(完整)氫燃料電池控制策略

1、目錄30KW車用氫燃料電池控制策略錯誤!未定義書簽。目錄11 控制策略的依據(jù)32 30KW車用氫燃料電池控制策略42。1P&ID42.2模塊技術規(guī)范52。3用戶接口錯誤!未定義書簽。2。4系統(tǒng)量定義72。5電堆電芯（CELL）電壓輪詢檢測策略92.5。1Cell巡檢通道斷線診斷處理錯誤!未定義書簽。2。5。2Cell巡檢通道斷線診斷結果處理錯誤!未定義書簽。2.6Cell電壓測算錯誤!未定義書簽。2。7電堆健康度SOH評估錯誤!未定義書簽。2。7。1特性曲線電阻段對健康度的評估方法錯誤!未定義書簽。2.8ALARM和FAULT判定規(guī)則92。9工作模式（CRM和CDR）策略102。10電

2、堆冷卻液出口溫度設定值策略102.11空氣流量需求量計算102.12 陽極氫氣循環(huán)回路控制策略錯誤!未定義書簽。2.13 陰極空氣傳輸回路控制策略132.14 冷卻液傳輸回路控制策略錯誤!未定義書簽。2。15陽極吹掃（Purge）過程162。16防凍（Freeze）處理過程162。17泄漏檢查（LeakCheck）機理172。17.1在CtrStat17下的LeakCheck172.17.2 CtrState2下的泄漏檢查182.18 注水入泵（Prime）過程182.19 狀態(tài)及遷移182.19.1狀態(tài)定義182.19.2 狀態(tài)遷移圖192.19。3狀態(tài)功能202.19.4遷移條件錯誤!未定

3、義書簽。2。20CAN通訊協(xié)議。錯誤!未定義書簽。3未確定事項錯誤!未定義書簽。11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

4、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(chǎn)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

5、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(chǎn)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(完整)氫燃料電池控制策略安全穩(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(chǎn)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)

6、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)。2氫燃料電池控制策略控制策略內(nèi)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。2.1P&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_H2lnlet)

7、、氫氣進氣閥后的壓力(P_H2lnlet)、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(0_FB)、模塊左右向水平傾斜角(0_LR)o2、陰極空氣子系統(tǒng)控制涉及的項:(完整)氫燃料電池控制策略空壓機驅動器PWM(PWM_AirBlower)、空壓

8、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_Ce

9、ll,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(l_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。2.2模塊技術規(guī)范額定功率(Pn)：31kW工作電流(I):0500A額定電流(In):495A起動時間(t_Startup):W20S停止時間(t_Shutdown):W5S氫氣氣源壓力(P_H2Supply):653928kPa電堆工作壓力(P_StackOp):W120kPa（完整）氫燃料電池控制策略氫氣最大流量(

10、MaxQ_H2):W500LPM氫氣溫度(T_H2)：-10-46°C空氣流量(Q_Air):W2500LPM空氣溫度(T_Air):-10-46C存貯溫度(T_Storage):-40-65C最小濕件溫度(MinT_WettedComp):2C最大燃料電池模塊內(nèi)部溫度(MaxT_FCPM):55C相對濕度(RH)：W95%海拔(AT):0-1600m水平傾角(0):±30°陽極收集水量(Vol_AnodeWater):W48mL/min陰極收集水量(Vol_CathodeWater):W64mL/min熱功率(p_Heater):W52kW冷卻液出口溫度(T_C

11、oolantOutlet):50-70C冷卻液流量(Q_Coolant):$75LPM冷卻液最大壓力降(MaxDropP_Coolant):W35kPa最大冷卻液入口壓力(MaxP_Coolantlnlet):W170kPaCAN總線：CAN2。0A/BPassive(Standard11bit)BPS250kb/s2.3系統(tǒng)量定義2.4電堆電芯(CELL)電壓輪詢檢測策略25ALARM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00FAULT5005,6,7,8,9CellLowVoltageMinVCell0。1V00FAULT5008,9C

12、ellLowVoltageMinVCell<0.5V01FAULT1000非1,2,10,11CoolantHighTemp。TCoolant>80°C04FAULT100非1,2,10Heartbeat在心跳時間內(nèi)未接收到1C0或1C0+ID命令06FAULT100非1,10InternalSys.E-stopESTOP開關10FAULT10017H2SubsystemLeakCheckFauIt10FAULT1002H2SubsystemLeakCheckFauIt11FAULT10013FreezeFauIt12FAULT50005,6,7單機工作時冷卻液水位開關為

