氢燃料电池电堆系统控制方案

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表1 模块附件表： 符号 名称 描述 PT-D2 电堆冷却入口压力 用于压力过高报警，不用于控制 TT-D2 电堆冷却入口温度 用于指示和报警，不用于控制 TT-D6 电堆冷却出口温度 用于指示和报警，不用于控制 MFT-A1 空气质量流量计 用于空气流量控制 PT-A1 空压机入口压力 相对压力为负值，用于空滤堵塞报警 BP-A1 空压机 TT-A2 空压机出口与热交换器之间节点温度 HEX-A2 冷却液与压缩空气热交换器 TT-A3 压缩空气热交换器空气出口和增湿器之间节点温度 TT-A4 电堆空气入口温度 PT-A4 电堆空气入口压力 TT-A5 电堆空气出口温度 PT-A5 电堆空气出口压力 用于电堆空气出口背压控制 TT-A6 空气增湿器湿通道出口温度 EPV-A6 空气电磁比例阀 用于电堆空气出口背压控制 PT-H2 氢气进气口压力 EV-H2 氢气进气阀 控制阀 PT-H3 氢气比例阀入口压力 用于氢气入口压力和流量控制 EPV-H4 氢气电磁比例阀 用于氢气入口压力和流量控制 PT-H4 氢气电堆入口压力 PT-H5 氢气电堆出口压力 BP-H5 氢气回流泵 EV-H5 氢气排放阀1 EV-H6 氢气排放阀2 SRV-H5 安全泄放阀 用于阳极对阴极的压力保护 SCAN-V 电堆节电压巡检单元 CT-HV3 电堆输出电流 VT-HV3 电堆输出电压 GF 电堆高压总线绝缘电阻测试 FCMC 模块控制器 K-HV4 电堆总线预充电开关 直流接触器 D-HV4 电堆总线预充电二极管 防止反向给电池充电 K-HV1 电堆总线输出正极总开关 直流接触器 K-HV2 电堆总线输出负极总开关 直流接触器 VT-HV4 模块输出电压 用于预充电控制 HRB-DRV 氢循环泵调速器 在氢气循环泵总成中，只是标明电源 BLW-DRV 空压机调速器 在空压机总成中，只是标明电源 PS-HV6 外用电设备预充电电源 表2 车载系统附件表： 符号 名称 描述 H2TK 高压氢气瓶组 氢气气源 HV-H11 氢气源入口手动截止阀 HV-N11 氮气源入口手动截止阀 用于防冻处理过程 PT-H12 氢气回路气源压力 EV-H12 氢气回路气源隔离阀 SRV-H12 氢气回路气源安全阀 MIX-A12 空气排气口混合器 FLT-A11 空气进气口过滤器 WEXPT 冷却补水膨胀水箱 FLT-D16 电堆冷却液进口过滤器 过滤微粒 FLT-D11 电堆冷却液出口过滤器 过滤微粒 WP-D12 冷却液循环泵 HET-D14 冷却液加热器 用于冷启动加热 EMV-D13 冷却液回路电动三通阀 RAD-D15 冷却液散热水箱 根据实际位置，可能有多个 FLT-DI17 去离子过滤器 PT-D16 电堆模块冷却回路入口压力 TT-D11 电堆模块冷却回路出口温度 TT-D12 冷却回路循环泵出口温度 TT-D15 冷却回路散热器出口温度 TT-D16 电堆模块冷却回路入口温度 DC/DC 燃料电池与动力电池间的直流变换器 根据整车动力电池规格确定参数 FCSC 燃料电池系统控制器 H2TKC 氢气瓶组控制器 WP-DRV 冷却液循环水泵调速器 在循环水泵总成中，只标明电源 FAN-DRV 冷却散热水箱风扇调速器 在风扇总成中，只标明电源 AT-101 AT-102 AT-103 AT-104 AT-105 AT-106 6个氢气浓度传感变送器 用于系统空间中可能氢气漏气处的氢气泄漏报警 2.1 模块 l 冷却液与压缩空气热交换器 因冷却液的温度适应电堆要求，该热交换器的作用，一是压缩空气温度过高时降温（起中冷器作用），二是压缩空气温度较低时加热。