氢燃料电池控制策略

目录30KW车用氢燃料电池控制策略1目录41控制策略的依据6230KW车用氢燃料电池控制策略72.1P&ID82.2模块技术规范92.3用户接口92.4系统量定义102.5电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略182.5.1Cell巡检通道断线诊断处理182.5.2Cell巡检通道断线诊断结果处理192.6Cell电压测算192.7电堆健康度SOH评估202.7.1特性曲线电阻段对健康度的评估方法202.8ALARM和FAULT判定规则212.9工作模式（CRM和CDR）策略232.10电堆冷却液出口温度设定值策略232.11空气流量需求量计算242.12阳极氢气循环回路控制策略262.13阴极空气传输回路控制策略282.14冷却液传输回路控制策略292.15阳极吹扫（Purge）过程292.16防冻（Freeze）处理过程302.17泄漏检查（LeakCheck）机理302.17.1在CtrStat17下的LeakCheck302.17.2CtrState2下的泄漏检查312.18注水入泵（Prime）过程312.19状态及迁移322.19.1状态定义322.19.2状态迁移图332.19.3状态功能342.19.4迁移条件382.20CAN通讯协议。393未确定事项401 控制策略的依据对于氢燃料电池，追求的指标有：能量密度、额定功率、最大峰值功率（保持有限时间）、最小稳定功率（小于该功率，功率输出波动大，长时间小于最小稳定功率下工作（包括开路），对电极有损伤）、效率（以氢气低燃值计算，净输出功率），生命周期、启动时间（从空闲到额定功率）、停机时间、环境要求（工作温度、存贮温度、湿度、海拔（主要是大气压力和密度变化对电堆其它指标的影响）等。这些指标，都反映在氢燃料电池的输出特性曲线（极化曲线）上。对氢燃料电池的设计、实验上，就是使输出特性曲线反映的指标最好。影响输出特性曲线的因素很多，对于质子交换膜氢燃料电池，主要反映在MEA的工艺上，继而派生出的因素有：阳极氢气的输入口压力（本文档中，所有压力是指绝对压力）、阳极中氢气的湿度，阴极空气的压力和流速、阴极空气的湿度，阳极和阴极的的压差、膜的温度，因流场气流的影响，流场入口端的湿度低于流场出口端的湿度，出现干端和湿端，影响指标，为了平衡湿度，采取入口气体增湿工艺，阳极采用将出口处湿度高的氢气通过回流泵直接送回入口，增加阳极气体入口处的湿度。因此氢气回流泵的流速也算一个因素。因质子交换膜氢燃料电池，在输出功率时会产生热量，为了达到稳定MEA的温度，就需要将热量消散掉。因此需要测试不同电流下的热量，用于设计热源到冷却介质间的热阻（工艺设计中计算或测试）及冷却流道的工艺参数。因阳极在输出功率时，湿度会逐渐增大，会产生水以及氢气纯度会逐渐降低，到一定条件就需要将阳极的氢气置换（吹扫）一次。对于电堆，通过实验和测试，绘制各个因素组合下的输出特性曲线。根据这些测绘出的输出特性曲线，综合出各个指标。根据指标，在输出特性曲线中，确定一个安全稳定工作区域。根据输出特性曲线的安全稳定工作区域，再确定各个因素以输出电流为横轴的工作区域。这些因数的工作区域，就是集成系统（模块）的技术规范（即电堆生产厂的电堆集成手册）。根据电堆集成手册，设计电堆模块，根据电堆模块的工艺，形成模块手册。根据模块手册设计辅助系统工艺。最终形成系统工艺流程图（P&ID）。对于应用还需要应用需求。以上资源是控制策略的依据。2 氢燃料电池控制策略控制策略内容包括：系统量定义，ALARM和FAULT判定规则,节电压巡检处理策略，电堆冷却液出口温度设定值策略，工作模式（CRM和CDR）策略，阳极氢气循环回路控制策略，阴极空气传输回路控制策略，冷却液传输回路控制策略，阳极氢气吹扫（Purge）过程，防冻（Freeze）处理过程，泄露检查（LeakCheck）过程、注水入泵（Prime）过程，冷启动过程，状态及迁移，CAN通讯协议。2.1 P&ID1、阳极氢气子系统控制涉及的项：氢气进气阀控制开关（S_H2Inlet）、氢气进气阀后的压力（P_H2Inlet）、氢气回流泵的运行控制开关（EN_H2RecirPump）、氢气回流泵的转速（n_H2RecirPump）、氢气回流泵驱动器PWM（PWM_H2RecirPump）,氢气回流泵驱动器中的1个测量量（V_H2RecirPump）、氢气吹扫阀控制总开关（S_H2Purge）、氢气前吹扫阀控制开关（S_H2FrontPurge）、氢气后吹扫阀控制开关（S_H2BackPurge）、模块前后向水平倾斜角（_FB）、模块左右向水平倾斜角（_LR）。2、阴极空气子系统控制涉及的项：空压机驱动器PWM（PWM_AirBlower）、空压机的转速（n_AirBlower）、空气流量（Q_Air）。