13、低液位12FAULT300003,4單機啟動時冷卻液水位開關為低液位14FAULT10015PurgefauIt15FAULT1000非1,5,6,7,10lBus50A16FAULT100非1,10氫氣進氣閥打開2秒后，PH2IN150PSI(1032.4KPa)17FAULT1000非1,10,13,15,17氫氣進氣閥打開2秒后，P_H2IN40PSI(275。8KPa)17FAULT300013氫氣進氣閥打開2秒后，PH2IN40PSI17FAULT10015氫氣進氣閥打開2秒后，P_H2IN40PSI41ALARM1000非1,10,QAir<=0|QAir>3000(L

14、PM)42ALARM1000非10,單機工作時，F(xiàn)C總線電流傳感器輸出電壓0。25或4。7542ALARM1000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0。25或4.75(A)43ALARM1000非1,10冷卻液出口溫度一50或100(C)44ALARM10005,6,7WFC>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(C)51ALARM100005,6,7VStack60(V)52ALARM1007153ALARM1500011,1

15、9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54ALARM3000005,6,7IBus<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26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

16、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.27電堆冷卻液出口溫度設定值（TCSP）策略28空氣流量需求量（QAR）計算空氣流量需求QAR基本計算公式QAR二120X0.01657Xa_AirXI_Bus注：120為電堆的總Cell數(shù),0。01657為單個CelI在l_Bus為1A時，1分鐘需要消耗的理論空氣體積量（升）.a_Air是a_ln的函數(shù)，該函數(shù)為多段線性插值FL0AT32Interp_a_Air（FL0AT32a_ln）表5a_Aira_ln插值表aAir2.72.52。32.32.22。22。02.02。01。

17、9aln0。00。10.20.30。40.50。60。70.80。9a_Air_CRM二Interp_a_Air(l_Bus/ln_Bus)a_Air_CDR二Interp_a_Air(CDR/In_Bus)A、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：a_Air二a_Air_CRM30秒后，先缺省a_Air二a_Air_CRM,在某個持續(xù)20秒的事件發(fā)生后，a_Air二a_Air_CRM+0。82、CRM工作模式I_Bus的200mS增量8A或W8A持續(xù)時間未到10秒，則QAR二120X0.01657Xa_AirX(I_Bus+30)I_Bus的200mS增

18、量W8A持續(xù)時間達10秒后，則QAR二120X0.01657Xa_AirX(I_Bus+10)3、CDR工作模式I_Bus的200mS增量10A，則QAR二120X0.01657Xa_AirX(I_BusX1.2)I_Bus的200mS增量W10A,則QAR二120X0。01657Xa_AirXI_Bus4、最小值處理QAR結果小于50,則結果值為50。B、在狀態(tài)CS6(CDR)下的處理a_Air=a_Air_CDR1、l_BusCDRQAR二120X0。01657Xa_AirX(I_BusX1。3)2、I_BusWCDR若CDRW(I_Bus+10)或CDR>(I_Bus+10)持續(xù)時

19、間未到60秒，則QAR二120X0.01657Xa_AirX(CDRX1.2)若CDR>(l_Bus+10)持續(xù)時間到60秒后，則QAR二120X0.01657Xa_AirX(I_BusX1。2)3、最小值處理QAR結果小于50,則結果值為50。C、在狀態(tài)CS7下的處理a_Air二a_Air_CRM1、從CS6遷入QAR二120X0。01657Xa_AirX(CDRX1.5)2、從CS5遷入QAR二120X0.01657Xa_AirX(I_BusX1。5)29CDA計算A、在狀態(tài)CS5下的處理a_Air=a_Air_CRM在多機工作模式下:CDA二30+Q_Air/(120X0.0165

20、7Xa_Air)在單機工作模式下:CDA二30+Q_Air/(120X0.01657Xa_Air)B、在狀態(tài)CS6下的處理a_Air=a_Air_CDRCDA二30+Q_Air/(120X0.01657Xa_Air)D、在狀態(tài)CS7下的處理1、從CS5或CS6遷入CS7時的I_Bus(l_Bus_56)W30ACDA=5A2、從CS5或CS6遷入CS7時的l_Bus(l_Bus_56)30ACDA二I_Bus_56-(t*5/400)2.10陽極氫氣循環(huán)回路控制策略（完整）氫燃料電池控制策略211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0.5秒，

21、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(diào)整。表6t_Purge0ffa_In插值表tPurgeOff6553565535450003000022500aIn0。00.10.20。30.4tPurgeOff1800015000128751125010000aIn0。50.60。70.80.9t_PurgeOff-a_ln插值7000050000400003000020000L00QD0.40.6aInSeriesl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。212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

