氫燃料電池電堆系統(tǒng)控制方案

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表1 模塊附件表： 符號 名稱 描述 PT-D2 電堆冷卻入口壓力 用于壓力過高報警，不用于控制 TT-D2 電堆冷卻入口溫度 用于指示和報警，不用于控制 TT-D6 電堆冷卻出口溫度 用于指示和報警，不用于控制 MFT-A1 空氣質量流量計 用于空氣流量控制 PT-A1 空壓機入口壓力 相對壓力為負值，用于空濾堵塞報警 BP-A1 空壓機 TT-A2 空壓機出口與熱交換器之間節(jié)點溫度 HEX-A2 冷卻液與壓縮空氣熱交換器 TT-A3 壓縮空氣熱交換器空氣出口和增濕器之間節(jié)點溫度 TT-A4 電堆空氣入口溫度 PT-A4 電堆空氣入口壓力 TT-A5 電堆空氣出口溫度 PT-A5 電堆空氣出口壓力 用于電堆空氣出口背壓控制 TT-A6 空氣增濕器濕通道出口溫度 EPV-A6 空氣電磁比例閥 用于電堆空氣出口背壓控制 PT-H2 氫氣進氣口壓力 EV-H2 氫氣進氣閥 控制閥 PT-H3 氫氣比例閥入口壓力 用于氫氣入口壓力和流量控制 EPV-H4 氫氣電磁比例閥 用于氫氣入口壓力和流量控制 PT-H4 氫氣電堆入口壓力 PT-H5 氫氣電堆出口壓力 BP-H5 氫氣回流泵 EV-H5 氫氣排放閥1 EV-H6 氫氣排放閥2 SRV-H5 安全泄放閥 用于陽極對陰極的壓力保護 SCAN-V 電堆節(jié)電壓巡檢單元 CT-HV3 電堆輸出電流 VT-HV3 電堆輸出電壓 GF 電堆高壓總線絕緣電阻測試 FCMC 模塊控制器 K-HV4 電堆總線預充電開關 直流接觸器 D-HV4 電堆總線預充電二極管 防止反向給電池充電 K-HV1 電堆總線輸出正極總開關 直流接觸器 K-HV2 電堆總線輸出負極總開關 直流接觸器 VT-HV4 模塊輸出電壓 用于預充電控制 HRB-DRV 氫循環(huán)泵調速器 在氫氣循環(huán)泵總成中，只是標明電源 BLW-DRV 空壓機調速器 在空壓機總成中，只是標明電源 PS-HV6 外用電設備預充電電源 表2 車載系統(tǒng)附件表： 符號 名稱 描述 H2TK 高壓氫氣瓶組 氫氣氣源 HV-H11 氫氣源入口手動截止閥 HV-N11 氮氣源入口手動截止閥 用于防凍處理過程 PT-H12 氫氣回路氣源壓力 EV-H12 氫氣回路氣源隔離閥 SRV-H12 氫氣回路氣源安全閥 MIX-A12 空氣排氣口混合器 FLT-A11 空氣進氣口過濾器 WEXPT 冷卻補水膨脹水箱 FLT-D16 電堆冷卻液進口過濾器 過濾微粒 FLT-D11 電堆冷卻液出口過濾器 過濾微粒 WP-D12 冷卻液循環(huán)泵 HET-D14 冷卻液加熱器 用于冷啟動加熱 EMV-D13 冷卻液回路電動三通閥 RAD-D15 冷卻液散熱水箱 根據(jù)實際位置，可能有多個 FLT-DI17 去離子過濾器 PT-D16 電堆模塊冷卻回路入口壓力 TT-D11 電堆模塊冷卻回路出口溫度 TT-D12 冷卻回路循環(huán)泵出口溫度 TT-D15 冷卻回路散熱器出口溫度 TT-D16 電堆模塊冷卻回路入口溫度 DC/DC 燃料電池與動力電池間的直流變換器 根據(jù)整車動力電池規(guī)格確定參數(shù) FCSC 燃料電池系統(tǒng)控制器 H2TKC 氫氣瓶組控制器 WP-DRV 冷卻液循環(huán)水泵調速器 在循環(huán)水泵總成中，只標明電源 FAN-DRV 冷卻散熱水箱風扇調速器 在風扇總成中，只標明電源 AT-101 AT-102 AT-103 AT-104 AT-105 AT-106 6個氫氣濃度傳感變送器 用于系統(tǒng)空間中可能氫氣漏氣處的氫氣泄漏報警 2.1 模塊 l 冷卻液與壓縮空氣熱交換器 因冷卻液的溫度適應電堆要求，該熱交換器的作用，一是壓縮空氣溫度過高時降溫（起中冷器作用），二是壓縮空氣溫度較低時加熱?？