氫燃料電池控制策略
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目錄 30KW車用氫燃料電池控制策略 1 目錄 4 1 控制策略的依據(jù) 6 2 30KW車用氫燃料電池控制策略 7 2.1 P&ID 8 2.2 模塊技術(shù)規(guī)范 9 2.3 用戶接口 9 2.4 系統(tǒng)量定義 10 2.5 電堆電芯(CELL)電壓輪詢檢測(cè)策略 18 2.5.1 Cell巡檢通道斷線診斷處理 18 2.5.2 Cell巡檢通道斷線診斷結(jié)果處理 19 2.6 Cell電壓測(cè)算 19 2.7 電堆健康度SOH評(píng)估 20 2.7.1 特性曲線電阻段對(duì)健康度的評(píng)估方法 20 2.8 ALARM和FAULT判定規(guī)則 21 2.9 工作模式(CRM和CDR)策略 23 2.10 電堆冷卻液出口溫度設(shè)定值策略 23 2.11 空氣流量需求量計(jì)算 24 2.12 陽極氫氣循環(huán)回路控制策略 26 2.13 陰極空氣傳輸回路控制策略 28 2.14 冷卻液傳輸回路控制策略 29 2.15 陽極吹掃(Purge)過程 29 2.16 防凍(Freeze)處理過程 30 2.17 泄漏檢查(LeakCheck)機(jī)理 30 2.17.1 在CtrStat17下的LeakCheck 30 2.17.2 CtrState2下的泄漏檢查 31 2.18 注水入泵(Prime)過程 31 2.19 狀態(tài)及遷移 32 2.19.1 狀態(tài)定義 32 2.19.2 狀態(tài)遷移圖 33 2.19.3 狀態(tài)功能 34 2.19.4 遷移條件 38 2.20 CAN通訊協(xié)議。 39 3 未確定事項(xiàng) 40 1 控制策略的依據(jù) 對(duì)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(shí)間)、最小穩(wěn)定功率(小于該功率,功率輸出波動(dòng)大,長(zhǎng)時(shí)間小于最小穩(wěn)定功率下工作(包括開路),對(duì)電極有損傷))、效率(以氫氣低燃值計(jì)算,凈輸出功率),生命周期、啟動(dòng)時(shí)間(從空閑到額定功率)、停機(jī)時(shí)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(duì)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(duì)氫燃料電池的設(shè)計(jì)、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(duì)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(duì)壓力)、陽極中氫氣的濕度,陰極空氣的壓力和流速、陰極空氣的濕度,陽極和陰極的的壓差、膜的溫度,因流場(chǎng)氣流的影響,流場(chǎng)入口端的濕度低于流場(chǎng)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(gè)因素。因質(zhì)子交換膜氫燃料電池,在輸出功率時(shí)會(huì)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(cè)試不同電流下的熱量,用于設(shè)計(jì)熱源到冷卻介質(zhì)間的熱阻(工藝設(shè)計(jì)中計(jì)算或測(cè)試)及冷卻流道的工藝參數(shù)。因陽極在輸出功率時(shí),濕度會(huì)逐漸增大,會(huì)產(chǎn)生水以及氫氣純度會(huì)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(duì)于電堆,通過實(shí)驗(yàn)和測(cè)試,繪制各個(gè)因素組合下的輸出特性曲線。根據(jù)這些測(cè)繪出的輸出特性曲線,綜合出各個(gè)指標(biāo)。根據(jù)指標(biāo),在輸出特性曲線中,確定一個(gè)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(gè)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(cè)》)。 根據(jù)《電堆集成手冊(cè)》,設(shè)計(jì)電堆模塊,根據(jù)電堆模塊的工藝,形成《模塊手冊(cè)》。根據(jù)《模塊手冊(cè)》設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)工藝。最終形成《系統(tǒng)工藝流程圖》(P&ID)。對(duì)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(dòng)過程,狀態(tài)及遷移,CAN通訊協(xié)議。 2.1 P&ID 1、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(dòng)器PWM(PWM_H2RecirPump),氫氣回流泵驅(qū)動(dòng)器中的1個(gè)測(cè)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(θ_FB)、模塊左右向水平傾斜角(θ_LR)。 