（控制科学与工程专业论文）燃料电池控制系统研究与实现.pdf

垫兰 一 - _ _ - _ _ _ - _ 一一 摘要 当前，随着世界石油资源的月益紧缺和地球环境的同益恶化，燃料电池汽 车以其突出的环保、节能、资源充足等优点成为世界各国尤其是发达国家大力 研究的的热点。燃料电池汽车被普遍认为是可以嗣时解决能源卜j 排放问题的绿 色环保汽车，是今后汽车发展的主要方向。本课题n ：足参加8 6 3 “燃料电池轿 车”项目，为质严交换膜燃料电池发动机研制种稳定可靠的控制系统。稳定 可靠的燃料电池控制系统可以保证燃料电池的安全性可靠性，促进燃料电池研 究及其产业化。 本文介绍了质子交换膜燃料电池( p e i f c ) 系统的组成及其水、热、电、气的 管理与控制，分析了电池组的控制餐及控制量参数对系统性能的影响。在分析 燃料电池发动机( f c e ) 控制系统及控制要求的基础上，提出f c e 控制系统设计方 案，即利用c a n 总线技术设计模块化的分散控制系统。选用m o t o r o ，a 公 司的1 6 位单片机m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b 作为f c e 控制器的核心处理器设汁了f c e 控 制系统的主控制器，完成了控制器硬件设计及软件设计。在风机的控制中，经 过大量实验总结出高温及低温时功率一频率曲线，采用曲线拟台方法，成功解决 了的风机控制技术。分析了p e m f c 单池监测的重要性及f c e 系统温度控制的重 要性，设计了单池电雎监测系统，在f c e 的温度控制中，根据被控对象工作特 性提出温度控制方法。进行了大量实验测试，总结出电流温度曲线，采用曲线 拟合方法解决了f c e 温度控制的关键技术。阶段的测试实验，包括f c e 测试、 动力系统台架实验及燃料电池轿车( f c v ) 样车转毂实验，选择了测试实例进行 测试条件、测试方法及实验结果的分析。设计的控制系统现存f 运行在“超越 二号”和“超越二三号”燃料电池汽车上，取得了较好的控制效果及较高的可靠 性。本课题有力地配合了“8 6 3 燃料电池轿车”项目的进展。 关键词：质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 燃料电池发动机( f c e ) ， m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b ，c a n 总线，单池电压 a b s t r a c t _-_-_-_-_-_-，_-_一 a b s t r a c t n o w a d a y s ，e n e r g y r e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a r eh o t t o p i c s d e v e l o p i n gn e we n e r g ya n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t a r e b i gc h a l l e n g e sf o rt h eh u m a n f u e lc e l li san e w e n e r g ys o u r c e ，a n di t i sr e g a r d e da st h ea d v a n c e dp o w e rs o u r c ei n t h ef u t u r e a n dn o wp e o p l ef o c u s em a c ho np r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ( p e m f c ) i nt h e r e c e n t y e a r s ，f u e l c e l l v e h i c l e ( f c v ) i sa n e wd e v e l o p m e n t d i r e c t i o ni nt h ea u t o m o b i l ef i e l db e c a u s eo fi t s a d v a n t a g eo fs a v i n ge n e r g ya n d r e d u c i n gp o l l u t i o n c h i n ai sa l s od e v e l o p i n gf u e lc e l lv e h i c l e ，w h i c hb e l o n g st ot h en a t i o n a l8 6 3 p r o j e c t i no r d e rt om a k e f u e lc e l le n g i n e ( f c e ) r u ni nas t a b l e ，e f f i c i e n ta n ds a f e s i t u a t i o n ，t h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ef u e lc e l lm u s