22、號，只有PWM控制信號PWM_Air.在狀態(tài)CS3Step2下:lf(V_Bus>30.0V)PWM_Air=0lf(V_Bus二30。0V)PWM_Air=25在CS3Step3、CS8、CS9下：QARn二120*0.01657*1.9*495二1870(LPM)lf(Q_AIR<QARn)PWM+=0.001*50*10=0。5;在CS4Step1下PWM_Air=50在CS4Step2下:PWM_Air=55在狀態(tài)CS5、CS6、CS7下：PWM_Air的范圍為10包括2部分，基本部分PWM0_Air和調(diào)整部分PWM1_Air,100?；静糠钟蓺錃庑枨罅坎逯登蟮谩LOA

23、T32Interp_PWM0_Air(FL0AT32QAR)PWM0_Air=lnterp_PWM0_Air(QAR)表6PWM0_Air一-QAR插值表ooo&0864rd上電0S弓do25001000150020002500QARPWM0Air51631445665697071QAR0.064190315430520640750845PWM0Air72757679838894100QAR9401170129014801660188021002150PWMO_Air-QAR插值調(diào)整部分PWM1_Air計算過程:(完整)氫燃料電池控制策略Q_Air的調(diào)整為回差增量式控制回路(控制周期5

24、0mS)，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a_QAR即QAR(1+a_QAR/100)。以C語言描述：a_QAR二5。PWM1_Air二0。PWM0_Air=Interp_PWM0_Air(QAR)；voidFunc_PWM1_Air(void)If(Q_Air>QAR(1+a_QAR/100)If(PWM_Air10)PWM1_Air=ABS(Q_AirQAR)0.01/100；/0.01/100為減增量If(Q_AirQAR)If(PWM_Air10)PWM1_Air+=ABS(Q_Air一QAR)*0。1/100;/0。1/100為加增量/PW

25、M1_Air上下限調(diào)整if(PWM1_Air>(100-0。0PWM0_Air)PWM1_Air二(100-0。0-PWM0_Air);If(PWM1_Air(10-0。0PWM0_Air)PWM1_Air二(10-0.0PWM0_Air);PWM_Air=PWM0_Air+PWM1_Air+0。0；/0.0為PWM1_Air的0位偏置/PWM_Air做10,100的上下限調(diào)整If(PWM_Air100)PWM_Air=100；If(PWM_Air<10)PWM_Air=10在狀態(tài)CS13下：C語言表示If(MinV_Cell0.6V)(完整)氫燃料電池控制策略QARn=1200。

26、01657*1。9495=1870(LPM)If(Q_AIRQARn)PWM_Air+=0。0015010=0.5/50為采樣周期(mS),10為每秒增加量ElseIf(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=0213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

27、開，進行58秒。在此過程中，若P_H2IN<10psig在58秒內(nèi)，則過程結束；若超過58秒，則吹掃失敗。若MinV_Cel0。3V，則運行回流泵。214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。（完整）氫燃料電池控制策略陰極空氣子系統(tǒng),空壓機控制如下：If(MinV_Cell0。6V)QARn=120*0.01657*1.9495=1870(LPM)If(Q_AIR<QARn)PWM_Air+=0。0015010=0.5ElseIf(V_Bu

28、s30)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(chǎn)生防凍處理故障,則遷移到FAULT狀態(tài)(CS10)，處理失??；若收到CAN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。215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.2.151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

29、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:5180秒在此階段，關H2進氣閥，若H2進口壓力P_H2IN5psig，則定為失敗，置位LeakCheckFault標志Fault_LeakCheck。第3步：180185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_Stack10V或者時間470秒，則進入第5步。若V_Stack10V、時間470秒且P_H2IN5psig，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(nèi)補

30、氣并采樣P_H2IN,120秒后，用當前P_H2IN減去5秒內(nèi)的采樣值,若差值36psig，則泄漏檢測失敗；若=36psig，則泄漏檢查成功。2152CtrState2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216注水入泵（Prime）過程在注水入泵過程中，只開冷卻液泵。2.17狀態(tài)及遷移2171狀態(tài)定義狀態(tài)的劃分和定義，根據(jù)在系統(tǒng)中的作用不同分為3級（完整）氫燃料電池控制策略第一級為系統(tǒng)狀態(tài)（SysState,簡稱SS），從總體

31、功能上向用戶（Customer）描述系統(tǒng)的簡略工作狀態(tài)。第二級為控制狀態(tài)（CtrState,簡稱CS），即該系統(tǒng)的實際狀態(tài)，用于系統(tǒng)功能的詳細定義和工作狀態(tài)。第三級為第二級的過程狀態(tài)，用于描繪第二級狀態(tài)的不同階段（Step）。表4狀態(tài)定義表SysStateCtrStateStep值定義值定義值定義0PowerOn0PowerOn1Standby122Startup31234123Run5RUNCRM6RUNCDR7RUNSOH14Shutdown895Fault1012秒定時26CoolDown117CoolDownComplete128Freeze139FreezeComplete1410(A)Purge1511(B)PurgeComplete1612(C)LeakCheck1713(D)LeakCheckComplete