氢燃料电池控制策略

-.z目录30KW车用氢燃料电池控制策略错误！未定义书签。目录11控制策略的依据2230KW车用氢燃料电池控制策略22.1P&ID22.2模块技术规*22.3用户接口错误！未定义书签。2.4系统量定义22.5电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略2巡检通道断线诊断处理错误！未定义书签。巡检通道断线诊断结果处理错误！未定义书签。2.6Cell电压测算错误！未定义书签。2.7电堆安康度SOH评估错误！未定义书签。特性曲线电阻段对安康度的评估方法错误！未定义书签。2.8ALARM和FAULT判定规则22.9工作模式〔CRM和CDR〕策略22.10电堆冷却液出口温度设定值策略22.11空气流量需求量计算22.12阳极氢气循环回路控制策略错误！未定义书签。2.13阴极空气传输回路控制策略22.14冷却液传输回路控制策略错误！未定义书签。2.15阳极吹扫〔Purge〕过程22.16防冻〔Freeze〕处理过程22.17泄漏检查〔LeakCheck〕机理2在CtrStat17下的LeakCheck2下的泄漏检查22.18注水入泵〔Prime〕过程22.19状态及迁移2状态定义2状态迁移图2状态功能2迁移条件错误！未定义书签。2.20CAN通讯协议。错误！未定义书签。3未确定事项错误！未定义书签。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，为了到达稳定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，确定一个平安稳定工作区域。根据输出特性曲线的平安稳定工作区域，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*〔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。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。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〔θ_FB〕、模块左右向水平倾斜角〔θ_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〔Ma*V_Cell〕、最大电压的节号〔No_Ma*V_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。模块技术规*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停顿时间〔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〔Ma*Q_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_Wettedp〕：2℃最大燃料电池模块内部温度〔Ma*T_FCPM〕:55℃相对湿度〔RH〕：≤95%海拔〔AT〕：0–1600m水平倾角〔θ〕：±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〔Ma*DropP_Coolant〕:≤35kPa最大冷却液入口压力〔Ma*P_CoolantInlet〕：≤170kPaCAN总线：CAN2.0A/BPassive(Standard11bit)BPS250kb/s-.z系统量定义-.z-.z电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略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00FAULT5005,6,7,8,9CellLowVoltageMinV_Cell<0.1V00FAULT5008,9CellLowVoltageMinV_Cell<0.5V01FAULT1000非1,2,10,11CoolantHighTemp.T_Coolant>80℃04FAULT100非1,2,10Heartbeat在心跳时间内未接收到1C0或1C0+ID命令06FAULT100非1，10InternalSys.E-stopE-STOP开关10FAULT10017H2SubsystemLeakCheckFault10FAULT1002H2SubsystemLeakCheckFault11FAULT10013FreezeFault12FAULT50005,6,7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14FAULT10015Purgefault15FAULT1000非1,5,6,7,10I_Bus>50A16FAULT100非1,10氢气进气阀翻开2秒后，P_H2IN>150PSI〔1032.4KPa〕17FAULT1000非1,10,13,15,17氢气进气阀翻开2秒后，P_H2IN<40PSI〔275.8KPa〕17FAULT300013氢气进气阀翻开2秒后，P_H2IN<40PSI17FAULT10015氢气进气阀翻开2秒后，P_H2IN<40PSI41ALARM1000非1,10,Q_Air<=0||Q_Air>3000(LPM)42ALARM1000非10，单机工作时，FC总线电流传感器输出电压<0.25或>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<0.25或>4.75〔A〕43ALARM1000非1,10冷却液出口温度<-50或>100〔℃〕44ALARM10005,6,7W_FC>33000〔W〕47ALARM150005,6,7,13氢气回流泵运行时，转速<300〔RPM〕〔10/2Hz〕50ALARM10000非1,11,10冷却液出口温度>75〔℃〕51ALARM100005,6,7V_Stack<60〔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<15〔A〕55ALARM1003Cell巡检通断有新断路错误56ALARM100非10,参数存贮表1，6全错参数存贮表2，7全错参数存贮表3，8全错上次的参数存贮表2，7全错工作模式〔CRM和CDR〕策略工作模式分为CRM(CurrentRampMode)和CDR(CurrentDrawRequest)。CRM模式，电流斜坡模式，是指负载电流以一定的斜率上升或下降。CDR模式，电流请求模式，是指在CDA限制下，负载电流通过通讯或模拟信号提供给FC控制器CDR值。电堆冷却液出口温度设定值(TCSP)策略空气流量需求量(QAR)计算空气流量需求QAR根本计算公式QAR=120×0.01657×α_Air×I_Bus注：120为电堆的总Cell数，0.01657为单个Cell在I_Bus为1A时，1分钟需要消耗的理论空气体积量〔升〕。α_Air是α_In的函数，该函数为多段线性插值FLOAT32Interp_α_Air(FLOAT32α_In)表5α_Air--α_In插值表α_Air2.72.52.32.32.22.22.02.02.01.9α_In0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9α_Air_CRM=Interp_α_Air(I_Bus/In_Bus)α_Air_CDR=Interp_α_Air(CDR/In_Bus)在状态CS5(CRM)下的处理1、过剩空气系数的处理进入CS5状态头30秒：α_Air=α_Air_CRM30秒后，先缺省α_Air=α_Air_CRM，在*个持续20秒的事件发生后，α_Air=α_Air_CRM+0.82、CRM工作模式I_Bus的200mS增量>8A或≤8A持续时间未到10秒，则QAR=120×0.01657×α_Air×(I_Bus+30)I_Bus的200mS增量≤8A持续时间达10秒后,则QAR=120×0.01657×α_Air×(I_Bus+10)3、CDR工作模式I_Bus的200mS增量>10A，则QAR=120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.2)I_Bus的200mS增量≤10A,则QAR=120×0.01657×α_Air×I_Bus4、最小值处理QAR结果小于50，则结果值为50。