氫燃料電池控制策略分析

目錄30KW車用氫燃電池控制策錯誤！未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"目錄1\o"CurrentDocument"控制策的依據(jù)330KW車用氫燃電池控制策4\o"CurrentDocument"P&ID5模塊技術(shù)規(guī)范6用戶接口錯誤！未定義書簽。系統(tǒng)定義8電堆電芯(CELL)電壓輪詢檢測策10Cell巡檢通道斷線診斷處錯誤！未定義書簽。Cell巡檢通道斷線診斷結(jié)果處...錯誤！未定義書簽。Cell電壓測算錯誤！未定義書簽。電堆健康SOH評估錯誤！未定義書簽。特性曲線電阻段對健康的評估方法錯誤！未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\zALARM和FAULT判定規(guī)則10\o"CurrentDocument"工作模式(CRM和CDR)策11電堆卻液出口溫設(shè)定直策11空氣需求計算11陽極氫氣循環(huán)回控制策錯誤！未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z陰極空氣傳輸回控制策15卻液傳輸回控制策錯誤！未定義書簽。陽極吹掃（Purge）過程17\o"CurrentDocument"防凍（Freeze）處過程18\o"CurrentDocument"泄檢查（LeakCheck）機18\o"CurrentDocument"在CtrStat17下的LeakCheck19\o"CurrentDocument"CtrState2下的泄檢查19\o"CurrentDocument"注水入泵（Prime）過程20狀態(tài)及遷移20狀態(tài)定義20狀態(tài)遷移圖21\o"CurrentDocument"狀態(tài)功能23遷移條件錯誤！未定義書簽。CAN通訊協(xié)議。錯誤！未定義書簽。3未確定事頊錯誤！未定義書簽。1控制策的依據(jù)對于氫燃電池，追求的指標有：能密、額定功、最大峰值功（保持有限時間）、最小穩(wěn)定功（小于該功，功輸出波動大，長時間小于最小穩(wěn)定功下工作（包括開）對電極有損傷））、效（以氫氣低燃值計算，凈輸出功），生命周期、啟動時間（以空閑到額定功）、停機時間、環(huán)境要求（工作溫、存貯溫、濕，、海拔（主要是大氣壓和密變化對電堆其它指標的影響））等。這些指標，反映在氫燃電池的輸出特性曲線（極化曲線）上。對氫燃電池的設(shè)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(zhì)子交換膜氫燃電池，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（本文檔中，所有壓是指絕對壓）、陽極中氫氣的濕，陰極空氣的壓和速、陰極空氣的濕，陽極和陰極的的壓差、膜的溫，因場氣的影響，場入口端的濕低于場出口端的濕，出現(xiàn)干端和濕端影響指標為平衡濕，采取入口氣體增濕工藝，陽極采用將出口處濕，高的氫氣通過回泵直接送回入口，增加陽極氣體入口處的,。因此氫氣回泵的速也算一個因素。因質(zhì)子交換膜氫燃電池，在輸出功時會產(chǎn)生熱，為達到穩(wěn)定MEA的溫，就需要將熱消散掉。因此需要測試同電下的熱，用于設(shè)計熱源到卻介節(jié)間的熱阻（工藝設(shè)計中計算或測試）及卻道的工藝參數(shù)。因陽極在輸出功時，,會逐漸增大，會產(chǎn)生水以及氫氣純會逐漸低，到-定條件就需要將陽極的氫氣置換（吹掃）-或。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-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》）。根據(jù)《電堆集成手冊》，設(shè)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(shè)計輔助系統(tǒng)工藝。最終形成《系統(tǒng)工藝程圖》（P&ID）。對于應(yīng)用還需要《應(yīng)用需求》。以上資源是控制策的依據(jù)。2氫燃電池控制策控制策內(nèi)容包括：系統(tǒng)定義，ALARM和FAULT判定規(guī)則，節(jié)電壓巡檢處策，電堆卻液出口溫設(shè)定直策，工作模式（CRM和CDR）策，陽極氫氣循環(huán)回控制策，陰極空氣傳輸回控制策，卻液傳輸回控制策，陽極氫氣吹掃（Purge）過程，防凍（Freeze）處過程，泄檢查（LeakCheck）過程、江水入泵（Prime）過程，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)控制涉及的頊：氫氣進氣閥控制開關(guān)(S_H2Inlet)、氫氣進氣閥后的壓(P_H2Inlet)、氫氣回泵的運控制開關(guān)(EN_H2RecirPump)、氫氣回泵的轉(zhuǎn)速(n_H2RecirPump)、氫氣回泵驅(qū)動器PWM(PWM_H2RecirPump),氫氣回泵驅(qū)動器中的1個測(V_H2RecirPump)、氫氣吹掃閥控制總開關(guān)(S_H2Purge)、氫氣前吹掃閥控制開關(guān)(S_H2FrontPurge)、氫氣后吹掃閥控制開關(guān)(S_H2BackPurge)、模塊前后向水平傾斜角(O_FB)、模塊左右向水平傾斜角(O_LR)。