3、冷却子系统控制涉及的项：冷却液出口温度（T_CoolantOutlet）、冷却液泵运行控制开关（EN_CoolantPump）、冷却液泵驱动器PWM（PWM_CoolantPump）散热器风扇运行控制开关（EN_RadiatorFan）、散热器风扇驱动器（PWM_RadiatorFan）。4、电气子系统控制涉及的项：电堆节数（N_Cell，120）、电堆单节最小电压（MinV_Cell）、最小电压的节号（No_MinV_Cell，0-119，0号在前端）、电堆单节最大电压（MaxV_Cell）、最大电压的节号（No_MaxV_Cell，0-119，0号在前端）、电堆单节平均电压（AvgV_Cell）、电堆计算的电压（V_Stack）、总线电压（V _Bus）、总线电流（I_Bus）、总线输出开关（EN_Bus）。5、控制接口涉及的项：燃料电池模块使能开关（EN_FC）、运行开关（S_Run）、CAN总线。2.2 模块技术规范额定功率（Pn）：31kW工作电流（I）：0-500A额定电流（In）：495A起动时间（t_Startup）： 20S停止时间（t_Shutdown）： 5S氢气气源压力（P_H2Supply）：653-928kPa电堆工作压力（P_StackOp）：120kPa氢气最大流量（MaxQ_H2）：500LPM氢气温度（T_H2）：-10 46空气流量（Q_Air）:2500LPM空气温度（T_Air）：-10 46存贮温度（T_Storage）: -40 65最小湿件温度（MinT_WettedComp）：2最大燃料电池模块内部温度（MaxT_FCPM）: 55相对湿度（RH）： 95%海拔（AT）：0 1600m水平倾角（）：30阳极收集水量（Vol_AnodeWater）： 48mL/min阴极收集水量（Vol_CathodeWater）： 64mL/min热功率（P_Heater）: 52kW冷却液出口温度（T_CoolantOutlet）：50 70冷却液流量（Q_Coolant）： 75LPM冷却液最大压力降（MaxDropP_Coolant）: 35kPa最大冷却液入口压力（MaxP_CoolantInlet）： 170kPaCAN总线：CAN 2.0A/B Passive(Standard 11 bit) BPS 250 kb/s2.3 系统量定义2.4 电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略2.5 ALARM和FAULT判定规则(S3EDAE3)字节位类型持续时间( mS )有效状态域CtrState源00FAULT5005,6,7,8,9Cell Low VoltageMinV_Cell0.1V00FAULT5008,9Cell Low VoltageMinV_Cell8004FAULT100非1,2,10Heartbeat在心跳时间内未接收到1C0或1C0+ID命令06FAULT100非1，10Internal Sys. E-stopE-STOP开关10FAULT10017H2 Subsystem LeakCheck Fault10FAULT1002H2 Subsystem LeakCheck Fault11FAULT10013Freeze Fault12FAULT50005,6,7单机工作时冷却液水位开关为低液位12FAULT300003,4单机启动时冷却液水位开关为低液位14FAULT10015Purge fault15FAULT1000非1,5,6,7,10I_Bus50A16FAULT100非1,10氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN150PSI（1032.4KPa）17FAULT1000非1,10,13,15,17氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN 40PSI（275.8KPa）17FAULT300013氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN 40PSI17FAULT10015氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN 40PSI41ALARM1000非1,10,Q_Air3000 (LPM)42ALARM1000非10，单机工作时，FC总线电流传感器输出电压4.7542ALARM1000非1,10多机工作时的主机（1号机），FC总线电流传感器输出电压4.75（A）43ALARM1000非1,10冷却液出口温度 100（）44ALARM10005,6,7W_FC33000 （W）47ALARM150005,6,7,13氢气回流泵运行时，转速 75（）51ALARM100005,6,7V_Stack60（V）52ALARM1007153ALARM1500011,19单机工作时，冷却液水位低53ALARM5005,6,7,11多机工作时，冷却液水位低53ALARM300003,4多机工作时，冷却液水位低53ALARM1500019多机工作时，冷却液水位低54ALARM3000005,6,7I_Bus 8A或8A持续时间未到10秒，则 QAR = 120 0.01657 _Air (I_Bus +30)I_Bus的200mS增量 8A持续时间达10秒后,则 QAR = 120 0.01657 _Air (I_Bus +10)3、CDR工作模式I_Bus的200mS增量 10A，则 QAR = 120 0.01657 _Air (I_Bus 1.2)I_Bus的200mS增量 10A,则 QAR = 120 0.01657 _Air I_Bus4、最小值处理QAR结果小于50，则结果值为50。