氢燃料电池控制策略Word版.docx

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62 30KW车用氢燃料电池控制策略72.1 P&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182.5.1 Cell巡检通道断线诊断处理182.5.2 Cell巡检通道断线诊断结果处理192.6 Cell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202.8 ALARM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LeakCheCk302.17.2 CtrState2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382.20 CAN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）±o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（木文档中，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&D)O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(LeokCheck)过程、注水入泵(Prime)过程，冷启动过程，状态及迁移，CAN通讯协议。2.1P&IDK阳极氢气子系统控制涉及的项：氢气进气阀控制开关(S_H2lnlet)x氢气进气阀后的压力(P_H2lnlet)v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(VJ2RecirPump)氢气吹扫阀控制总开关(S_H2Purge)、氢气前吹扫阀控制开关(SJ2FrontPurge)、氢气后吹扫阀控制开关(SJ2BackPurge)模块前后向水平倾斜角()_FB)、模块左右向水平倾斜角(CLLR)O2、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)v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)八冷却液泵驱动器PWM(PWMCooIantPump)散热器风扇运行控制开关(EN_RadiatorF3n)x散热器风扇驱动器(PWMRadiatorFan)o4、电气子系统控制涉及的项：电堆节数(NCell,120)电堆单节最小电压(MinVCelI)A最小传播优秀Wed版文档希塑对您彳j帮助.可双击去除!电压的节号（NOMinVCelLO-Il9,O号在前端)、电堆单节最大电压(MeXV_Cell)、最大电压的节号(No_MexV_Cellz0-119,0号在前端)、电堆单节平均电压(AVgVJZell)电堆计算的电压(V_Stack)总线电压(V_Bus)、总线电流(LBUS)、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。22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_Stertup)：W20S停止时间(t_Shutdown)：W5S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(MeXCLH2):W500LPM氢气温度(T_H2)：-10-46oC空气流量(CLAir):W2500LPM空气温度(T_Air)：-lO-460C存贮温度(T_Stor3ge):-40-65最小湿件温度(MinT_WettedComp)：2最大燃料电池模块内部温度(MexT_FCPM):55相对湿度(RH)：W95%海拔(AT)：0-1600m水平倾角(0)：±30°阳极收集水量(VOLAnodeWeter)：W48mLmin阴极收集水量(VoLCethodeWater)：W64rLmin热功率(p_Heeter):W52kW冷却液出口温度(T_CoobntOutlet)：50-70oC冷却液流量(Q_Coobnt):N75LPM冷却液最大压力降(MaXDroPPCoolant):W35kPa最大冷却液入口压力(MaxP_Coobntlnlet)：W170kPaCAN总线：CAN2.0ABPassivefStandard11bit)BPS250kb/s传播优秀Word版文档2.3 系统量定义希塑对您有帮助.可双击去除!传播优秀WSd版文档玷斗M除!2.4 电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略2.5 ALARM和FAULT判定规贝J(S3EDAE3)字节位类型持续时间(mS)有效状态域CtrState源00FAULT5005,6,7,&9CellLowVoltageMinVCclKO.IV00FAULT500&9CellLowVoltageMinVCell<0.5V0IFAULT1000非1,2,10,11CoolantHighTempTCoolant>80C04FAULT100非1,2,10Heartbeat在心跳时间内未接收到ICO或IC0+ID命令06FAULT100非1,10InternalSysE-stopE-STOP开关10FAULT10017H2SubsystemLcakChcckFault10FAULT1002H2SubsystemLeakCheckFault11FAULT10013FreezeFault12FAULT50005,6,7单机工作时冷却液水位开关为低液位12FAULT3(X)003,4单机启动时冷却液水位开关为低液位14FAULT10015PurgefaultI5FAULT1000非1,5,6,7,10IBus>50A16FAULT100非1,10氢气进气阀打开2秒后，P-H2IN>150PSI(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，PH2IN<40PSI17FAULT10015氢气进气阀打开2秒后，P.H2IN<40PSI41ALARM1000非1,10,QAir<=0QAir>3(X)0(LPM)42ALARM1000非10,单机工作时，FC总线电流传感器输出电压<0.25或>47542ALARM1000非1,10多机工作时的主机(I号机)，FC总线电流传感器输出电压<0.25或>4.75（八）43ALARM1000菲1,10冷却液出口温度<-50或>100()44ALARMI(M)O5,6,7WFC>33OOO(W)47ALARM150(X)5,6,7,13氢气回流泵运行时，转速V300(RPM)(102Hz)0ALARM10000IPL11,10冷却液出口温度>75(。