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(zhǔn)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(shù)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(cè)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(jié)果處理 19 Cell電壓測(cè)算 19 電堆健康度SOH評(píng)估 20 特性曲線電阻段對(duì)健康度的評(píng)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(shè)定值策略 23 空氣流量需求量計(jì)算 24 陽(yáng)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(yáng)極吹掃（Purge）過(guò)程 29 防凍（Freeze）處理過(guò)程 30 泄漏檢查（LeakCheck）機(jī)理 30 在CtrStat17下的LeakCheck 30 CtrState2下的泄漏檢查 31 注水入泵（Prime）過(guò)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(xiàng) 40

控制策略的依據(jù)對(duì)于氫燃料電池，追求的指標(biāo)有：能量密度、額定功率、最大峰值功率（保持有限時(shí)間）、最小穩(wěn)定功率（小于該功率，功率輸出波動(dòng)大，長(zhǎng)時(shí)間小于最小穩(wěn)定功率下工作（包括開(kāi)路），對(duì)電極有損傷））、效率（以氫氣低燃值計(jì)算，凈輸出功率），生命周期、啟動(dòng)時(shí)間（從空閑到額定功率）、停機(jī)時(shí)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(duì)電堆其它指標(biāo)的影響））等。這些指標(biāo)，都反映在氫燃料電池的輸出特性曲線（極化曲線）上。對(duì)氫燃料電池的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)上，就是使輸出特性曲線反映的指標(biāo)最好。影響輸出特性曲線的因素很多，對(duì)于質(zhì)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(yáng)極氫氣的輸入口壓力（本文檔中，所有壓力是指絕對(duì)壓力）、陽(yáng)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(yáng)極和陰極的的壓差、膜的溫度，因流場(chǎng)氣流的影響，流場(chǎng)入口端的濕度低于流場(chǎng)出口端的濕度，出現(xiàn)干端和濕端，影響指標(biāo)，為了平衡濕度，采取入口氣體增濕工藝，陽(yáng)極采用將出口處濕度高的氫氣通過(guò)回流泵直接送回入口，增加陽(yáng)極氣體入口處的濕度。因此氫氣回流泵的流速也算一個(gè)因素。因質(zhì)子交換膜氫燃料電池，在輸出功率時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，為了達(dá)到穩(wěn)定MEA的溫度，就需要將熱量消散掉。因此需要測(cè)試不同電流下的熱量，用于設(shè)計(jì)熱源到冷卻介質(zhì)間的熱阻（工藝設(shè)計(jì)中計(jì)算或測(cè)試）及冷卻流道的工藝參數(shù)。因陽(yáng)極在輸出功率時(shí)，濕度會(huì)逐漸增大，會(huì)產(chǎn)生水以及氫氣純度會(huì)逐漸降低，到一定條件就需要將陽(yáng)極的氫氣置換（吹掃）一次。對(duì)于電堆，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，繪制各個(gè)因素組合下的輸出特性曲線。根據(jù)這些測(cè)繪出的輸出特性曲線，綜合出各個(gè)指標(biāo)。根據(jù)指標(biāo)，在輸出特性曲線中，確定一個(gè)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(gè)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(shù)規(guī)范（即電堆生產(chǎn)廠的《電堆集成手冊(cè)》）。根據(jù)《電堆集成手冊(cè)》，設(shè)計(jì)電堆模塊，根據(jù)電堆模塊的工藝，形成《模塊手冊(cè)》。根據(jù)《模塊手冊(cè)》設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)工藝。最終形成《系統(tǒng)工藝流程圖》（P&ID）。