tb er e s e a r c h e da n d d e v e l o p e d t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l ya b o u tt h ec o n t r o lm e t h o da n dt e c h n i c a lr e a l i z a t i o no f p e m f c t o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft b ef u e lc e l ls t a c ka n d m a i n t a i nt h er e g u l a r o p e r a t i n ge n v i r o n m e n t ，h o wt od e v e l o pi t sc o n t r o ls y e t e mi sm o s ti m p o r t a n t t h e r e a r em a n yc o m p l e xa n da s s o c i a t e df a c t o r si n s i d ep e m f ct h a ti n f h e n ti t si n t e r n a l p a r a m e t e r s s ot h ew h o l es y s t e mh a ss i g n i f i c a n tc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sc h a n g a b l e ， s t r o n gc o u p l e da n dn o n l i n e a r i t i e s t h i st h e s i sa n a l y z e st h eb a s i sw o r k i n gt h e o r ya n d s t r u c t u r eo ff c e s y s t e m ，f i n d sa d a p t i v ec o n t r o lp a r a m e t e ra n dd e s i g n s ag o o ds c h e m e o ff u e lc e l lc o n t r o l l e r ( f c c ) i nt h ed e s i g n a t i o n ，t h em c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) o f f c ci sm c 9 s 1 2 d d 2 5 6w h i c hj sm o t o r o l a s1 6 b i tm c u b a s e do nt h ec u r r e n t r e s e a r c hf r u i t ，ac o n t r o lm e t h o do f f i t t i n gc u r v ei sp r o p o s e di nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m a n dt h ec u w e o fe l e c t r i cc u r r e n tt ot e m p e r a t u r ei sg u tb ym a n y e x p e r i m e n t s s ot h ec o n t r o l l e ri sm o r er e a s o n a b l ea n d o p t i m i z e d a n da l s ot h es i n g l ec e l lv o l t a g e d e t e c td e v i c ei s d e s i g n e df o rt h ef u e lc e l l s t a c k a tl a s t b yt h es i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t s ，i ti sp r o v e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi sf e a s i b l ea n dt h ef c ci sr e l i a b l e t h i sc o n t r o ls y s t e mh a sa l r e a d yb e e nu s e do nt h ef c v s “s t a r t t w o a n d “s t a r t t h r e e ”w h i c ha r e p r o d u c t so f t h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t k e yw o r d s ：p e m f c ，f c e ，m c 9 s 1 2 d d 2 5 6 b ，c a n ，s i n g l ec e l lv o l t a g e i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检 索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有 关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者签名影箧月 砂西年j 月7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：z 兰廖月 劾d 亍年j 月7 曰 第一章引言 第一章引言 对于当今时代来说，能源问题和环境保护已经成为人类社会可持续发展战 略的核心，是影响当前世界各国的能源决策和科技导向的关键因素。