2、陰極空氣子系統(tǒng)控制涉及的頊：空壓機七驅(qū)動器PWM(PWM_AirBlower)、空壓機七的轉(zhuǎn)速(n_AirBlower)、空氣(Q_Air)。3、卻子系統(tǒng)控制涉及的頊：卻液出口溫(T_CoolantOutlet)、卻液泵運控制開關(guān)(EN_CoolantPump)、卻液泵驅(qū)動器PWM(PWM_CoolantPump)散熱器風扇運控制開關(guān)(EN_RadiatorFan)、散熱器風扇驅(qū)動器(PWM_RadiatorFan)。4、電氣子系統(tǒng)控制涉及的頊：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（I_Bus）、總線輸出開關(guān)（EN_Bus）。5、控制接口涉及的頊：燃電池模塊使能開關(guān)（EN_FC）、運開關(guān)（S_Run）、CAN總線。2.2模塊技術(shù)規(guī)范額定功（Pn）：31kW工作電（I）：0-500A額定電（In）:495A起動時間（t_Startup）：W20S停止時間（t_Shutdown）：W5S氫氣氣源壓（P_H2Supply）:653-928kPa電堆工作壓（P_StackOp）:W120kPa氫氣最大（MaxQ_H2）:W500LPM氫氣溫（T_H2）:-10-46°C空氣（Q_Air）:W2500LPM空氣溫（T_Air）:-10-46C存貯溫（T_Storage）:-40-65C最小、濕件溫（MinT_WettedComp）:2C最大燃電池模塊內(nèi)部溫（MaxT_FCPM）:55C相對濕’(RH)：W95%海拔(AT):0-1600m水平傾角(。)：±30陽極收集水(Vol_AnodeWater)：W48mL/min陰極收集水(Vol_CathodeWater)：W64mL/min熱功(P_Heater):W52kW卻液出口溫(T_CoolantOutlet):50-70°C卻液(Q_Coolant):N75LPM卻液最大壓(MaxDropP_Coolant):W35kPa最大卻液入口壓(MaxP_CoolantInlet):W170kPaCAN總線：CAN2.0A/BPassive(Standard11bit)BPS250kb/s2.3系統(tǒng)量定義word整理版word整理版

2.4電堆電K(CELL)電壓輪詢檢測策2.5ALARM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<0.1V00FAULT5008,9CellLowVoltageMinV_Cell<0.5V01FAULT1000非1,2,10,11CoolantHighTemp.T_Coolant>80°C04FAULT100非1,2,10Heartbeat在心跳時間內(nèi)未接收到1C0或1C0+ID命06FAULT100非1，10InternalSys.E-stopE-STOP開關(guān)10FAULT10017H2SubsystemLeakCheckFault10FAULT1002H2SubsystemLeakCheckFault11FAULT10013FreezeFault12FAULT50005,6,7單機工作時卻液水位開關(guān)為低液位12FAULT300003,4單機啟動時卻液水位開關(guān)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(1032.4KPa)17FAULT1000非1,10,13,15,17氫氣進氣閥打開2秒后，P_H2IN<40PSI(275.8KPa)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總線電傳感器輸出電壓<0.25或>4.75(A)43ALARM1000非1,10卻液出口溫<-50或>100(C)44ALARM10005,6,7W_FC>33000(W)47ALARM150005,6,7,13氫氣回泵運時，轉(zhuǎn)速<300(RPM)(10/2Hz)50ALARM10000非1,11,10卻液出口溫>75(C)51ALARM100005,6,7V_Stack<60(V)52ALARM1007153ALARM1500011,19單機工作時，卻液水位低53ALARM5005,6,7,11多機工作時，卻液水位低53ALARM300003,4多機工作時，卻液水位低53ALARM1500019多機工作時，卻液水位低54ALARM3000005,6,7I_Bus<15(A)55ALARM1003Cell巡檢通斷有新斷錯誤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2.6工作模式(CRM和CDR)策工作模式分為CRM(CurrentRampMode)和CDR(CurrentDrawRequest)。CRM模式，電斜坡模式，是并負載電以一定的斜上升或下。CDR模式，電請求模式，是并在CDA限制下，負載電通過通訊或模擬信號提供給FC控制器CDR直。2.7電堆卻液出口溫設(shè)定值(TCSP)策2.8空氣需求(QAR)計算生氣需求QAR基本計章公式QAR=120x0.01657xa_AirxI_Bus注：120為電堆的總Cell數(shù)，0.01657為單個Cell在I_Bus為1A時，1分鐘需要消耗的論生氣體積(力)。