對(duì)于應(yīng)用還需要《應(yīng)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(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(shè)定值策略，工作模式（CRM和CDR）策略，陽(yáng)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(yáng)極氫氣吹掃（Purge）過(guò)程，防凍（Freeze）處理過(guò)程，泄露檢查（LeakCheck）過(guò)程、注水入泵（Prime）過(guò)程，冷啟動(dòng)過(guò)程，狀態(tài)及遷移，CAN通訊協(xié)議。P&ID1、陽(yáng)極氫氣子系統(tǒng)控制涉及的項(xiàng)：氫氣進(jìn)氣閥控制開(kāi)關(guān)（S_H2Inlet）、氫氣進(jìn)氣閥后的壓力（P_H2Inlet）、氫氣回流泵的運(yùn)行控制開(kāi)關(guān)（EN_H2RecirPump）、氫氣回流泵的轉(zhuǎn)速（n_H2RecirPump）、氫氣回流泵驅(qū)動(dòng)器PWM（PWM_H2RecirPump）,氫氣回流泵驅(qū)動(dòng)器中的1個(gè)測(cè)量量（V_H2RecirPump）、氫氣吹掃閥控制總開(kāi)關(guān)（S_H2Purge）、氫氣前吹掃閥控制開(kāi)關(guān)（S_H2FrontPurge）、氫氣后吹掃閥控制開(kāi)關(guān)（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(xiàng)：空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)器PWM（PWM_AirBlower）、空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速（n_AirBlower）、空氣流量（Q_Air）。3、冷卻子系統(tǒng)控制涉及的項(xiàng)：冷卻液出口溫度（T_CoolantOutlet）、冷卻液泵運(yùn)行控制開(kāi)關(guān)（EN_CoolantPump）、冷卻液泵驅(qū)動(dòng)器PWM（PWM_CoolantPump）散熱器風(fēng)扇運(yùn)行控制開(kāi)關(guān)（EN_RadiatorFan）、散熱器風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器（PWM_RadiatorFan）。4、電氣子系統(tǒng)控制涉及的項(xiàng)：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(hào)（No_MinV_Cell，0-119，0號(hào)在前端）、電堆單節(jié)最大電壓（MaxV_Cell）、最大電壓的節(jié)號(hào)（No_MaxV_Cell，0-119，0號(hào)在前端）、電堆單節(jié)平均電壓（AvgV_Cell）、電堆計(jì)算的電壓（V_Stack）、總線電壓（V_Bus）、總線電流（I_Bus）、總線輸出開(kāi)關(guān)（EN_Bus）。5、控制接口涉及的項(xiàng)：燃料電池模塊使能開(kāi)關(guān)（EN_FC）、運(yùn)行開(kāi)關(guān)（S_Run）、CAN總線。模塊技術(shù)規(guī)范額定功率（Pn）：31kW工作電流（I）：0-500A額定電流（In）：495A起動(dòng)時(shí)間（t_Startup）：≤20S停止時(shí)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(nèi)部溫度（MaxT_FCPM）:55℃相對(duì)濕度（RH）：≤95%海拔（AT）：0–1600m水平傾角（θ）：±30°陽(yáng)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(cè)策略ALARM和FAULT判定規(guī)則(S3EDAE3)字節(jié)位類型持續(xù)時(shí)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(shí)間內(nèi)未接收到1C0或1C0+ID命令06FAULT100非1，10InternalSys.E-stopE-STOP開(kāi)關(guān)10FAULT10017H2SubsystemLeakCheckFault10FAULT1002H2SubsystemLeakCheckFault11FAULT10013FreezeFault12FAULT50005,6,7單機(jī)工作時(shí)冷卻液水位開(kāi)關(guān)為低液位12FAULT300003,4單機(jī)啟動(dòng)時(shí)冷卻液水位開(kāi)關(guān)為低液位14FAULT10015Purgefault15FAULT1000非1,5,6,7,10I_Bus>50A16FAULT100非1,10氫氣進(jìn)氣閥打開(kāi)2秒后，P_H2IN>150PSI（）17FAULT1000非1,10,13,15,17氫氣進(jìn)氣閥打開(kāi)2秒后，P_H2IN<40PSI（）17FAULT300013氫