LCl1ALARM100005,6,7VStack<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,I多机工作时，冷却液水位低53ALARM1500019多机工作时，冷却液水位低54ALARM3000005,6,7Uus<15（八）55ALARM1003CeH巡血通断有新断路错误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18全错上次的参数存贮表2,7全错2.6 工作模式(CRM和CDR)策略工作模式分为CRM(CurrentRampMOde)和CDR(CurrentDrawRequest)oCRM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。2.7 电堆冷却液出口温度设定值(TCSP)策略2.8 空气流量需求量(QAR)计算空气流量需求QAR基本计算公式QAR二120X0.01657XaAirXl_Bus注：120为电堆的总Cell数,0.01657为单个Cell在l_Bus为IA时，1分钟需要消耗的理论空气体积量(升)Oa_Air是an的函数，该函数为多段线性插值FLOAT32InterP_a_Air(FLOAT32aJn)表5aAir-aIn插值表a_Air2.72.52.32.32.22.22.02.02.01.9a_ln0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9a_Air_CRM二lnterp_a_Air(l_Bus/ln_Bus)a_Air_CDR=lnterp_a_Air(CDR/ln_Bus)A、 在状态CS5(CRM)下的处理2、过剩空气系数的处理进入CS5状态头30秒：a_Air=a_Air_CRM30秒后，先缺省a_Air二a_Air_CRM,/某个持续20秒的事件发生后，a_Air=a_Air_CRM+0.82、CRMl作模式l_Bus的20OmS增量8A或W8A持续时间未到10秒，贝JQAR=120X0.01657Xa_AirX(l_Bus+30)l_Bus的20OmS增量W8A抒续时间送10秒盒则QAR=120X0.01657Xa_AirX(l_Bus+10)3、CDRT作模式1.BUS的20OmS增量IOA,贝IQAR=120X0.01657Xa_AirX(l_BusX1.2)1.Bus的20OmS增量W10A,贝丁QAR=120X0.01657Xa_AirXl_Bus4、最小值处理QAR结果小于50,则结果值为50oB、 在状态CS6(CDR)下的处理a_Air=a_Air_CDRIBus>CDRQAR=120X0.01657Xa_AirX(l_BusX1.3)2、IBusWCDR看CDRW(LBUS+10)或CDR>(LBus+20)持续时间未到60秒,则QAR=120X0.01657Xa_AirX(CDRX1.2)若CDR>(LBus+10)持续时间须60秒后，则QAR=120X0.01657Xa_AirX(l_BusX1.2)3、最小值处理QAR结果小于50,则结果值为50oCx在状态CS7下的处理a_Air=a_Air_CRM1、从CS6迁入QAR=120X0.01657Xa_AirX(CDRX1.5)2、从CS5迁入QAR=120X0.01657Xa_AirX(l_BusX1.5)2.9 CDA计算A、在状态CS5下的处理a_Air=a_Air_CRM一在多拉土祜模式下：CDA=30+CLAir/(120X0.01657Xa_Air)在单机工作模式下：CDA=30+CLAir/(12OX0.01657Xa_Air)Bv在状态CS6下的处理a_Air二a_Air_CDRCDA=30+CLAir/(120X0.01657Xa_Air)Dx在状态CS7下的处理1>从CS5或CS6迁入CS7时的LBUS(LBUS_56)W30ACDA=5A2、从CS5最CS6迁入CS7时的LBUS(LBUS_56)>30ACDA=LBUS_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2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6tPurgeOff-ajn插值表tPurgeOff6553565535450003000022500a_ln0.00.10.20.30.4t-PurgeOff1800015000128751125010000o_ln0.50.60.70.80.9JPurgeOffz/ctJn插们70000600005000040000'12000010000 在状态 Series 17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.Airo在状态CS3Step2下：lf(V_Bus>30.0V)PWM_Air=0lf(V_Bus<=30.0V)PWM_Air=25在CS3Step3CS8CS9下：QARn=120*0.01657*1.9*495=1870(LPM)If(CLAIRvQARn)PWM+二0.001*50*10二0.5;在CS4SteplTPWM_Air=50在CS4Step2下:PWM_Air二55在状态CS5、CS6>CS7T:包兆2部分，基本部分PWM0_Air和调整部分PWMLAir,PWM_Air的范围为10100o基本部分由氢气需求量插值求得。FLOAT32InterP_PWMO_Air(FLoAT32QAR)PWM0_Air=lnterp_PWMO_Air(QAR)表6PWM0_Air-QAR插宿袤PWM0_Air51631445665697071QAR0.064190315430520640750845PWM0_Air72757679838894100QAR9401170129014801660188021002150PWMeLAir-QAR插们调整部分PWMI_Air计算过程：Q-Air的调殴J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的基础上增加1个QAR的百分比例aQAR即QAR(l+a-QAR100)o以C语言描决：a_QAR=5oPWMI_Air=0.PWM0_Air=lnterp_PWMO_Air(QAR);voidFunc_PWMI_Air(void)-If(CLAir>QAR(I+a_QAR/100)(lf(PWM_Air>10)PWMLAir-=ABS(CLAirQAR)*0.01100;/0.01/100为减增量lf(Q_AirvQAR)(lf(PWM_Air>10)PWMI_Air+二ABS(Q_Air-QAR)*0.1200;/0.1/100为加增量/PWMI_Air上下限调整if(PWMl_Air>(100-0.0-PWM0_Air)PWMI_Air=(100-0.0-PWM0_Air);lf(PWMLAir<(10-0.0-PWM0_Air)PWMI_Air=(10-0.0-PWM0_Air);PWM_Air=PWM0_Air+PWMI_Air+0.0;/0.0为PWMI_Air的0命偏置/PWM_Air做10,100的上下限调整If(PWM_Air>100)PWM_Air=IO0;If(PWMLAir<10)PWMLAir=IO在状态CS13下：C语言表示lf(MinV_Cell>0.6V)(QARn=120*0.01657*1.9*495二1870(LPM)If(CLAlR<QARn)PWM_Air+二0.001*50*100.5/50为采样周八(mS),10为每秒增加量)Else(lf(V_Bus>30)PWM_Air=0;lf(V_Bus<=30)PWM_Air=25)在除上述状态外的状态下:PWlVLAir二02.13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2步：吹扫阀关闭，进气阀打开，进行2秒，在此过程中，若PJ2IN<40psig,则吹扫失败。