随着世界 石油资源的日益紧缺和地球环境的日益恶化，电动汽车以其突出的节能、环保 性能等优点成为世界研究的热点。但是只使用蓄电池组单一能源的纯电池电动 汽车存在动力性能差，持续行驶里程短，蓄电池充电时间长，充放电次数有限 ( 使用寿命不长) ，以及制造和使用维护成本高等问题。为了解决这些问题，世 界各国在积极开展混合动力汽车以及燃料电池电动汽车等新方案的研究工作。 而燃料电池电动汽车具有的高效和真正意义上的零排放等优点，使其成为了未 来最理想的电动汽车方案i “。 1 1 燃料电池简介 燃料电池是一种电化学反应装 置，把化学能直接转化为电能。它的 基本结构就是：电解质层，阴极和阳 极，电极为多孔材料，如右图( 图1 1 ) 所示 2 1 。 电解质层位于电极之间。典型的 燃料电池模型的工作原理就是：在阳 极( 负极) 连续吹入气态燃料，如氢气， 而在阴极( 正极) 连续吹入氧化剂，这 样就可以在电极上连续发生电化学反 应，并产生电流。 燃料电池不同于常规意义上的电 池，它可以将贮存在燃料和氧化剂中 羹藏 图1 1 燃料电池单池原理图 的化学能直接转化为电能。燃料电池不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限 制，能量转化效率高( 可达4 0 6 0 ) ；当燃料电池以纯氢为燃料时，它的 化学反应产物仅为水，无任何污染；燃料电池按电化学原理工作，它工作时安 静，噪音很低。以氢氧反应为例，燃料电池的电化学反映原理如下式所示： 第一章引言 阴极反应： h 2 _ 2 h + + 2 e 一 阳极反应： 圭0 2 + 2 h + + 2 e 一斗h 2 0 t 合反应： 2 十去d 2 啼h 2 0 燃料电沲的种类很多，发展阶段也各不相同。对于燃料电池韵划分可以有 很多种方法，按照最通用的划分方法，即按照电解质的类型划分，分为：质子 交换膜燃料电池( p e m f c ) ，碱性燃料电池( a f c ) ，磷酸燃料电池( p a f c ) ，熔融碳 酸盐燃料电池( m c f c ) ，中间温度固体氧化物燃料电池( i t s o f c ) ，管状固体氧化 物燃料电池( t s o f c ) 。 应用于电动汽车上的主要是两种：质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电 池。因为这两种燃料电池能够在室温条件下快速启动，并可按负载要求快速改 变输出功率。其主要技术状态如表1 1 【3 】： 表1 1 燃料电池主要技术状态 电 导 工作温 氧 解 电技术 功率可能的应 电池类型 质 离 度 燃料化 子 ( )现状( k w )用领域 剂 全 质子交换膜燃 氟 氧较成熟电动汽车 料电池 磺 室温纯氢膊气技术，已 1 3 0 0 和潜艇动 酸 h + 1 0 0 化重攘气空有实际力源，可移 ( p e m f c ) 膜 气样车动动力源 全 较新技 直接甲醇燃料 氟 空术，已有 微型移动 磺h + 室温 c h 3 0 h1 1 0 0 0 电池( d m f c ) 五0 0 气实际样动力源 酸 膜 燃料电池作为能量转化装置，具有高效、环保的突出优点。传统的车用内 燃机的能量转换过程为：贮存在燃料中的化学能一( 燃烧) 一热能一( 内燃机) 一机械能。这个转换过程中，一方面在热能转化为机械能时，受卡诺循环的制 约，另一方面在多个环节中的能量损失，使得传统车用内燃机的理论最高效率 只有3 0 , - 4 0 ，而实际使用中只能达到1 5 2 0 。而燃料电池直接将化学能转 化为电能，不通过热机环节，因此不受卡诺循环限制。同时，经过的转化环节 少，所以燃料电池的理论热电转化效率高达8 5 9 0 ，实际运行中，也可达到 4 0 6 0 。如果能较好的进行废热利用，则总效率可达8 0 左右。在环保方面， 2 第一章引言 当燃料电池以纯氢为燃料时，就燃料电池本身的工作过程而言，其反应终产物 只有水，能实现真正的零排发。另外，燃料电池在运行噪音、可靠性以及可用 燃料多样性等方面也优于现有的传统电能发生装置。燃料电池所具有的诸多优 点，使其在包括电动车车载发电装置在内的多个应用领域有着广阔的应用前景。 可以肯定，在不久的将来，它必将在人们的生活中发挥越来越大的作用【4 l 。 1 2 燃料电池电动汽车介绍 燃料电池电动汽车就是指以燃料电池系统为主要供能装置的电动汽车( 可 简称为燃料电池汽车) 。