a_Air是a_In的函數(shù)，該函數(shù)為多段線性插值FLOAT32Interp_a_Air(FLOAT32a_In)表5a_Air--a_In插值表a_Air2.72.52.32.32.22.22.02.02.01.9a_In0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9a_Air_CRM=Interp_a_Air(I_Bus/In_Bus)a_Air_CDR=Interp_a_Air(CDR/In_Bus)A、在狀態(tài)CS5(CRM)下的處1、過?？諝庀禂?shù)的處進入CS5狀態(tài)頭30秒：a_Air=a_Air_CRM30秒后，先缺a_Air=a_Air_CRM，在某個持續(xù)20秒的事件發(fā)生后，a_Air=a_Air_CRM+0.82、CRM工作模式I_Bus的200mS增>8A或W8A持續(xù)時間未到10秒，則QAR=120x0.01657xa_Airx(I_Bus+30)I_Bus的200mS增W8A持續(xù)時間達10秒后，則QAR=120x0.01657xa_Airx(I_Bus+10)3、CDR工作模式I_Bus的200mS增>10A，則QAR=120x0.01657xa_Airx(I_Busx1.2)I_Bus的200mS增W10A,則QAR=120x0.01657xa_AirxI_Bus4、最小直處QAR結(jié)果小于50，則結(jié)果值為50。B、在狀態(tài)CS6(CDR)下的處a_Air=a_Air_CDR1、I_Bus>CDRQAR=120x0.01657xa_Airx(I_Busx1.3)2、I_BusWCDRCDRW(I_Bus+10)或CDR>(I_Bus+10)持續(xù)時間未到60秒，叫QAR=120x0.01657xa_Airx(CDRx1.2)CDR>(I_Bus+10)持續(xù)時間到60秒后，叫QAR=120x0.01657xa_Airx(I_Busx1.2)3、最小直處QAR結(jié)果小于50，則結(jié)果直為50。C、在狀態(tài)CS7下的處a_Air=a_Air_CRM1、以CS6遷入QAR=120x0.01657xa_Airx(CDRx1.5)2、以CS5遷入QAR=120x0.01657xa_Airx(I_Busx1.5)2.9CDA計算A、在狀態(tài)CS5下的處a_Air=a_Air_CRM在多機工作模式下：CDA=30+Q_Air/(120x0.01657xa_Air)在單機工作模式下：CDA=30+Q_Air/(120x0.01657xa_Air)B、在狀態(tài)CS6下的處a_Air=a_Air_CDRCDA=30+Q_Air/(120x0.01657xa_Air)D、在狀態(tài)CS7下的處1、以CS5或CS6遷入CS7時的I_Bus(I_Bus_56)W30ACDA=5A2、以CS5或CS6遷入CS7時的I_Bus(I_Bus_56)>30ACDA=I_Bus_56-(t*5/400)

2.10陽極氫氣循環(huán)回控制策2.11陽極氫氣吹掃閥控制策在狀態(tài)CS15，隨氫氣進氣情相反動作在狀態(tài)3，第1、2階段開1秒關(guān)0.5秒，第3階段開1秒關(guān)1秒在狀態(tài)5，開2秒，關(guān)時間先根據(jù)額定電比插值基本時間，再根據(jù)氫氣回泵的參數(shù)作調(diào)整。在狀態(tài)7下，開2秒關(guān)5秒在狀態(tài)8、13下，常開。其他狀態(tài)下，常關(guān)。2.12陰極空氣傳輸回控制策陰極生壓機沒有運控制開關(guān)信號，只有PWM控制信號PWM_Air。在狀態(tài)CS3Step2下:If(V_Bus>30.0V)PWM_Air=0If(V_Bus<=30.0V)PWM_Air=25在CS3Step3、CS8、CS9下：QARn=120*0.01657*1.9*495=1870(LPM)If(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：^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?；静糠钟蓺錃庑枨蟛逯登蟮谩LOAT32Interp_PWM0_Air(FLOAT32QAR)PWM0_Air=Interp_PWM0_Air(QAR)表6PWM0_Air--QAR插值表PWM0_Air51631445665697071QAR0.064190315430520640750845PWM0_Air72757679838894100QAR9401170129014801660188021002150調(diào)整部分PWM1_Air計算過程：Q_Air的調(diào)整為回差增式控制回(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QAR的百分比a_QAR即QAR(1+a_QAR/100)。以C語言描述：a_QAR=5。