紤]到要適應低溫環(huán)境，最好采用。 l 氫氣入口壓力調整器 電堆的氫氣入口壓力調整，由PT-H3、EPV-H4、PT-H4組成，通過程序采集壓力和控制比例閥來實現(xiàn)。為了控制準確和簡單管路，將PT-H2、EV-H2、PT-H3、EPV-H4、PT-H4做到一個閥組（manifold）上。 l 陽極壓力保護 為防止氫氣入口壓力調整器失效，而使陽極產生高壓毀壞電堆。采用安全閥SRV-H5保護。 l 外增濕器 外增濕器采用膜增濕器，用電堆的出口濕空氣來增濕電堆得入口干空氣。具體是否采用，要看電堆的需求。 l 氫氣循環(huán) 氫氣循環(huán)，一是使陽極的氫氣的濕度均勻，二是加熱入口的氫氣。 l 氫氣吹掃（排放）閥 氫氣吹掃閥，是用1個還是在電堆氫氣出口的2端各用1個。要看電堆的陽極結構，因氫氣回流后，多少會有一些液態(tài)水，若不能及時吹掃掉，會影響水平較低段的節(jié)電池性能，也不利于防凍處理。 l 電堆空氣出口壓力 電堆出口壓力，采用電磁比例閥EPV-A6和電堆出口壓力表PT-A5形成回路來控制。為防止憋壓，比例閥為常開閥。 l 電堆高壓輸出正負極對結構接地（搭鐵）絕緣電阻檢測 電堆高壓輸出正負極對結構接地的絕緣電阻小時，會危害電堆的安全。在模塊中需要加入檢測單元。絕緣電阻的要求，單節(jié)電池為1200歐，150節(jié)為180千歐。 l 電機調速器的電源 因空壓機的功率一般大于1kW，采用電堆的高壓電源，在啟動或停止的過程中需要外電源供電。啟動和停止時由預充電電源PS-HV6供電。 氫氣循環(huán)泵，因功率一般小于500W，且只在電堆工作時運行，采用外部24VDC單獨供電。 l 節(jié)電池電壓巡檢單元 節(jié)電池電壓巡檢單元，與電堆的結構做到一起，自帶MPU，與模塊控制器采用通訊聯(lián)系（CAN和RS485）。這樣會使檢測電纜最短，提高可靠性和美觀。 l 模塊控制器 控制器的MCU選用飛思卡爾的MC9S12CE，硬件和殼體，若能采購滿足要求的現(xiàn)成控制器，則采購；實驗調試完成后，沿用采購的或公司自主研發(fā)。 控制策略和軟件編程，公司自主研發(fā)。 2.2 車載系統(tǒng) l 高壓氫氣瓶組 高壓氫氣瓶組，根據(jù)整車要求設置個數(shù)，每個氫氣瓶都裝有瓶口閥組合塊。瓶口閥組合塊包括溫度傳感器、壓力傳感器、截止閥。因數(shù)量比較多，一般專做1個氫氣瓶組控制器，用于現(xiàn)場采集溫度壓力信號和截止閥的控制。氫氣瓶組控制器與燃料電池系統(tǒng)控制器通過CAN總線通訊。 因高壓氫氣瓶組，屬于特種行業(yè)，需要有資質的單位設計施工。 l 氫氣氣源的選擇 電堆模塊的氫氣氣源，設置2個手動截止閥，一個接入氫氣氣源，一個接入氮氣氣源。氮氣氣源不在現(xiàn)場布置，只是在溫度低，需要長期停機或存貯時，將陽極的氫氣置換成氮氣。 l 氫氣濃度傳感變送器 氫氣濃度傳感變送器，用于檢測空間氫氣濃度，用于氫氣泄漏報警，設置6個。布置在氫氣可能泄漏的上方。 l 氫氣氣源安全閥 用于泄放氣源地高壓，出口接到空氣排放口。 