氢燃料电池控制策略Word文档格式.docx
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≤20S
停止时间(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(MaxQ_H2):
≤500LPM
氢气温度(T_H2):
-10–46℃
空气流量(Q_Air):
≤2500LPM
空气温度(T_Air):
存贮温度(T_Storage):
-40–65℃
最小湿件温度(MinT_WettedComp):
2℃
最大燃料电池模块内部温度(MaxT_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(MaxDropP_Coolant):
≤35kPa
最大冷却液入口压力(MaxP_CoolantInlet):
≤170kPa
CAN总线:
CAN2.0A/BPassive(Standard11bit)BPS250kb/s
3.3系统量定义
3.4电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略
3.5ALARM和FAULT判定规则(S3EDAE3)
字节
位
类型
持续时间
(mS)
有效状态域
CtrState
源
FAULT
500
5,6,7,8,9
CellLowVoltage
MinV_Cell<
0.1V
8,9
0.5V
1
1000
非1,2,10,11
CoolantHighTemp.
T_Coolant>
80℃
4
100
非1,2,10
Heartbeat
在心跳时间内未接收到1C0或1C0+ID命令
6
非1,10
InternalSys.E-stop
E-STOP开关
17
H2SubsystemLeakCheckFault
2
13
FreezeFault
5000
5,6,7
单机工作时冷却液水位开关为低液位
30000
3,4
单机启动时冷却液水位开关为低液位
15
Purgefault
5
非1,5,6,7,10
I_Bus>
50A
非1,10
氢气进气阀打开2秒后,P_H2IN>
150PSI(1032.4KPa)
7
非1,10,13,15,17
氢气进气阀打开2秒后,P_H2IN<
40PSI(275.8KPa)
3000
40PSI
氢气进气阀打开2秒后,P_H2IN<
ALARM
非1,10,
Q_Air<
=0||Q_Air>
3000(LPM)
非10,
单机工作时,FC总线电流传感器输出电压<
0.25或>
4.75
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)
3
冷却液出口温度<
-50或>
100(℃)
W_FC>
33000(W)
15000
5,6,7,13
氢气回流泵运行时,转速<
300(RPM)(10/2Hz)
10000
非1,11,10
冷却液出口温度>
75(℃)
V_Stack<
60(V)
11,19
单机工作时,冷却液水位低
5,6,7,11
多机工作时,冷却液水位低
19
300000
I_Bus<
15(A)
Cell巡检通断有新断路错误
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
3.6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。
3.7电堆冷却液出口温度设定值(TCSP)策略
3.8空气流量需求量(QAR)计算
空气流量需求QAR基本计算公式
QAR=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_Air
2.7
2.5
2.3
2.2
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_CRM
30秒后,先缺省α_Air=α_Air_CRM,在某个持续20秒的事件发生后,α_Air=α_Air_CRM+0.8
2、CRM工作模式
I_Bus的200mS增量>
8A或≤8A持续时间未到10秒,则
QAR=120×
(I_Bus+30)
I_Bus的200mS增量≤8A持续时间达10秒后,则
(I_Bus+10)
3、CDR工作模式
10A,则
(I_Bus×
1.2)
I_Bus的200mS增量≤10A,则
4、最小值处理
QAR结果小于50,则结果值为50。
B、在状态CS6(CDR)下的处理
α_Air=α_Air_CDR
1、I_Bus>
CDR
1.3)
2、I_Bus≤CDR
若CDR≤(I_Bus+10)或CDR>
(I_Bus+10)持续时间未到60秒,则
(CDR×
若CDR>
(I_Bus+10)持续时间到60秒后,则
3、最小值处理
C、在状态CS7下的处理
α_Air=α_Air_CRM
1、从CS6迁入
(CDR×
1.5)
2、从CS5迁入
3.9CDA计算
A、在状态CS5下的处理
在多机工作模式下:
CDA=30+Q_Air/(120×
α_Air)
在单机工作模式下:
CDA=30+Q_Air/(120×
B、在状态CS6下的处理
D、在状态CS7下的处理
1、从CS5或CS6迁入CS7时的I_Bus(I_Bus_56)≤30A
CDA=5A
2、从CS5或CS6迁入CS7时的I_Bus(I_Bus_56)>
30A
CDA=I_Bus_56–(t*5/400)
3.10阳极氢气循环回路控制策略
3.11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基本时间,再根据氢气回流泵的参数作调整。
表6t_PurgeOff--α_In插值表
t_PurgeOff
65535
45000
22500
18000
12875
11250
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。
3.12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_Air。
在状态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<
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部分,基本部分PWM0_Air和调整部分PWM1_Air,PWM_Air的范围为10-100。
基本部分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_Air
16
31
44
56
65
69
70
71
QAR
64
190
315
430
520
640
750
845
72
75
76
79
83
88
94
940
1170
1290
1480
1660
1880
2100
2150
调整部分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的基础上增加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)
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
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)PWM_Air+=0.001*50*10=0.5
//50为采样周期(mS),10为每秒增加量
}
Else
30)PWM_Air=0;
=30)PWM_Air=25
在除上述状态外的状态下:
PWM_Air=0
3.13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1步:
吹扫阀关闭,进气阀打开,进行2秒,在此过程中,若P_H2IN<
40psig,则吹扫失败。
第2步:
进气阀关闭,吹扫阀打开,进行58秒。
在此过程中,若P_H2IN<
10psig在58秒内,则过程结束;
若超过58秒,则吹扫失败。
若MinV_Cel>
0.3V,则运行回流泵。
3.14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:
{
若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;
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CS14。
3.15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。
3.15.1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,总定时到时未结束泄漏检查,则定为失败,置位LeakCheckFault标志Fault_LeakCheck。
按下面步骤进行:
0-5秒
将H2进气阀打开5秒;
5-180秒
在此阶段,关H2进气阀,若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进气阀打开5秒。
第4步:
>
185秒
在此阶段开始,关闭H2进气阀。
若V_Stack<
10V或者时间>
470秒,则进入第5步。
若V_Stack>
10V、时间<
470秒且P_H2IN<
5psig,则进行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,若差值>
36psig,则泄漏检测失败;
若<
=36psig,则泄漏检查成功。
3.15.2CtrState2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CtrState17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
3.16注水入泵(Prime)过程
在注水入泵过程中,只开冷却液泵。
3.17状态及迁移
3.17.1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(SysState,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)。
表4状态定义表
SysState
Step
值
定义
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- 燃料电池 控制 策略