其原理可简述为：由燃料电池系统产生电能供给驱动电 机，再由电机驱动车辆行驶。一般由于燃料电池功率方面限制，常使用动力蓄 电池组作为辅助动力源，这种汽车也称为混合动力燃料电池汽车。 混合动力燃料电池电动汽车动力系统结构一般由如下几部分组成：燃料电 池发动机系统、辅助动力蓄电池组、直流交流逆变器、驱动电机及驱动桥。其 结构图【5 】如下所示： 图1 2 福特i ： 2 0 0 0 燃料电池电动轿车的动力系统 就燃料电池汽车的整车结构而言，主要在动力系统结构上与传统内燃机汽 车有着本质差别，而其它部分与传统汽车基本相同。燃料电池发动机系统又由 以下部分组成： 1 燃料电池组： 2 燃料供应系统燃料或氢气贮存装置，压力调节器，管路，燃料循环泵； 3 氧化剂供应系统空气压缩机( 以空气为氧化剂来源时) ，空气加湿器， 管路： 4 冷却系统冷却器热交换器，冷却水箱，冷却风扇，冷却水循环管路， 车莳都 第一章引言 冷却水循环泵： 5 燃料电池堆控制系统控制空气流量，氢气流量，燃料电池堆温度，数据 采集，故障管理及与整车管理器通讯等 图1 3 所示为福特p 2 0 0 0 燃料电池电动轿车的质子交换膜燃料电池系统示结 构及原理示意图【甜。从图中可以看到，燃料电池组工作时，需由电池外部的燃料 及氧化剂贮存装置向其提供反应所需物质，同时排出反应终产物( 一般为水) 。 从这个工作方式上看，它与常规电池不同，反而类似常规的汽、柴油内燃机。 所以，汽车上使用的燃料电池系统又称作燃料电池发动机( f u e lc e l le n g i n e 缩 写f c e ) 7 1 。 蝗 图1 1 3 福特p 2 0 0 0 燃料电池电动轿车的质子交换膜燃料电池系统示结构及原理示意 燃料电池汽车的动力系统包含两个核心部分：一是以燃料电池发动机为核 心构成的能量供给系统。燃料电池发动机替代传统内燃机的燃料化学能到机械 能的能量转化功能；另一核心部分是电动机( 这也是所有电动汽车的共同特征) 。 它是电动汽车行驶的原动机( 在电动汽车上往往也称为驱动电机) ，同时还具有 回馈制动功能( 当系统配有蓄能池组等可充电储能装置时) 。同其它类型的电动 汽车一样，燃料电池汽车上一般不再需要离合器及变速箱机构，只有电动机集 成的单一速比的减速机构。车辆行驶时，依靠电动机本身优良的调控性能完全 可保证汽车的j 下常行驶。这简化了燃料电池汽车动力系统的结构，同时更易实 现对系统的精确控制。 与使用蓄电池组单一能源的纯电池电动汽车或是配置蓄电池组及小功率内 燃机的混合动力汽车相比，燃料电池汽车在性能及排发综合指标上明显优予前 两者。纯电池电动汽车的可持续行驶里程较短，采用铅酸蓄电池的电动汽车通 常行驶1 0 0 公里左右就需要再次充电硎，采用镍氢电池或是锂离子电池的电动汽 第一章引言 车其续航里程一般也只有2 0 0 公里左右1 9 j 。就混合动汽车而言，虽然是现阶段最 具实用性和推广性的节省油耗、降低排发的解决方案，但因为不能彻底解决汽 车尾气污染，以及内燃机固有的低效性等问题，被认为只是一种过渡方案。而 燃料电池汽车有着优良的综合性能：一方面，在动力性和续航能力等性能上， 它完全可以和传统内燃机汽车相媲美。同时在排放方面，当以纯氢为燃料时， 它能达到真正意义的“零”排放：图1 4 所示为p 2 0 0 0 燃料电池电动轿车的动力 系统在整车上的安装示意图【1 0 1 。 图1 4 福特p 2 0 0 0 燃料电池电动轿车动力系统安装示意图 自2 0 世纪末，国际上形成了一个燃料电池发动机系统及燃料电池电动汽车 的研究开发热潮。表1 2 所示为2 0 0 0 年以前世界上一些著名汽车公司研制的燃 料电池电动汽车【】。 表1 22 0 0 0 年以前燃烧电池汽车发展状况一览表 研制公司燃料电池汽车名称时间燃料贮存燃料供应辅助能源 戴姆勒一克来斯 n e c k a r ( v a n ) 1 9 9 4 压缩氢气直接 勒汽车公司 n e c a r 2 ( v - c l a s s ) 1 9 9 6 压缩氢气直接 n e c a r 3 r a - c l a s s ) 1 9 9 7 甲醇重整 n e c a r 4 r a - c l a s s ) 1 9 9 9 液氢直接 c o n c e p t 汽油重整蓄电池 第一章引言 续表1 2 2 0 0 0 年以前燃烧电池汽车发展状况一览表 大众汽车公司 c o n c e p t 甲醇重整 蓄电池 福特汽车公司p 2 0 0 0 1 9 9 9 压缩氢气直接 通用汽车公司c o n c e p t 汽油重整 蓄电池 r a w1 9 9 6 金属氢化物蓄电池 车田汽车公司 r a w1 9 9 7甲醇重整蓄电池 进入2 1 世纪以来，世界各大汽车公司继续加大力度研制燃料电池汽车，纷 纷推出了越来越接近商业化要求的产品。丰田公司在2 0 0 2 年推出了f c h v 系列 燃料电池汽车的最新产品，并获得了日本国土交通省大臣颁发的认定证书，准 许其于2 0 0 2 年1 2 月2 曰起开始限量销售。奔驰汽车公司开发的燃料电池公共 汽车已经在我国北京清洁能源汽车示范线开始载客运营。 