第2步：进气阀关闭，吹扫阀打开，进行58秒。在此过程在若P,H2IN<10psig在58秒内，则过程结束;若超过58秒，则吹扫失破。若MinVjzel>0.3V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280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(MinVjzell>0.6V)(QARn=120*0.01657*1.9*495=1870(LPM)lf(Q_AIR<QARn)PWM_Air+二0.001*50*100.5rElse(lf(V_Bus>30)PWM_Air二0;lf(V_Bus<=30)PWM_Air二25若PWiVLAir为100时,CLAir<600LPM持续时间到30秒，则产生防冻处理般障，则迁移到FAULT状态(CSlO),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CSI4。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 1CtTStat17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LeakCheCkFaUIt标志FaultLeakChecko按下面步骤进行：一第1步：0-5秒将H2进气阀打开5秒；第2步：5180秒在此阶段，关H2进气阀，若H2进口压力PJ2INv5psig,则定为失败，置位LeakCheCkFaUlt标志FaUItLeakCheCko第3步：ISO-185秒将H2进气阀打开5秒。第4步：>285秒在此阶段开始，关闭H2进气阀。若V_Stack<IOV或者时间>470秒，则进入第5步。若V_Stack>10V.时间<470秒且PJ2IN<5psig,则进行5秒补气并稻亲P.H2INo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，若差值>36psig,则泄漏检测失败;若<二36psig,则泄漏检查成功。2.15.2CtrState2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CtrStateI?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。217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(SySStete,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)0表4状态定义表SysStateCtrStateStep值定义值定义值定义0PowerOn0PowerOn1Standby122Startup31234123Run5RUNCRM6RUNCDR7RUNSOH14Shutdown895Fault1012秒定时26CoolDown117CooIDownComplete128Freeze139FreezeComplete14IO（八）Purge15H(B)PurgeComplete1612(C)LeakCheck1713(D)LeakCheckComplete1814(E)Prime1915(F)PrimeComplete202.17.2状态迁移图:WordJMj.11J,:T2fComplete-26<4-4918-«220CS12 Cool Down CompleteCS18 Leak Check <4-wi9- Complete jCS17Leak CheckC53STPlfreezeCS19 PnmeCS20 PrimeCS2StandbyCSllCool Down26图2状态迁移图2.17.3状态功能2.17.3.1 CSOPowerOnInit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 CSlStandby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、 氢气进气阀二关3、 氢气回流泵二停4、吹扫阀二关5、 QAR二0、PWM_Air=06、 TCSP、水泵停、散热风扇停、节温7、 CDA二0、总线输出二关2.17.3.3CS2Standby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>报警检查二进行，但没有报警项2、 氢气进气阀二关3、 氢气回流泵二关4、吹扫阀二关5、 QAROxPWM_Air=06、 TCSP、水泵、嵌泵风扇、节温器7、 CDA二0、总线输出二关2.17.3.4CS3STEP1Startup此状态为启动状态的第1过程。定时01秒，在此状态下：2、报警检查二进行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、 CellOW检测2.17.3.5状态功能8、报警9、 氢气进气阀20氢气回流泵21、吹扫阀12、QARv空压机23、TCSP、水泵、散热风扇、节温器24、CDAvBUSjDUT15、CeiloW检测26、2.17.3.6状态功能17、报警18、氢气进气阀29氢气回流泵20、吹扫阀21、QARv空压机22、TCSP、水泵、散热风扇、节温器23、CDA、BUS_OUT24、CeIloW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、QARx空压机31>TCSP、水泵、散热风扇、节温器32、CDAsBUSJDUT33、CelIoW检测2.17.3.8状态功能34、报警35、氢气进气阀36氢气回流泵37、吹扫阀38、QARx空压机39、TCSP、水泵、散热风扇、节温器40、CDA、BUS_0UT42、CellOW检测42、43、44、45、46、47、