B、 在状态CS6(CDR)下的处理_Air =_Air_CDR1、I_Bus CDR QAR = 120 0.01657 _Air (I_Bus 1.3)2、I_Bus CDR若CDR (I_Bus+10)或CDR (I_Bus+10)持续时间未到60秒，则QAR = 120 0.01657 _Air (CDR 1.2)若CDR (I_Bus+10)持续时间到60秒后，则QAR = 120 0.01657 _Air (I_Bus 1.2)3、最小值处理QAR结果小于50，则结果值为50。C、 在状态CS7下的处理_Air =_Air_CRM1、从CS6迁入QAR = 120 0.01657 _Air (CDR 1.5)2、从CS5迁入QAR = 120 0.01657 _Air (I_Bus 1.5)2.9 CDA计算A、在状态CS5下的处理_Air =_Air_CRM在多机工作模式下： CDA = 30 + Q_Air/（120 0.01657 _Air ）在单机工作模式下：CDA = 30 + Q_Air/（120 0.01657 _Air ）B、在状态CS6下的处理_Air =_Air_CDR CDA = 30 + Q_Air/（120 0.01657 _Air ）D、 在状态CS7下的处理1、从CS5或CS6迁入CS7时的I_Bus (I_Bus_56) 30A CDA = 5A2、从CS5或CS6迁入CS7时的I_Bus(I_Bus_56) 30ACDA = I_Bus_56 (t * 5 / 400)2.10 阳极氢气循环回路控制策略2.11 阳极氢气吹扫阀控制策略在状态CS15，随氢气进气阀相反动作在状态3，第1、2阶段开1秒关0.5秒，第3阶段开1秒关1秒在状态5，开2秒，关时间先根据额定电流比插值基本时间，再根据氢气回流泵的参数作调整。表6t_PurgeOff -_In 插值表t_PurgeOff6553565535450003000022500_In0.00.10.20.30.4t_PurgeOff1800015000128751125010000_In0.50.60.70.80.9在状态7下，开2秒关5秒在状态8、13下，常开。其他状态下，常关。2.12 阴极空气传输回路控制策略阴极空压机没有运行控制开关信号，只有PWM控制信号PWM_Air。在状态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 QAR(1+_QAR/100) If(PWM_Air 10) PWM1_Air -= ABS(Q_Air - QAR)*0.01/100; / 0.01/100为减增量If(Q_Air 10) PWM1_Air += ABS(Q_Air - QAR)*0.1/100; /0.1/100为加增量/PWM1_Air上下限调整if(PWM1_Air (100 0.0 - PWM0_Air) PWM1_Air = (100 0.0 - PWM0_Air);If(PWM1_Air 100) PWM_Air = 100;If(PWM_Air 0.6V)QARn = 120 * 0.01657 * 1.9 * 495 = 1870(LPM)If(Q_AIR 30) PWM_Air = 0;If(V_Bus= 30) PWM_Air = 25 在除上述状态外的状态下：PWM_Air = 02.13 阳极吹扫（Purge）过程阳极吹扫(置换)过程，是在状态CS15下进行。在阳极吹扫过程中，冷却子系统和空气子系统都停止运行。进行3次吹扫过程。吹扫过程如下：第1步：吹扫阀关闭，进气阀打开，进行2秒，在此过程中，若P_H2IN40psig，则吹扫失败。第2步：进气阀关闭，吹扫阀打开，进行58秒。在此过程中，若P_H2IN0.3V，则运行回流泵。2.14 防冻（Freeze）处理过程防冻处理在状态CS13下进行，为了在冻冰温度下停机，防止阴极和阳极出现冻冰。处理过程总进行180秒（3分钟），氢气进气阀、氢气吹扫阀常开。冷却子系统关闭。