氫燃料電池控制策略25頁

1、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)6230KW車用氫燃料電池控制策略72.1P&ID82.2模塊技術(shù)規(guī)范92.3用戶接口92.4系統(tǒng)量定義102.5電堆電芯(CELL)電壓輪詢檢測策略182.5.1Cell巡檢通道斷線診斷處理182.5.2Cell巡檢通道斷線診斷結(jié)果處理192.6Cell電壓測算192.7電堆健康度SOH評估202.7.1特性曲線電阻段對健康度的評估方法202.8ALARM和FAULT判定規(guī)則212.9工作模式（CRM和CDR）策略232.10電堆冷卻液出口溫度設(shè)定值策略232.11空氣流量需求量計算242.12陽極氫氣循環(huán)回路控制策略262.

2、13陰極空氣傳輸回路控制策略282.14冷卻液傳輸回路控制策略292.15陽極吹掃（Purge）過程292.16防凍（Freeze）處理過程302.17泄漏檢查（LeakCheck）機(jī)理302.17.1在CtrStat17下的LeakCheck302.17.2CtrState2下的泄漏檢查312.18注水入泵（Prime）過程312.19狀態(tài)及遷移322.19.1狀態(tài)定義322.19.2狀態(tài)遷移圖332.19.3狀態(tài)功能342.19.4遷移條件382.20CAN通訊協(xié)議。393未確定事項(xiàng)401 控制策略的依據(jù)對于氫燃料電池，追求的指標(biāo)有：能量密度、額定功率、最大峰值功率（保持有限時間）、最小穩(wěn)

3、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(jī)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(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。對氫燃料電池的設(shè)計、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

4、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(biāo)，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(zhì)子交換膜氫燃料電池，在輸出功率時會產(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。因此需要測試不同電流下的熱量，用于設(shè)計熱源到冷卻介質(zhì)間的熱阻（工藝設(shè)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(shí)驗(yàn)和

5、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(biāo)。根據(jù)指標(biāo)，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(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)工藝流程圖（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

6、卻液出口溫度設(shè)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。2.1 P&ID1、陽極氫氣子系統(tǒng)控制涉及的項(xiàng)：氫氣進(jìn)氣閥控制開關(guān)（S_H2Inlet）、氫氣進(jìn)氣閥后的壓力（P_H2Inlet）、氫氣回流泵的運(yùn)行控制開關(guān)（EN_H2RecirPump）、氫氣回流泵的轉(zhuǎn)速（n_H2RecirPump）、氫氣回流泵驅(qū)動器PWM（PWM_H2RecirPump）

7、,氫氣回流泵驅(qū)動器中的1個測量量（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（_FB）、模塊左右向水平傾斜角（_LR）。2、陰極空氣子系統(tǒng)控制涉及的項(xiàng)：空壓機(jī)驅(qū)動器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)行控制開關(guān)（EN_CoolantPump）、冷卻液泵驅(qū)動器PWM（PWM_Coolant

8、Pump）散熱器風(fēng)扇運(yùn)行控制開關(guān)（EN_RadiatorFan）、散熱器風(fēng)扇驅(qū)動器（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（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(guān)（EN_Bus）。5、控制接口涉及的項(xiàng)：燃料電池模塊使能開關(guān)（EN_

9、FC）、運(yùn)行開關(guān)（S_Run）、CAN總線。2.2 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(nèi)部溫

10、度（MaxT_FCPM）: 55相對濕度（RH）： 95%海拔（AT）：0 1600m水平傾角（）：±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：CAN 2.0A/B Passive(Stan

11、dard 11 bit) BPS 250 kb/s2.3 系統(tǒng)量定義2.4 電堆電芯(CELL)電壓輪詢檢測策略2.5 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00FAULT5005,6,7,8,9Cell Low VoltageMinV_Cell<0.1V00FAULT5008,9Cell Low VoltageMinV_Cell< 0.5V01FAULT1000非1,2,10,11Coolant High Temp.T_Coolant>8004FAULT100非1,2,10Heartbeat在心跳時間內(nèi)未接