氣進(jìn)氣閥打開(kāi)2秒后，P_H2IN<40PSI17FAULT10015氫氣進(jìn)氣閥打開(kāi)2秒后，P_H2IN<40PSI41ALARM1000非1,10,Q_Air<=0||Q_Air>3000(LPM)42ALARM1000非10，單機(jī)工作時(shí)，F(xiàn)C總線電流傳感器輸出電壓<或>42ALARM1000非1,10多機(jī)工作時(shí)的主機(jī)（1號(hào)機(jī)），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(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)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(jī)工作時(shí)，冷卻液水位低53ALARM5005,6,7,11多機(jī)工作時(shí)，冷卻液水位低53ALARM300003,4多機(jī)工作時(shí)，冷卻液水位低53ALARM1500019多機(jī)工作時(shí)，冷卻液水位低54ALARM3000005,6,7I_Bus<15（A）55ALARM1003Cell巡檢通斷有新斷路錯(cuò)誤56ALARM100非10,參數(shù)存貯表1，6全錯(cuò)參數(shù)存貯表2，7全錯(cuò)參數(shù)存貯表3，8全錯(cuò)上次的參數(shù)存貯表2，7全錯(cuò)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(fù)載電流以一定的斜率上升或下降。CDR模式，電流請(qǐng)求模式，是指在CDA 限制下，負(fù)載電流通過(guò)通訊或模擬信號(hào)提供給FC控制器CDR值。電堆冷卻液出口溫度設(shè)定值(TCSP)策略空氣流量需求量(QAR)計(jì)算空氣流量需求QAR基本計(jì)算公式QAR=120××α_Air×I_Bus注：120 為電堆的總Cell數(shù)，為單個(gè)Cell在I_Bus為1A時(shí)，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(guò)?？諝庀禂?shù)的處理進(jìn)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(gè)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(shí)間未到10秒，則QAR=120××α_Air×(I_Bus+30)I_Bus的200mS增量≤8A持續(xù)時(shí)間達(dá)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(jié)果小于50，則結(jié)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(shí)間未到60秒，則QAR=120××α_Air×(CDR×若CDR>(I_Bus+10)持續(xù)時(shí)間到60秒后，則QAR=120××α_Air×(I_Bus×3、最小值處理QAR結(jié)果小于50，則結(jié)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(jì)算A、在狀態(tài)CS5下的處理α_Air=α_Air_CRM在多機(jī)工作模式下：CDA=30+Q_Air/（120××α_Air）在單機(jī)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(shí)的I_Bus(I_Bus_56)≤30ACDA=5A2、從CS5或CS6遷入CS7時(shí)的I_Bus(I_Bus_56)>30ACDA=I_Bus_56–(t*5/400)陽(yáng)極氫氣循環(huán)回路控制策略陽(yáng)極氫氣吹掃閥控制策略在狀態(tài)CS15，隨氫氣進(jìn)氣閥相反動(dòng)作在狀態(tài)3，第1、2階段開(kāi)1秒關(guān)秒，第3階段開(kāi)1秒關(guān)1秒在狀態(tài)5，開(kāi)2秒，關(guān)時(shí)間先根據(jù)額定電流比插值基本時(shí)間，再根據(jù)氫氣回流泵的參數(shù)作調(diào)整。表6t_PurgeOff--α_In插值表t_PurgeOff6553565535450003000022500α_Int_PurgeOff1800015000128751125010000α_In在狀態(tài)7下，開(kāi)2秒關(guān)5秒在狀態(tài)8、13下，常開(kāi)。其他狀態(tài)下，常關(guān)。陰極空氣傳輸回路控制策略陰極空壓機(jī)沒(méi)有運(yùn)行控制開(kāi)關(guān)信號(hào)，只有PWM控制信號(hào)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(diào)整部分PWM1_Air， PWM_Air的范圍為10-100。基本部分由氫氣需求量插值求得。