在状态CS6(CDR)下的处理α_Air=α_Air_CDR1、I_Bus>CDRQAR=120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.3)2、I_Bus≤CDR假设CDR≤(I_Bus+10)或CDR>(I_Bus+10)持续时间未到60秒，则QAR=120×0.01657×α_Air×(CDR×1.2)假设CDR>(I_Bus+10)持续时间到60秒后，则QAR=120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.2)3、最小值处理QAR结果小于50，则结果值为50。在状态CS7下的处理α_Air=α_Air_CRM1、从CS6迁入QAR=120×0.01657×α_Air×(CDR×1.5)2、从CS5迁入QAR=120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.5)CDA计算A、在状态CS5下的处理α_Air=α_Air_CRM在多机工作模式下：CDA=30+Q_Air/〔120×0.01657×α_Air〕在单机工作模式下：CDA=30+Q_Air/〔120×0.01657×α_Air〕B、在状态CS6下的处理α_Air=α_Air_CDRCDA=30+Q_Air/〔120×0.01657×α_Air〕在状态CS7下的处理1、从CS5或CS6迁入CS7时的I_Bus(I_Bus_56)≤30ACDA=5A2、从CS5或CS6迁入CS7时的I_Bus(I_Bus_56)>30ACDA=I_Bus_56–(t*5/400)阳极氢气循环回路控制策略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根本时间，再根据氢气回流泵的参数作调整。表6t_PurgeOff--α_In插值表t_PurgeOff6553565535450003000022500α_In0.00.10.20.30.4t_PurgeOff1800015000128751125010000α_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。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<QARn)PWM+=0.001*50*10=0.5;在CS4Step1下PWM_Air=50在CS4Step2下:PWM_Air=55在状态CS5、CS6、CS7下:包括2局部，根本局部PWM0_Air和调整局部PWM1_Air，PWM_Air的*围为10-100。根本局部由氢气需求量插值求得。FLOAT32Interp_PWM0_Air(FLOAT32QAR)PWM0_Air=Interp_PWM0_Air(QAR)表6PWM0_Air--QAR插值表PWM0_Air51631445665697071QAR0.064190315430520640750845PWM0_Air72757679838894100QAR9401170129014801660188021002150调整局部PWM1_Air计算过程：Q_Air的调整为回差增量式控制回路(控制周期50mS)，回差的下限为QAR，回差上限为在QAR的根底上增加1个QAR的百分比例α_QAR即QAR(1+α_QAR/100)。以C语言描述：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)*0.01/100;//0.01/100为减增量}If(Q_Air<QAR){If(PWM_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<(10–0.0-PWM0_Air))PWM1_Air=(10–0.0-PWM0_Air);}PWM_Air=PWM0_Air+PWM1_Air+0.0;//0.0为PWM1_Air的0位偏置//PWM_Air做10，100的上下限调整If(PWM_Air>100)PWM_Air=100;If(PWM_Air<10)PWM_Air=10在状态CS13下:C语言表示If(MinV_Cell>0.6V){QARn=120*0.01657*1.9*495=1870(LPM)If(Q_AIR<QARn)PWM_Air+=0.001*50*10=0.5//50为采样周期(mS)，10为每秒增加量}Else{If(V_Bus>30)PWM_Air=0;If(V_Bus<=30)PWM_Air=25}在除上述状态外的状态下：PWM_Air=0阳极吹扫〔Purge〕过程阳极吹扫(置换)过程，是在状态CS15下进展。在阳极吹扫过程中，冷却子系统和空气子系统都停顿运行。进展3次吹扫过程。吹扫过程如下：第1步：吹扫阀关闭，进气阀翻开，进展2秒，在此过程中，假设P_H2IN<40psig，则吹扫失败。第2步：进气阀关闭，吹扫阀翻开，进展58秒。在此过程中，假设P_H2IN<10psig在58秒内,则过程完毕；假设超过58秒，则吹扫失败。假设MinV_Cel>0.3V，则运行回流泵。防冻〔Freeze〕处理过程防冻处理在状态CS13下进展，为了在冻冰温度下停机，防止阴极和阳极出现冻冰。处理过程总进展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<QARn)PWM_Air+=0.001*50*10=0.5}Else{If(V_Bus>30)PWM_Air=0;If(V_Bus<=30)PWM_Air=25}假设PWM_Air为100时，Q_Air<600LPM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；假设收到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。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进展。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,总定时到时未完毕泄漏检查，则定为失败，置位LeakCheckFault标志Fault_LeakCheck。按下面步骤进展：第1步：0-5秒将H2进气阀翻开5秒；第2步：5-180秒在此阶段，关H2进气阀，假设H2进口压力P_H2IN<5psig，则定为失败，置位LeakCheckFault标志Fault_LeakCheck。第3步：180-185秒将H2进气阀翻开5秒。第4步：>185秒在此阶段开场，关闭H2进气阀。假设V_Stack<10V或者时间>470秒，则进入第5步。假设V_Stack>10V、时间<470秒且P_H2IN<5psig，则进展5秒补气并采样P_H2IN。第5步：该阶段，单独计时，5秒内补气并采样P_H2IN,120秒后，用当前P_H2IN减去5秒内的采样值，假设差值>36psig,则泄漏检测失败;假设<=36psig,则泄漏检查成功。CtrState2下的泄漏检查假设控制状态2是从控制状态5、6、7、