12、收到1C0或1C0+ID命令06FAULT100非1，10Internal Sys. E-stopE-STOP開關(guān)10FAULT10017H2 Subsystem LeakCheck Fault10FAULT1002H2 Subsystem LeakCheck Fault11FAULT10013Freeze Fault12FAULT50005,6,7單機(jī)工作時冷卻液水位開關(guān)為低液位12FAULT300003,4單機(jī)啟動時冷卻液水位開關(guān)為低液位14FAULT10015Purge fault15FAULT1000非1,5,6,7,10I_Bus>50A16FAULT100非1,10氫氣進(jìn)氣閥

13、打開2秒后，P_H2IN>150PSI（1032.4KPa）17FAULT1000非1,10,13,15,17氫氣進(jìn)氣閥打開2秒后，P_H2IN< 40PSI（275.8KPa）17FAULT300013氫氣進(jìn)氣閥打開2秒后，P_H2IN< 40PSI17FAULT10015氫氣進(jìn)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(jī)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(jī)工作時的

14、主機(jī)（1號機(jī)），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 <-50或 >100（）44ALARM10005,6,7W_FC>33000 （W）47ALARM150005,6,7,13氫氣回流泵運(yùn)行時，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，冷卻液水位低53ALARM5005,6,7,11

15、多機(jī)工作時，冷卻液水位低53ALARM300003,4多機(jī)工作時，冷卻液水位低53ALARM1500019多機(jī)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2.6 工作模式（CRM和CDR）策略工作模式分為CRM(Current Ramp Mode)和CDR(Current Draw Request)。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，電流請求模式，是指在

16、CDA限制下，負(fù)載電流通過通訊或模擬信號提供給FC控制器CDR值。2.7 電堆冷卻液出口溫度設(shè)定值(TCSP)策略2.8 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 × 0.01657 ×_Air ×I_Bus注：120為電堆的總Cell數(shù)，0.01657為單個Cell在I_Bus為1A時，1分鐘需要消耗的理論空氣體積量（升）。_Air是_In的函數(shù)，該函數(shù)為多段線性插值FLOAT32 Interp_Air(FLOAT32 _In )表5_Air -_In 插值表_Air2.72.52.32.32.22.22.02.02.01.

17、9_In0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9_Air_CRM = Interp_Air(I_Bus /In_Bus )_Air_CDR = Interp_Air(CDR / In_Bus )A、 在狀態(tài)CS5(CRM)下的處理1、過剩空氣系數(shù)的處理進(jìn)入CS5狀態(tài)頭30秒：_Air = _Air_CRM30秒后，先缺省_Air = _Air_CRM，在某個持續(xù)20秒的事件發(fā)生后，_Air = _Air_CRM + 0.82、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 × 0.01657 ×_A

18、ir ×(I_Bus +30)I_Bus的200mS增量 8A持續(xù)時間達(dá)10秒后,則 QAR = 120 × 0.01657 ×_Air × (I_Bus +10)3、CDR工作模式I_Bus的200mS增量> 10A，則 QAR = 120 × 0.01657 ×_Air × (I_Bus× 1.2)I_Bus的200mS增量 10A,則 QAR = 120 × 0.01657 ×_Air ×I_Bus4、最小值處理QAR結(jié)果小于50，則結(jié)果值為50。B、 在狀態(tài)CS6(CDR

19、)下的處理_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)持續(xù)時間未到60秒，則QAR = 120 × 0.01657 ×_Air × (CDR× 1.2)若CDR > (I_Bus+10)持續(xù)時間到60秒后，則QAR = 120 × 0.01657 ×_Air × (I_Bus× 1.2

20、)3、最小值處理QAR結(jié)果小于50，則結(jié)果值為50。C、 在狀態(tài)CS7下的處理_Air =_Air_CRM1、從CS6遷入QAR = 120 × 0.01657 ×_Air × (CDR × 1.5)2、從CS5遷入QAR = 120 × 0.01657 ×_Air × (I_Bus× 1.5)2.9 CDA計算A、在狀態(tài)CS5下的處理_Air =_Air_CRM在多機(jī)工作模式下： CDA = 30 + Q_Air/（120× 0.01657 ×_Air ）在單機(jī)工作模式下：CDA = 30 +