表1 3 丰田f c h v 燃料电池汽车技术数据n 2 】 车长，车宽车高 4 ，7 3 5m m 1 ，8 1 5m m 1 ，6 8 5n l l n 车辆 重量 l ，8 6 0 k g 限乘人数5 人 连续行驶距离( 1 0 1 5 工况)3 0 0 k m 性能 最高时速1 5 5k m h 种类固体高分子型 燃料电池 功率9 0 k w 种类交流同步电机 驱动电机最大功率 8 0 k w ( 1 0 9 p 趴 最大扭矩 2 6 0 n m ( 2 6 5 k g m 1 种类纯氢 燃料 贮藏方式高压氧气罐 辅助能源种类 镍氢电池 福特汽车公司在2 0 0 2 年纽约国际汽车展览会展出了全新福克斯( f o c u s ) 燃 料电池轿车，如下图1 5 【13 1 。f o c u sf c v 上采用了新型b a l l a r dm a r k9 0 2 燃料电 池组，并配置有3 0 0 伏三洋蓄电池组作为辅助能源，增加了电控制动和电液再 第一章引言 生制动系统。福特公司计划在2 0 0 4 年正式投产该型燃料电池轿车。 图1 5 福特燃料电池混合动力汽车 1 3 课题意义及章节安排 1 课题意义 本课题来源于国家8 6 3 重大专项“电动汽车”项目，此项目正是为促进我 国燃料电池技术的发展并使其产业化而设立的。目前国内虽然已经有一些燃料 电池，可是并没有设计出一个实用可靠的控制系统，不利于燃料电池的发展。 本课题正是参加8 6 3 “燃料电池轿车”项目，研制一种稳定可靠的燃料电池控制 系统。稳定可靠的燃料电池控制器可以提高燃料电池的性能、可靠性和使用寿 命，从而保证发动机能够安全稳定可靠的工作，延长其使用寿命。燃料电池是 一新兴的高新技术领域，是近年来各国尤其发达国家争相研究的热点。研究燃 料电池控制系统可以缩小我国同发达国家之间的技术差距，争取我国在燃料电 池这一新兴的高新技术领域占据一席之地，并促使燃料电池这一新的产业快速 发展。p e m f c 以氢气为燃料，氧气或者空气为氧化剂，产物仅仅是纯净水，噪音 小，并且燃料不依赖于日益紧缺的石油资源。p e m f c 是绿色环保的动力源，其主 要优点是能量转化效率高，功率密度高，启动时间短，达到满负荷运行时间短。 p e m f c 的这些特点使其有非常广阔的应用前景，可以用在一切海陆运载工具上用 作新型无污染发动机，或作为移动的小型发电站，具有广阔的环保价值、实用 价值和市场价值。燃料电泡能从根本上解决电动汽车续驶里程短的问题，被公 第一章引言 认为是目前电动汽车最重要的能源之一，采用p e m f c 和蓄电池相结合的混合动 力被公认为最有前途的一种混合动力。 2 论文章节安排 第一章主要对燃料电池工作原理、分类进行了简明概括，介绍了燃料电池 汽车概念及发展现状，本研究课题的背景、来源及研究意义。 第二章主要介绍了质子交换膜燃料电池系统的组成及工作原理，分析了系 统水、热、电、气的管理与控制，以及系统的控制量及控制量参数对电池组性 能的影响。 第三章主要分析燃料电池组控制系统及控制系统要求，提出燃料电池发动 机( f c e ) 控制系统设计方案。利用c a n 总线技术设计模块化的分散控制系统， 选用m o t o r o l a 公司的1 6 位单片机m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b 作为核心处理器设计了 燃料电池控制系统的主控制器，完成了控制器硬件设计，通讯协议定义及软件 设计。 第四章分析了电池组单池电压监测的重要性，设计了单池电压监测系统的 硬件及软件；分析了电池组温度控制的重要性。采用脉宽调制技术( p w m ) ，大 容量m o s f e t 作为冷却风扇驱动器件，设计了电池组温度控制器：在f c e 的温 度控制中，根据被控对象特点提出曲线拟合的温度控制方法。进行大量实验测 试，总结出电流温度曲线，解决了f c e 温度控制的关键技术。 第五章主要是课题中各阶段的测试实验，包括f c e 测试，动力系统台架实 验及燃料电池轿车( f c v ) 样车转毂实验。验证控制系统的有效性和可靠性。选 择了测试实例进行测试条件，测试方法及实验结果的分析。 第六章为论文工作的总结及展望。课题共参与两代燃料电池轿车的研制， 参与设计完成两代燃料电池轿车超越二号及超越三号的f c e 控制系统。 第二章p e m f c 简介及f c e 系统 第二章p e m f c 简介及f c e 系统 由于质子交换膜燃料电池除了具有般特点( 如能量转化效率高、环境友 好等) 之外，同时还具有可在室温下快速启动、无电解液流失、水易排出、寿 命长、比功率与比能量高等突出特点。因此特别适合用作可移动动力源，是电 动汽车最佳电源。现在已经成为全世界研究的熟点。 2 1p e m f c 工作原理 质子交换膜型燃料电池( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n c ef u e lc e l l ，p e m f c ) 以 全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂炭或者铂钌炭为电催化剂，氢或净化重整 气为燃料，空气或者纯氧为氧化剂，带有气体流通通道的石墨或者表面改性的 金属板为双极板。图2 1 为p e m f c 的工作原理示意图【1 4 1 。 