阴极空气子系统，空压机控制如下：If(MinV_Cell 0.6V) QARn = 120 * 0.01657 * 1.9 * 495 = 1870(LPM)If(Q_AIR 30) PWM_Air = 0;If(V_Bus= 30) PWM_Air = 25 若PWM_Air为100时，Q_Air600LPM持续时间到30秒，则产生防冻处理故障，则迁移到FAULT状态（CS10），处理失败；若收到CAN命令Standby,则迁移到CS2，认为过程成功；过程时间到，则认为过程成功，迁移到CS14。2.15 泄漏检查（LeakCheck）机理泄漏露检查是指模块中氢气子系统的进气阀、质子膜、吹扫阀的泄漏检查。泄漏检查在控制状态2和控制状态17进行。2.15.1 在CtrStat17下的LeakCheck在此状态下做氢气子系统泄漏检查时，冷却子系统和空气子系统不工作。使用600秒跑表,总定时到时未结束泄漏检查，则定为失败，置位LeakCheck Fault 标志Fault_LeakCheck。按下面步骤进行：第1步：0-5秒将H2进气阀打开5秒；第2步：5-180秒在此阶段，关H2进气阀，若H2进口压力P_H2IN185秒在此阶段开始，关闭H2进气阀。若V_Stack470秒，则进入第5步。若V_Stack 10V、时间470秒且P_H2IN36psig,则泄漏检测失败;若=36psig,则泄漏检查成功。2.15.2 CtrState2下的泄漏检查若控制状态2是从控制状态5、6、7、8迁入，则进行泄漏检查。其方法与CtrState17差不多，只是将第1、2阶段合为1个阶段了，省掉第1步的进气。因控制状态5，6，7，8中，H2进气阀一直开着2.16 注水入泵（Prime）过程在注水入泵过程中，只开冷却液泵。2.17 状态及迁移2.17.1 状态定义状态的划分和定义，根据在系统中的作用不同分为3级。第一级为系统状态(SysState,简称SS)，从总体功能上向用户(Customer)描述系统的简略工作状态。第二级为控制状态(CtrState，简称CS)，即该系统的实际状态，用于系统功能的详细定义和工作状态。第三级为第二级的过程状态，用于描绘第二级状态的不同阶段(Step)。表4 状态定义表SysStateCtrStateStep值定义值定义值定义0PowerOn0PowerOn1Standby122Startup31234123Run5RUN_CRM6RUN_CDR7RUN_SOH_14Shutdown895Fault1012秒定时26CoolDown117CoolDownComplete128Freeze139FreezeComplete1410(A)Purge1511(B)PurgeComplete1612(C)LeakCheck1713(D)LeakCheckComplete1814(E)Prime1915(F)PrimeComplete202.17.2 状态迁移图图1 状态迁移图2.17.3 状态功能2.17.3.1 CS0 Power On Init上电初始化状态，为一过程状态。初始化硬件和程序运行的环境。2.17.3.2 CS1 Standby此状态下定时2秒，对状态系统进行初始化。1、 复位报警管理表和报警输出结果。2、 氢气进气阀=关3、 氢气回流泵=停4、 吹扫阀=关5、 QAR=0、PWM_Air=06、 TCSP、水泵停、散热风扇停、节温器？7、 CDA=0、总线输出=关2.17.3.3 CS2 Standby此状态为系统待机状态，若是从CS9迁移过来，则进行一次氢气泄漏检查（见2.18.2），检查完成后或不做检查，则做以下功能：1、 报警检查=进行，但没有报警项2、 氢气进气阀=关3、 氢气回流泵=关4、 吹扫阀=关5、 QAR=0、PWM_Air=06、 TCSP、水泵、散热风扇、节温器7、 CDA=0、总线输出=关2.17.3.4 CS3STEP1 Startup此状态为启动状态的第1过程。定时0.1秒，在此状态下：1、 报警检查=进行2、 氢气进气阀3、 氢气回流泵4、 吹扫阀5、 QAR、空压机6、 TCSP、水泵、散热风扇、节温器7、 CDA、BUS_OUT8、 Cell OW检测9、2.17.3.5 状态功能8、 报警9、 氢气进气阀10、 氢气回流泵11、 吹扫阀12、 QAR、空压机13、 TCSP、水泵、散热风扇、节温器14、 CDA、BUS_OUT15、 Cell OW检测16、2.17.3.6 状态功能17、 报警18、 氢气进气阀19、 氢气回流泵20、 吹扫阀21、 QAR、空压机22、 TCSP、水泵、散热风扇、节温器23、 CDA、BUS_OUT24、 Cell OW检测25、2.17.3.7 状态功能26、 报警27、 氢气进气阀28、 氢气回流泵29、 吹扫阀30、 QAR、空压机31、 TCSP、水泵、散热风扇、节温器32、 CDA、BUS_OUT33、 Cell OW检测34、2.17.3.8 状态功能35、 报警36、 氢气进气阀37、 氢气回流泵38、 吹扫阀39、 QAR、空压机40、 TCSP、水泵、散热风扇、节温器41、 CDA、BUS_OUT42、 Cell OW检测43、