21、 Q_Air/（120× 0.01657 ×_Air ）B、在狀態(tài)CS6下的處理_Air =_Air_CDR CDA = 30 + Q_Air/（120× 0.01657 ×_Air ）D、 在狀態(tài)CS7下的處理1、從CS5或CS6遷入CS7時的I_Bus (I_Bus_56) 30A CDA = 5A2、從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)回路控制策略2.11 陽極氫氣吹掃閥控制策略在狀態(tài)CS15，隨氫氣進(jìn)氣閥相反動作在狀態(tài)3，第1、2

22、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_PurgeOff -_In 插值表t_PurgeOff6553565535450003000022500_In0.00.10.20.30.4t_PurgeOff1800015000128751125010000_In0.50.60.70.80.9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 陰極空氣傳輸回路控制策略陰極空壓機(jī)沒有運(yùn)行控制開關(guān)信號，只有PWM控制信號PWM_Air。在狀態(tài)CS3Step2下:If(V_Bus> 3

23、0.0V) 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CS 4Step1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?；静糠钟蓺錃庑枨罅坎逯登蟮谩LOAT32 Interp_PW

24、M0_Air(FLOAT32 QAR ) PWM0_Air =Interp_PWM0_Air( QAR ) 表6 PWM0_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QAR的百分比例_QAR即QAR(1+_QAR/100)。以C語言描述：_QAR

25、 = 5。PWM1_Air = 0.PWM0_Air =Interp_PWM0_Air( QAR );voidFunc_PWM1_Air(void)If(Q_Air>QAR(1+_QAR/100) If(PWM_Air> 10) PWM1_Air -= ABS(Q_Air - QAR)*0.01/100; / 0.01/100為減增量If(Q_Air<QAR) If(PWM_Air> 10) PWM1_Air += ABS(Q_Air - QAR)*0.1/100; /0.1/100為加增量/PWM1_Air上下限調(diào)整if(PWM1_Air > (100 0.0

26、- 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

27、* 0.01657 * 1.9 * 495 = 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 = 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(jìn)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(yùn)行。進(jìn)行3次吹掃過程。吹掃過程如下：第1步：吹掃閥關(guān)閉，進(jìn)氣閥打開，進(jìn)行2秒，在此

28、過程中，若P_H2IN<40psig，則吹掃失敗。第2步：進(jìn)氣閥關(guān)閉，吹掃閥打開，進(jìn)行58秒。在此過程中，若P_H2IN<10psig在58秒內(nèi),則過程結(jié)束；若超過58秒，則吹掃失敗。若MinV_Cel>0.3V，則運(yùn)行回流泵。2.14 防凍（Freeze）處理過程防凍處理在狀態(tài)CS13下進(jìn)行，為了在凍冰溫度下停機(jī)，防止陰極和陽極出現(xiàn)凍冰。處理過程總進(jìn)行180秒（3分鐘），氫氣進(jìn)氣閥、氫氣吹掃閥常開。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> 0.6V) QARn = 120 * 0.01657 * 1.9 * 495 = 1870(LP

29、M)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 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(rèn)為過程成功；過程時間到，則認(rèn)為過程成功，遷移到CS14。2.15 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

30、查在控制狀態(tài)2和控制狀態(tài)17進(jìn)行。2.15.1 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(jié)束泄漏檢查，則定為失敗，置位LeakCheck Fault 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LeakCheck Fault 標(biāo)志Fault_LeakCheck。第3步：180-185秒將H2進(jìn)氣閥打開5秒。第4步：>185秒在此階段開始，關(guān)閉H

31、2進(jìn)氣閥。若V_Stack< 10V或者時間>470秒，則進(jìn)入第5步。若V_Stack> 10V、時間<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)計時，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,則泄漏檢測失敗;若<=36psig,則泄漏檢查成功。2.15.2 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個階段了，省掉第1步的進(jìn)氣。因控制狀態(tài)5

32、，6，7，8中，H2進(jìn)氣閥一直開著2.16 注水入泵（Prime）過程在注水入泵過程中，只開冷卻液泵。2.17 狀態(tài)及遷移2.17.1 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。第一級為系統(tǒng)狀態(tài)(SysState,簡稱SS)，從總體功能上向用戶(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(shí)際狀態(tài)，用于系統(tǒng)功能的詳細(xì)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0PowerOn0PowerOn1Standby122Startup31234123Run5RUN_CRM6RUN_CDR7RUN_SOH_14Shutdown895Fault1012秒定時26CoolDown117CoolDownComplete128Freeze139FreezeCom