图2 1p e m f c 的工作原理示意图 由图中可以看出，构成p e m f c 的关键材料与部件为电催化剂、电极( 阳 极与阴极) 、质子交换膜和双极板。 p e m f c 中的电极反应类厨于其他酸性电解质燃料屯池。阳极催化层中的氢 气在催化剂作用下发生电极反应： h 2 呻2 h + + 2 e 一( 1 - 1 ) 该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经电解质膜到达阴极。氧 气于氢离子及电子在阴极发生反应生成水： l 。：- 02 + 2 h 十+ 2 e 一h2o( 1 - 2 ) 第二章p e m f c 简介及f c e 系统 思及肚。h2 + d2 = h 2o ( 1 - 3 ) 生成的水不稀释电解质，而是通过电极随尾气排出。 图2 2 为p e m f c 单池结构示意图。单池是构成电池组的基本单元，单体主 要由膜电极、双极板和密封垫片等组成。双极板提供反应物和产物的流场，同 时要传导电流；密封垫片保证气密性，以实现电池结构的紧装配。单池的研究 在燃料单池开发过程中起着承上启下的关键作用。 对于质子交换膜燃料电池来说，为改善电极与膜之间的接触，通常采用热 加压的方法：即在全氟磺酸树脂玻璃化温度下施加一定的压力，将已经加入全 氟磺酸树脂的氢电极( 阳极) 、隔膜( 全氟磺酸型质子交换膜) 和已经加入全氟 磺酸树脂的氧电极( 阴极) 压合在一起，形成电极一膜一电极“三合一，组件， 或者称m e a t ”】。 图2 2p e m f c 结构示意图 1 ) 阳极板，2 、6 ) 橡胶垫片，3 、5 ) 搜集电流网4 ) 膜、电极三合一组件7 ) 阴极板 至今，绝大多数p e m f c 电池组是按压滤机方式组装的，而且大多采用内共 用管道形式，结构图1 卅如下所示： 图2 3 电池组结构示意图 由图可知，电池组的主体为m e a 、双极板及相应的密封件单元的重复，一 0 第二章p e m f c 简介及f c e 系统 端为氧单极板，可兼作电流导出板，为电池组的正极；另一端为氢单极板，也 兼作电流导入板，为电池组的负极。与这块倒流板相邻的是电池组端板，也称 夹板，在其上除布有反应气与冷却液进出通道外，周边还均布定数目的圆孔。 在组装电池组时，圆孔内穿入螺杆，给电池旌加一定的组装力。 2 2f c e 系统设计 2 2 1f c e 系统结构设计 汽车上使用的燃料电池系统又称作燃料电池发动机( f u e lc e l le n g i n e 缩写 f c e ) 。本系统采用纯氢为燃料，氢气供应系统由储氢设备和压力调节设备及管 路组成，储氢设备为碳纤维高压氢气瓶。氢气经过单向阀、减压阀、管路供给 电堆，为了提高氢能的利用率，将尾气中未参加反应的氢气通过水气分离、循 环泵回收再利用，同时反应生成的水经过排水阀排出。 f c e 系统由电堆、氢气供应体系、空气供应体系、水管理体系和热管理体 系组成。本系统组成见图2 4 所示： 图2 4p e m f c 系统组成图 第二章p e m f c 简介及f c e 系统 ( 1 ) 燃料电池组：该燃料电池为p e m f c ，氢气( 还原剂) 存储于氢气罐中， 氧气( 氧化剂) 从空气中提取。由于p e m f c 单体的电压比较低( 例如以氢为燃 料的p e m f c ，其单体的工作电压仅为0 6 0 8 v ) ，不可单独使用，必须多级组 合成电池组后使用，电池组是整个p e m f c 系统的基本组成，由数目不等的单体 电池和双极板组成，单体电池的面积决定电流的大小，而电池组的数目决定总 电压的高低，二者共同决定了电池组的功率。 从整车角度考虑，它属于低电压系统( 其运行电压低于3 1 0 v ，整车需要通 过升压d c d c 获得能量) ；从燃料电池的运行气体压力考虑，它属于低压力系 统( 氢气平均运行压力0 6 个大气压，空气平均运行压力1 0 个大气压) ，它由 3 4 8 个单片串联而成，其正常工作电压范围为2 2 0 v - - 3 1 0 v ，工作电流范围为o a 一1 8 0 a ，最大功率4 0 k w 。 ( 2 ) 空气回路：空气供应系统中，通过空气压缩机向电池组供应0 5 b a r 左右 的低压空气，经由空气滤清器进入空气管路，再经空气增湿器对电池入口空气 进行加温加湿，然后进入电堆，尾气经增湿器后排出。整个空气的回流由空气 压缩机实现，而空气压缩机是通过变频器调节的。 ( 3 ) 氢气回路：高压氢气存贮于高压储氢罐中，先后经高压双稳态阀、防回 火阀、一级减压阀、二级稳压减压阀后进入氢气增湿器，加湿后的氢气进入电 池，反应后的尾气经汽水分离器后，一部分与水直接排出，另一部分通过由氢 气循环泵返回到氢气入口端。 ( 4 ) 水路回路：水路的回流是由水泵作为动力的，而水泵是由水泵变频器控 制的。水箱中的水经散热器后进入电池，在电池中经热交换后流出，回流到水 箱中。旁路阀可使部分水不经过散热器直接流入电池中，以便迅速提升燃料电 池反应温度。 ( 5 ) 氮气回路：它主要由贮氮罐和氮气阀组成。氮气在燃料电池中用于使电 池内部组件的相互作用力恒定，对整个电池结构产生压紧的效果。