l 氫氣氣源隔離閥 一是作為氫氣氣源地總開關，在出現(xiàn)氫氣泄漏報警時，關閉該閥，用于截斷氫氣氣源。 l 空氣排放口混合器 該混合器，以空氣回路為主通道，電堆氫氣排放口混合接入此處，用流動的空氣來稀釋排放的氫氣，該處安裝一個氫氣濃度傳感器。報警時，關斷氫氣氣源隔離閥。 l 空氣進口過濾器 空氣進口過濾器，需要雙層過濾，外層為物理過濾，主要過濾微粒；內層為化學過濾器，主要過濾危害陰極觸媒的化學成分。并且壓損要小于3kpag。 l 冷卻回路 冷卻回路采用散熱水箱和補水膨脹水箱的結構。采用電動三通比例閥構成2個分支回路：冷啟動加熱和電堆小功率回路（內回路），電堆大功率散熱器回路（外回路）。 水溫控制執(zhí)行元件有：EMV-D13、FAN-DRV、WP-DRV、HEX-D14。組合控制達到各種工況的溫度要求。 FLT-D11、FLT-D16為網狀物理過濾器，主要過濾顆粒物。 FLT-DI17去離子過濾器，安裝在微循環(huán)分支上，用于去除冷卻液中的離子。 l 電機調速器電源 冷卻液循環(huán)水泵和散熱器風扇電機調速器電源全部用外接的24VDC蓄電池電源。 l 燃料電池系統(tǒng)控制器 控制器的MCU選用飛思卡爾的MC9S12CE，硬件和殼體，若能采購滿足要求的現(xiàn)成控制器，則采購；實驗調試完成后，沿用采購的或公司自主研發(fā)。 控制策略和軟件編程，公司自主研發(fā)。 l DC/DC 將DC/DC歸入燃料電池系統(tǒng)，是因為電堆的工況跟DC/DC密切相關。 1. 節(jié)點參數(shù) 節(jié)點參數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)工藝正常工作和控制策略要求而提出。 3.1 電堆參數(shù) l 單節(jié)電池電特性參數(shù)(用于健康度、生命期評估) 額定電流： ADC 終止電壓： VDC 表2 電壓 VS 電流 額定電流比 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 最小電壓 （mV） 最大電壓 (mV) l 冷卻流道參數(shù) 冷卻液為去離子水或防凍液（50%V/V乙二醇）。 最大入口壓力： kPa（絕壓） 最大出口溫度： 最大出入口溫差： 表3壓損VS 流量（去離子水）: 流量 (LPM) 入口壓力 (kpag) 出口壓力 (kpag) 表4壓損VS 流量（防凍液）: 流量 (LPM) 入口壓力 (kpag) 出口壓力 (kpag) 表5溫度 VS 電流 電流 CT-HV3 (A) 入口溫度 TT-D2 (℃) 出口溫度 TT-D3 (℃) 發(fā)熱功率 （W） l 陽極（氫氣）及陰極參數(shù) 工作溫度范圍： ℃ 最大陽極和陰極連通后入口壓力： kPa 最大陽極對陰極壓力： kPa 表6 最小陽極對陰極壓力 VS 電流 電流 CT-HV3 (A) 最小壓力 （kPa） l 其它各項 表7 各項 VS 電流 電流 CT-HV3 (A) 電流密度 （mA/cm2） 氫氣 計量比 入口壓力 出口壓力 供氣流量 相對濕度 露點 回流流量 空氣 計量比 入口壓力 流量 入口溫度 入口相對濕度 入口露點 出口壓力 3.2 氫氣通道 氣源壓力范圍：7.6-9.6 barg 3.3 空氣通道 入口最低壓力： -3.0kpag 出口最大壓力：3.0 kpag 3.4 加濕器 最大總壓損： 10.0 kpa 3.5 熱交換器 需根據(jù)壓縮空氣的最大流量、最高溫度、最低溫度來確定。 水道阻力： 最大氣道壓損： 5.0 kpag