2、陰極空氣子系統(tǒng)控制涉及的項(xiàng): 空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器PWM(PWM_CoolantPump)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(dòng)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(hào)(No_MinV_Cell,0-119,0號(hào)在前端)、電堆單節(jié)最大電壓(MaxV_Cell)、最大電壓的節(jié)號(hào)(No_MaxV_Cell,0-119,0號(hào)在前端)、電堆單節(jié)平均電壓(AvgV_Cell)、電堆計(jì)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_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(dòng)時(shí)間(t_Startup):≤ 20S 停止時(shí)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)部溫度(MaxT_FCPM): 55℃ 相對(duì)濕度(RH):≤ 95% 海拔(AT):0 – 1600m 水平傾角(θ):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):≤ 170kPa CAN總線:CAN 2.0A/B Passive(Standard 11 bit) BPS 250 kb/s 2.3 系統(tǒng)量定義 2.4 電堆電芯(CELL)電壓輪詢檢測(cè)策略 2.5 ALARM和FAULT判定規(guī)則(S3EDAE3) 字節(jié) 位 類型 持續(xù)時(shí)間 ( mS ) 有效狀態(tài)域 CtrState 源 0 0 FAULT 500 5,6,7,8,9 Cell Low Voltage MinV_Cell<0.1V 0 0 FAULT 500 8,9 Cell Low Voltage MinV_Cell< 0.5V 0 1 FAULT 1000 非1,2,10,11 Coolant High Temp. T_Coolant>80℃ 0 4 FAULT 100 非1,2,10 Heartbeat 在心跳時(shí)間內(nèi)未接收到1C0或1C0+ID命令 0 6 FAULT 100 非1,10 Internal Sys. E-stop E-STOP開關(guān) 1 0 FAULT 100 17 H2 Subsystem LeakCheck Fault 1 0 FAULT 100 2 H2 Subsystem LeakCheck Fault 1 1 FAULT 100 13 Freeze Fault 1 2 FAULT 5000 5,6,7 單機(jī)工作時(shí)冷卻液水位開關(guān)為低液位 1 2 FAULT 30000 3,4 單機(jī)啟動(dòng)時(shí)冷卻液水位開關(guān)為低液位 1 4 FAULT 100 15 Purge fault 1 5 FAULT 1000 非1,5,6,7,10 I_Bus>50A 1 6 FAULT 100 非1,10 氫氣進(jìn)氣閥打開2秒后,P_H2IN>150PSI(1032.4KPa) 1 7 FAULT 1000 非1,10,13,15,17 氫氣進(jìn)氣閥打開2秒后,P_H2IN< 40PSI(275.8KPa) 1 7 FAULT 3000 13 氫氣進(jìn)氣閥打開2秒后,P_H2IN< 40PSI 1 7 FAULT 100 15 氫氣進(jìn)氣閥打開2秒后,P_H2IN < 40PSI 4 1 ALARM 1000 非1,10, Q_Air<= 0 || Q_Air>3000 (LPM) 4 2 ALARM 1000 非10, 單機(jī)工作時(shí),F(xiàn)C總線電流傳感器輸出電壓<0.25 或>4.75 4 2 ALARM 1000 非1,10 多機(jī)工作時(shí)的主機(jī)(1號(hào)機(jī)),F(xiàn)C總線電流傳感器輸出電壓<0.25 或 >4.75(A) 4 3 ALARM 1000 非1,10 冷卻液出口溫度 <-50或 >100(℃) 4 4 ALARM 1000 5,6,7 W_FC>33000 (W) 4 7 ALARM 15000 5,6,7,13 氫氣回流泵運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)速 < 300 (RPM)(10/2Hz) 5 0 ALARM 10000 非1,11,10 冷卻液出口溫度 >75(℃) 5 1 ALARM 10000 5,6,7 V_Stack<60(V) 5 2 ALARM 100 7 1 5 3 ALARM 15000 11,19 單機(jī)工作時(shí),冷卻液水位低 5 3 ALARM 500 5,6,7,11 多機(jī)工作時(shí),冷卻液水位低 5 3 ALARM 30000 3,4 多機(jī)工作時(shí),冷卻液水位低 5 3 ALARM 15000 19 多機(jī)工作時(shí),冷卻液水位低 5 4 ALARM 300000 5,6,7 I_Bus<15(A) 5 5 ALARM 100 3 Cell巡檢通斷有新斷路錯(cuò)誤 5 6 ALARM 100 非10, 參數(shù)存貯表1,6全錯(cuò) 參數(shù)存貯表2,7全錯(cuò) 參數(shù)存貯表3,8全錯(cuò) 上次的參數(shù)存貯表2,7全錯(cuò) 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(qǐng)求模式,是指在CDA 限制下,負(fù)載電流通過通訊或模擬信號(hào)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(jì)算 空氣流量需求QAR 基本計(jì)算公式 QAR = 120 0.01657 α_Air I_Bus 注:120 為電堆的總Cell數(shù),0.01657為單個(gè)Cell在I_Bus為1A時(shí),1分鐘需要消耗的理論空氣體積量(升)。 