超越三号取 消氮气回路，改由弹性固件产生压紧力。 2 2 2 系统水、热、电、气的管理与控制 影响p e m f c 性能的两个重要的问题是：水管理和热管理；水管理能确保聚合 物电解质膜维持在最佳的水合状态以获得高的传导性和好的运行特性。在目前 的设计中，p e m f c 的膜的饱合状态是通过加湿反应气体来维持的。为了防止膜的 干燥及超温运行，需要有相应的传热机制以移走电化学反应产生的热量。p e m f c 第二章p e m f c 简介及f c e 系统 中的水以气态和液态存在的( 取决于存在点的温度和压力) ，其来源包括：阴极电 化学反应生成的和反应气体带入的。水过多或过少对于p e m f c 的性能都会带来 负面影响【“1 ： ( 1 ) 液态水的凝聚会导致阴极氧化剂气体的扩散速度降低传质过程受阻， 而水过多会淹没催化剂的活性点： ( 2 ) 液态水的存在导致气体在电极内和各单元之间分布不均匀，电池性能下降， 并造成系统内各个单元电池的电压不等： ( 3 ) 反应气体被水蒸气稀释，从而造成反应界面上反应气体的不足： ( 4 ) 如果质子交换膜是水过多，其电导率将会下降，导致电池的欧姆电压降增大： ( 5 ) 质子交换膜中的含水量对电催化活性也有影响，膜失水后催化层界面的活性 也会下降。 由此可知，保持电池内部适当的湿度，并及时排出阴极侧多余的水，是确 保质子交换膜燃料电池稳定运行及延长工作寿命的重要手段。为确保电池组性 能，反应气必须预增湿。此电池组使用尾气循环反应气增湿方法。由于p e m f c 电化学反应生成的水和水在电池内传递，p e m f c 电池组排出尾气的湿度已经达 到或接近1 0 0 ，因此只要将电池尾气循环，与新进入尚未增湿的反应气混合， 再进入电池组，即可达到对反应气增湿的目的。尾气循环采用风机进行，电池 组进口反应气的湿度则由循环尾气湿度与循环比决定。增加风机转速就可以增 加循环比，从而提高反应气湿度。 本系统通过优化电池结构，使电池内部由阴极至阳极形成一定的水浓度梯 度，这样阴极产生的水可以反扩散回阳极，并随阳极尾气以气态形式排放出来。 由于这种方法是通过阳极排水，因而对阴极极化影响较小( p e m f c 的极化主要 集中在阴极) ，电池性能也较高。由于电渗作用及阴极区生成水的影响，在p e m f c 中从阴极至阳极本身就存在着一个水的浓度梯度1 8 ，1 9 】，阳极排水正是利用了水 从阴极向阳极的反扩散，研究表明，采用有效的水管理后，不仅增加了电池的 峰值功率，而且增大了电池在峰值功率工作时的稳定性。 p e m f c 的热管理是指对电池工作温度的控制。在p e m f c 电池组工作温度 维持在6 0 一7 5 ，有5 0 左右的热量必须排出。需要采取适当的冷却措施，如 空冷或水冷，以维持电池组工作温度。本系统采用水冷，循环冷却水通过去离 子后进入水箱。通过调节水泵的转速，可以控制冷却水的流量，冷却水经过两 路，一路为散热器，一路为旁路阀，最后的阐水再次回到水箱。通过调节旁路 第二章p e m f c 简介及f c e 系统 阀的开度，即可控制流经散热器的水的比例，从而可以使燃料电池组快速升温。 冷却液采用去离子水，对水的电导要求非常严格。 燃料电池的电管理主要包括各个单体电池的电压检测、输出电流过电流保护 等。在燃料电池工作期间，电浊组监控器要不断检测单电池电压、输出总电压， 输出电流等。若有某单电池损坏，则可能导致电池组不能正常运行，甚至爆炸。 当输出电流过载时，电池组也会出现故障及危险，这时就要及时停止电池组工 作。 燃料电池主要通过氢气与氧气的反应来发电。因此气管理在系统中具有重要 作用。首先根据当前设定的功率，来选择最佳运行状态下的反应气体压力，另 一方面，反应气体不断消耗，流量的变化会导致压力的波动【2 0 2 1 1o 为了保证燃 料电池的正常运转，必须设计合理的气管理系统。 质子交换膜燃料电池是一个涉及电化学、流体力学、热力学、电工学及自 动控制等多学科的复杂系统。质子交换膜燃料电池系统在运转过程中，需要调 节与控制的物理量和参数非常多，难以手动完成。为使质子交换膜燃料电池系 统长时间安全、稳定地发电，必须配置系统控制单元，以实现燃料电池组与各 个功能单元的协调工作。 2 3 本章小结 本章概括了质子交换膜燃料电池的工作原理和特点，介绍了质子交换膜燃 料电池组结构及工作原理，分析了质子交换膜燃料电池发动机系统的设计及质 子交换膜燃料电池的水、热、电、气的管理与控制，分析了系统的控制量及控 制量参数对电池组性能的影响。 第三章f c e 系统控制方案及主控制器设计 第三章f c e 系统控制方案及主控制器设计 3 1f c e 控制系统分析及要求 3 1 1 控制系统功能任务 燃料电池发动机控制系统的功能为：和整车通信，根据整车的需求，控制燃 料电池发动机工作在最佳的状态，检测发动机的工作状况，对于潜在的故障进 行处理。燃料电池发动机控制系统的任务是：快速响应车辆管理系统( v m s ) 的功率设定值，控制发动机产生系统所需要的功率输出，对于发动机的工作状 况进行监控，保证发动机的稳定、可靠的运行。此外，该系统应当能够对关键 的执行机构的故障进行诊断，对重要的系统参数能够进行标定。