FLOAT32Interp_PWM0_Air(FLOAT32QAR)PWM0_Air=Interp_PWM0_Air(QAR)表6PWM0_Air--QAR插值表PWM0_Air51631445665697071QAR64190315430520640750845PWM0_Air72757679838894100QAR9401170129014801660188021002150調(diào)整部分PWM1_Air計(jì)算過(guò)程：Q_Air的調(diào)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(chǔ)上增加1個(gè)QAR的百分比例α_QAR即QAR(1+α_QAR/100)。以C語(yǔ)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(diào)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(diào)整If(PWM_Air>100)PWM_Air=100;If(PWM_Air<10)PWM_Air=10在狀態(tài)CS13下:C語(yǔ)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(yáng)極吹掃（Purge）過(guò)程陽(yáng)極吹掃(置換)過(guò)程，是在狀態(tài)CS15下進(jìn)行。在陽(yáng)極吹掃過(guò)程中，冷卻子系統(tǒng)和空氣子系統(tǒng)都停止運(yùn)行。進(jìn)行3次吹掃過(guò)程。吹掃過(guò)程如下：第1步：吹掃閥關(guān)閉，進(jìn)氣閥打開(kāi)，進(jìn)行2秒，在此過(guò)程中，若P_H2IN<40psig，則吹掃失敗。第2步：進(jìn)氣閥關(guān)閉，吹掃閥打開(kāi)，進(jìn)行58秒。在此過(guò)程中，若P_H2IN<10psig在58秒內(nèi),則過(guò)程結(jié)束；若超過(guò)58秒，則吹掃失敗。若MinV_Cel>，則運(yùn)行回流泵。防凍（Freeze）處理過(guò)程防凍處理在狀態(tài)CS13下進(jìn)行，為了在凍冰溫度下停機(jī)，防止陰極和陽(yáng)極出現(xiàn)凍冰。處理過(guò)程總進(jìn)行180秒（3分鐘），氫氣進(jìn)氣閥、氫氣吹掃閥常開(kāi)。冷卻子系統(tǒng)關(guān)閉。陰極空氣子系統(tǒng)，空壓機(jī)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(shí)，Q_Air<600LPM持續(xù)時(shí)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?。蝗羰盏紺AN命令Standby,則遷移到CS2，認(rèn)為過(guò)程成功；過(guò)程時(shí)間到，則認(rèn)為過(guò)程成功，遷移到CS14。泄漏檢查（LeakCheck）機(jī)理泄漏露檢查是指模塊中氫氣子系統(tǒng)的進(jìn)氣閥、質(zhì)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(jìn)行。在CtrStat17下的LeakCheck在此狀態(tài)下做氫氣子系統(tǒng)泄漏檢查時(shí)，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(shí)到時(shí)未結(jié)束泄漏檢查，則定為失敗，置位LeakCheckFault標(biāo)志Fault_LeakCheck。按下面步驟進(jìn)行：第1步：0-5秒將H2進(jìn)氣閥打開(kāi)5秒；第2步：5-180秒在此階段，關(guān)H2進(jìn)氣閥，若H2進(jìn)口壓力P_H2IN<5psig，則定為失敗，置位LeakCheckFault標(biāo)志Fault_LeakCheck。第3步：180-185秒將H2進(jìn)氣閥打開(kāi)5秒。第4步：>185秒在此階段開(kāi)始，關(guān)閉H2進(jìn)氣閥。若V_Stack<10V或者時(shí)間>470秒，則進(jìn)入第5步。若V_Stack>10V、時(shí)間<470秒且P_H2IN<5psig，則進(jìn)行5秒補(bǔ)氣并采樣P_H2IN。第5步：該階段，單獨(dú)計(jì)時(shí)，5秒內(nèi)補(bǔ)氣并采樣P_H2IN,120秒后，用當(dāng)前P_H2IN減去5秒內(nèi)的采樣值，若差值>36psig,則泄漏檢測(cè)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(jìn)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(gè)階段了，省掉第1步的進(jìn)氣。因控制狀態(tài)5，6，7，8中，H2進(jìn)氣閥一直開(kāi)著注水入泵（Prime）過(guò)程在注水入泵過(guò)程中，只開(kāi)冷卻液泵。狀態(tài)及遷移狀態(tài)定義狀態(tài)的劃分