α_Air是α_In的函數(shù),該函數(shù)為多段線性插值 FLOAT32 Interp_α_Air(FLOAT32 α_In ) 表5α_Air --α_In 插值表 α_Air 2.7 2.5 2.3 2.3 2.2 2.2 2.0 2.0 2.0 1.9 α_In 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 α_Air_CRM = Interp_α_Air(I_Bus /In_Bus ) α_Air_CDR = Interp_α_Air(CDR / In_Bus ) A、 在狀態(tài)CS5(CRM)下的處理 1、過??諝庀禂?shù)的處理 進(jìn)入CS5狀態(tài)頭30秒:α_Air = α_Air_CRM 30秒后,先缺省α_Air = α_Air_CRM,在某個(gè)持續(xù)20秒的事件發(fā)生后,α_Air = α_Air_CRM + 0.8 2、CRM工作模式 I_Bus的200mS增量> 8A或≤8A持續(xù)時(shí)間未到10秒,則 QAR = 120 0.01657 α_Air (I_Bus +30) I_Bus的200mS增量≤ 8A持續(xù)時(shí)間達(dá)10秒后,則 QAR = 120 0.01657 α_Air (I_Bus +10) 3、CDR工作模式 I_Bus的200mS增量> 10A,則 QAR = 120 0.01657 α_Air (I_Bus 1.2) I_Bus的200mS增量≤ 10A,則 QAR = 120 0.01657 α_Air I_Bus 4、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)下的處理 α_Air =α_Air_CDR 1、I_Bus> CDR QAR = 120 0.01657 α_Air (I_Bus 1.3) 2、I_Bus≤ CDR 若CDR ≤ (I_Bus+10)或CDR > (I_Bus+10)持續(xù)時(shí)間未到60秒,則 QAR = 120 0.01657 α_Air (CDR 1.2) 若CDR > (I_Bus+10)持續(xù)時(shí)間到60秒后,則 QAR = 120 0.01657 α_Air (I_Bus 1.2) 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 α_Air =α_Air_CRM 1、從CS6遷入 QAR = 120 0.01657 α_Air (CDR 1.5) 2、從CS5遷入 QAR = 120 0.01657 α_Air (I_Bus 1.5) 2.9 CDA計(jì)算 A、在狀態(tài)CS5下的處理 α_Air =α_Air_CRM 在多機(jī)工作模式下: CDA = 30 + Q_Air/(120 0.01657 α_Air ) 在單機(jī)工作模式下: CDA = 30 + Q_Air/(120 0.01657 α_Air ) B、在狀態(tài)CS6下的處理 α_Air =α_Air_CDR CDA = 30 + Q_Air/(120 0.01657 α_Air ) D、 在狀態(tài)CS7下的處理 1、從CS5或CS6遷入CS7時(shí)的I_Bus (I_Bus_56)≤ 30A CDA = 5A 2、從CS5或CS6遷入CS7時(shí)的I_Bus(I_Bus_56)> 30A CDA = 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(dòng)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(shí)間先根據(jù)額定電流比插值基本時(shí)間,再根據(jù)氫氣回流泵的參數(shù)作調(diào)整。 表6t_PurgeOff --α_In 插值表 t_PurgeOff 65535 65535 45000 30000 22500 α_In 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 t_PurgeOff 18000 15000 12875 11250 10000 α_In 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 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(hào),只有PWM控制信號(hào)PWM_Air。 在狀態(tài)CS3Step2下: If(V_Bus> 30.0V) PWM_Air =0 If(V_Bus<= 30.0V) PWM_Air =25 在CS3Step3、CS8、CS9下: QARn = 120 * 0.01657 * 1.9 * 495 = 1870(LPM) If(Q_AIR- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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