图3 1 为燃料电 池发动机主控制系统框图瞄】： 进氢阀 图3 1 燃料电池发动机结构图 1 通信功能 燃料电池发动机作为整车的一个部分，需要向整车管理系统汇报当前的工 作状态和相关的工作参数，接受整车的操作指令。同时，发动机需要根据整车 的功率需求来调节辅助系统，控制发动机工作在最佳的工作状态。通信是燃料 第三章f c e 系统控制方案及主控制器设计 电池发动机和整车管理器联系的纽带，其可靠性是整车安全运行的关键，同时 也为整车控制的智能化和x b y w i r e 的实现提供扩展的空间【2 3 1 。 2 控制功能 控制功能是指控制燃料电池发动机的辅助系统按照适合的工作流程进行工 作，以保证电池组工作在最佳的温度、湿度和压力等条件下。燃料电池堆是发 动机的心脏，是电化学反应的场所，也是整个控制系统的控制对象。控制系统 的最主要的控制目标就是保证进入电池组的空气、氢气在适合的压力、流量、 温度和湿度的条件下进行反应。燃料电池发动机辅助系统包括；空气供应系统、 氢气供应系统、水热平衡系统。 3 空气供应系统 空气供应系统通过空气压缩机将环境的空气压进燃料电池发动机，通过增湿 器调节进入电池组空气的湿度。空气压缩机一般通过变频器进行调节，通过调 节压缩机的转速来控制空气的供应量。增湿器的设计现阶段基本上是采用了焓 轮、喷雾等增湿的方法，通过控制焓轮的转速或者控制喷雾阀门的开度来控制 空气的湿度，同时调整供应空气的温度。此外，某些低压燃料电池发动机还采 用了加热的方法来控制供应空气的温度，某些高压系统还采用了膨胀机和倍压 阀等【2 4 1 。 4 氢气供应系统 氢气供应系统通过减压阀和压力调节阀将储氢设备中的氢气进行压力调节， 然后经过电磁阀供给燃料电池堆。在进入电堆前进行增涅处理，一般采用湿膜 增湿的方法，不需要控制。未消耗的氢气在电堆中，在氢气循环泵的作用下进 行循环，在电池组出口氢气温度较高的情况下，需要进行降温处理。此外，由 于氢气中含有水分和惰性气体，工作一段时间需要经过排放阀排放。 5 水热平衡系统 水热平衡系统主要是利用冷却水在冷却水泵的作用下从电堆中带走热量，经 由冷却水箱和散热风扇进行热交换，达到控制电池组温度的效果。同时水热平 衡系统对增湿器等进行供水量控制，以及回收多余的水和电化学反应的生成水。 冷却水泵的控制和空气压缩机类似，采用变频器控制的方式。冷却风扇使用脉 宽调制技术( p w m ) 进行电压调制来控制转速。在某些系统中还采用了分流阀 的方式来控制电池组的温度。 综上，汽车用燃料电池发动机控制器应该满足如下功能： 第三章f c e 系统控制方案及主控制器设计 控制燃料电池发动机开机、关机和运行； 整车控制器c a n 通讯接口； 控制空气压缩泵速度，即控制空气流量在最佳点； 控制电池组温度和空气增湿器使电堆运行在最佳状态； 保护电池组不运行在过载、过温和故障状态； 3 1 2 执行系统与信号量总结 f c e 控制执行电器部件如表3 1 ；传感器和执行器件参数如表3 2 。 表3 1f c e 控制执行电器部件 执行器件名称执行器件功能描述控制方式 氯气阀氢气瓶出口电磁开关1 2 v 电压信号 调压稳压阀该阀具有调压和稳压的作用机械阀 前端排氢阀主要把前端管路中的积水排出2 4 v 电压信号 后端排氢阀主要把电池中氢侧的过剩的水排出2 4 v 电压信号 氢气增湿器对进入电池前的氢气进行增湿，使反应更好管道内增湿方法 空气压缩机空气回流的源动力通过l g 系列变频器控制， r s 4 8 5 总线控制； 空气增湿器对进入电池浅的空气进行增湿、加温o 一5 v 电压信号( p w m ) 水泵水路回流的源动力通过l g 系列变频器控制， r s 4 8 5 总线控制； 旁路阀旁路一部分水不经散热器2 4 v 电压信号 散热器控制水温0 - - 1 2 v 电压驱动( p w m ) 氨气阀利用氮气吹扫管道2 4 v 电压信号 表3 2 传感器和执行器件参数 序号名称型号参数信号 1 压力传感器 e c 0 1 0 b s 6 h g0 一l o o p s l0 5 v _ 4 5 v 2 电流传感器 c s l a 2 e l5 0 0 a0 5 v 4 5 v 3 高压氢气传感器 e c 0 5 k p s i p g5 0 0o _ p s i5 v d c 4 温度传感器 t d 4 a 1 0 0 o 5 v 5 气泵变频器 l g2 2 0 、r a c 3 7 k w 4 8 5 b u s 6 水泵变频器 l g2 2 0 v a c 2 2 k w 4 8 5 b u s 7 电磁阀 2 4 v d c 8 增湿电机 2 4 v d c 9 冷却风扇 1 2 v d c 表3 1 、表3 2 和下表3 3 分析了f c e 系统中的执行器件部分，包括每个执 行器件的功能、控制方式和型号参数。表3 3 分析了f c e 系统中的传感器信号 部分，这里的控制器信号获取方式是指燃料电池控制器( f u e lc e l lc o n t r o l l e r ， f c c ) 获取信号量的方式，“c a n 子网”是指信号经c a n 节点测量处理后发送 1 7 第三章f c e 系统控制方案及主控制器设计 到总线上，由f c c 接收得到的方式；“a d 转换”是指传感器信号直接