PWM1_Air=0.PWM0_Air=Interp_PWM0_Air(QAR);voidFunc_PWM1_Air(void){If(Q_Air>QAR(1+a_QAR/100)){If(PWM_Air>10)PWM1_Air-=ABS(Q_Air-QAR)*0.01/100;//0.01/100為減增}If(Q_Air<QAR){If(PWM_Air>10)PWM1_Air+=ABS(Q_Air-QAR)*0.1/100;//0.1/100為加增}//PWM1_Air上下限調(diào)整if(PWM1_Air>(100-0.0-PWM0_Air))PWM1_Air=(100-0.0-PWM0_Air);If(PWM1_Air<(10-0.0-PWM0_Air))PWM1_Air=(10-0.0-PWM0_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_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>0.6V){QARn=120*0.01657*1.9*495二1870(LPM)If(Q_AIR<QARn)PWM_Air+=0.001*50*10=0.5//50為采樣周期(mS)，10為每秒增加}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=02.13陽極吹掃（Purge）過程陽極吹掃（置換）過程，是在狀態(tài)CS15下進。在陽極吹掃過程中，卻子系統(tǒng)和空氣子系統(tǒng)停止運。進3次吹掃過程。吹掃過程如下：第1步：吹掃閥關(guān)閉，進氣閥打開，進2秒，在此過程中，P_H2IN<40psig，則吹掃失敗。第2步：進氣閥關(guān)閉，吹掃閥打開，進58秒。在此過&中,P_H2IN<10psig在58秒內(nèi)，則過程結(jié)束；超過58秒，則吹掃失敗。MinV_Cel>0.3V，則運回泵。2.14防凍(Freeze)處過程防濃處在狀態(tài)CS13下進，為在濃冰溫下停機，防止陰極和陽極出現(xiàn)次冰。處過&總進180秒(3分鐘)，氫氣進氣閥、氫氣吹掃閥常開。卻子系統(tǒng)關(guān)閉。陰極空氣子系統(tǒng)，空壓機控制如下：If(MinV_Cell>0.6V){QARn=120*0.01657*1.9*495二1870(LPM)If(Q_AIR<QARn)PWM_Air+=0.001*50*10=0.5}Else{If(V_Bus>30)PWM_Air=0;If(V_Bus<=30)PWM_Air=25}PWM_Air為100時，Q_Air<600LPM持續(xù)時間到30秒，則產(chǎn)生防濃處故障，則遷移到FAULT狀態(tài)(CS10)，處失??；收到CAN命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。2.15泄檢查(LeakCheck)機泄檢查是指模塊中氫氣子系統(tǒng)的進氣閥、節(jié)子膜、吹掃閥的泄檢查。泄檢查在控制狀態(tài)2和控制狀態(tài)17進。在CtrStat17下的LeakCheck在此狀態(tài)下做氫氣子系統(tǒng)泄檢查時，卻子系統(tǒng)和空氣子系統(tǒng)工作。使用600秒跑表，總定時到時未結(jié)束泄檢查，則定為失敗，置位LeakCheckFault標志Fault_LeakCheck。按下面步驟進：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(guān)H2進氣閥，H2進口壓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(guān)閉H2進氣閥。V_Stack<10V或者時間>470秒，則進入第5步。V_Stack>10V、時間<470秒且P_H2IN<5psig，則進5秒補氣并采樣P_H2IN。第5步：該階段，單獨計時，5秒內(nèi)補氣并采樣P_H2IN,120秒后，用當前P_H2IN減去5秒內(nèi)的采樣值，差直>36psig,則泄檢測失?。?lt;=36psig,則泄檢查成功。CtrState2下的泄檢查控制狀態(tài)2是從控制狀態(tài)5、6、7、8遷入，則進泄檢查。其方法與CtrState17差多，只是將第1、2階段合為1個階段，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2.16注水入泵（Prime）過程在注水入泵過程中，只開卻液及。2.17狀態(tài)及遷移狀態(tài)定義狀態(tài)的劃分和定義，根據(jù)在系統(tǒng)中的作用同分為3級。第一級為系統(tǒng)狀態(tài)（SysState,簡稱SS），以總體功能上向用戶（Customer）描述系統(tǒng)的簡工作狀態(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)的同階段（Step）。表4狀態(tài)定義表SysStateCtrStateStep值定義值定義值定義0PowerOn0PowerOn1Standby122Startup312

34123Run5RUN_CRM6RUN_CDR7RUN_SOH_14Shutdown895Fault1012秒定時26CoolDown117CoolDownComplete128Freeze139FreezeComplete1410(A)Purge1511(B)PurgeComplete1612(C)LeakCheck1713(D)LeakCheckComplete1814(E)Prime1915(F)PrimeComplete