Air+PWM1_Air+;//為PWM1_Air的0位偏置//PWM_Air做10，100的上下限調整If(PWM_Air>100)PWM_Air=100;If(PWM_Air<10)PWM_Air=10在狀態(tài)CS13下:C語言表示If(MinV_Cell>{QARn=120***495=1870(LPM)If(Q_AIR<QARn)PWM_Air+=*50*10=//50為采樣周期(mS)，10為每秒增加量}Else{If(V_Bus>30)PWM_Air=0;If(V_Bus<=30)PWM_Air=25}在除上述狀態(tài)外的狀態(tài)下：PWM_Air=0陽極吹掃（Purge）過程陽極吹掃(置換)過程，是在狀態(tài)CS15下進行。在陽極吹掃過程中，冷卻子系統(tǒng)和空氣子系統(tǒng)都停止運行。進行3次吹掃過程。吹掃過程如下：第1步：吹掃閥關閉，進氣閥打開，進行2秒，在此過程中，若P_H2IN<40psig，則吹掃失敗。第2步：進氣閥關閉，吹掃閥打開，進行58秒。在此過程中，若P_H2IN<10psig在58秒內,則過程結束；若超過58秒，則吹掃失敗。若MinV_Cel>，則運行回流泵。防凍（Freeze）處理過程防凍處理在狀態(tài)CS13下進行，為了在凍冰溫度下停機，防止陰極和陽極出現(xiàn)凍冰。處理過程總進行180秒（3分鐘），氫氣進氣閥、氫氣吹掃閥常開。冷卻子系統(tǒng)關閉。陰極空氣子系統(tǒng)，空壓機控制如下：If(MinV_Cell>{QARn=120***495=1870(LPM)If(Q_AIR<QARn)PWM_Air+=*50*10=}Else{If(V_Bus>30)PWM_Air=0;If(V_Bus<=30)PWM_Air=25}若PWM_Air為100時，Q_Air<600LPM持續(xù)時間到30秒，則產生防凍處理故障，則遷移到FAULT狀態(tài)（CS10），處理失?。蝗羰盏紺AN命令Standby,則遷移到CS2，認為過程成功；過程時間到，則認為過程成功，遷移到CS14。泄漏檢查（LeakCheck）機理泄漏露檢查是指模塊中氫氣子系統(tǒng)的進氣閥、質子膜、吹掃閥的泄漏檢查。泄漏檢查在控制狀態(tài)2和控制狀態(tài)17進行。在CtrStat17下的LeakCheck在此狀態(tài)下做氫氣子系統(tǒng)泄漏檢查時，冷卻子系統(tǒng)和空氣子系統(tǒng)不工作。使用600秒跑表,總定時到時未結束泄漏檢查，則定為失敗，置位LeakCheckFault標志Fault_LeakCheck。按下面步驟進行：第1步：0-5秒將H2進氣閥打開5秒；第2步：5-180秒在此階段，關H2進氣閥，若H2進口壓力P_H2IN<5psig，則定為失敗，置位LeakCheckFault標志Fault_LeakCheck。第3步：180-185秒將H2進氣閥打開5秒。第4步：>185秒在此階段開始，關閉H2進氣閥。若V_Stack<10V或者時間>470秒，則進入第5步。若V_Stack>10V、時間<470秒且P_H2IN<5psig，則進行5秒補氣并采樣P_H2IN。第5步：該階段，單獨計時，5秒內補氣并采樣P_H2IN,120秒后，用當前P_H2IN減去5秒內的采樣值，若差值>36psig,則泄漏檢測失敗;若<=36psig,則泄漏檢查成功。CtrState2下的泄漏檢查若控制狀態(tài)2是從控制狀態(tài)5、6、7、8遷入，則進行泄漏檢查。其方法與CtrState17差不多，只是將第1、2階段合為1個階段了，省掉第1步的進氣。因控制狀態(tài)5，6，7，8中，H2進氣閥一直開著注水入泵（Prime）過程在注水入泵過程中，只開冷卻液泵。狀態(tài)及遷移狀態(tài)定義狀態(tài)的劃分