考虑到要适应低温环境，最好采用。 l 氢气入口压力调整器 电堆的氢气入口压力调整，由PT-H3、EPV-H4、PT-H4组成，通过程序采集压力和控制比例阀来实现。为了控制准确和简单管路，将PT-H2、EV-H2、PT-H3、EPV-H4、PT-H4做到一个阀组（manifold）上。 l 阳极压力保护 为防止氢气入口压力调整器失效，而使阳极产生高压毁坏电堆。采用安全阀SRV-H5保护。 l 外增湿器 外增湿器采用膜增湿器，用电堆的出口湿空气来增湿电堆得入口干空气。具体是否采用，要看电堆的需求。 l 氢气循环 氢气循环，一是使阳极的氢气的湿度均匀，二是加热入口的氢气。 l 氢气吹扫（排放）阀 氢气吹扫阀，是用1个还是在电堆氢气出口的2端各用1个。要看电堆的阳极结构，因氢气回流后，多少会有一些液态水，若不能及时吹扫掉，会影响水平较低段的节电池性能，也不利于防冻处理。 l 电堆空气出口压力 电堆出口压力，采用电磁比例阀EPV-A6和电堆出口压力表PT-A5形成回路来控制。为防止憋压，比例阀为常开阀。 l 电堆高压输出正负极对结构接地（搭铁）绝缘电阻检测 电堆高压输出正负极对结构接地的绝缘电阻小时，会危害电堆的安全。在模块中需要加入检测单元。绝缘电阻的要求，单节电池为1200欧，150节为180千欧。 l 电机调速器的电源 因空压机的功率一般大于1kW，采用电堆的高压电源，在启动或停止的过程中需要外电源供电。启动和停止时由预充电电源PS-HV6供电。 氢气循环泵，因功率一般小于500W，且只在电堆工作时运行，采用外部24VDC单独供电。 l 节电池电压巡检单元 节电池电压巡检单元，与电堆的结构做到一起，自带MPU，与模块控制器采用通讯联系（CAN和RS485）。这样会使检测电缆最短，提高可靠性和美观。 l 模块控制器 控制器的MCU选用飞思卡尔的MC9S12CE，硬件和壳体，若能采购满足要求的现成控制器，则采购；实验调试完成后，沿用采购的或公司自主研发。 控制策略和软件编程，公司自主研发。 2.2 车载系统 l 高压氢气瓶组 高压氢气瓶组，根据整车要求设置个数，每个氢气瓶都装有瓶口阀组合块。瓶口阀组合块包括温度传感器、压力传感器、截止阀。因数量比较多，一般专做1个氢气瓶组控制器，用于现场采集温度压力信号和截止阀的控制。氢气瓶组控制器与燃料电池系统控制器通过CAN总线通讯。 因高压氢气瓶组，属于特种行业，需要有资质的单位设计施工。 l 氢气气源的选择 电堆模块的氢气气源，设置2个手动截止阀，一个接入氢气气源，一个接入氮气气源。氮气气源不在现场布置，只是在温度低，需要长期停机或存贮时，将阳极的氢气置换成氮气。 l 氢气浓度传感变送器 氢气浓度传感变送器，用于检测空间氢气浓度，用于氢气泄漏报警，设置6个。布置在氢气可能泄漏的上方。 l 氢气气源安全阀 用于泄放气源地高压，出口接到空气排放口。 l 氢气气源隔离阀 一是作为氢气气源地总开关，在出现氢气泄漏报警时，关闭该阀，用于截断氢气气源。 l 空气排放口混合器 该混合器，以空气回路为主通道，电堆氢气排放口混合接入此处，用流动的空气来稀释排放的氢气，该处安装一个氢气浓度传感器。报警时，关断氢气气源隔离阀。 l 空气进口过滤器 空气进口过滤器，需要双层过滤，外层为物理过滤，主要过滤微粒；内层为化学过滤器，主要过滤危害阴极触媒的化学成分。并且压损要小于3kpag。 l 冷却回路 冷却回路采用散热水箱和补水膨胀水箱的结构。采用电动三通比例阀构成2个分支回路：冷启动加热和电堆小功率回路（内回路），电堆大功率散热器回路（外回路）。 水温控制执行元件有：EMV-D13、FAN-DRV、WP-DRV、HEX-D14。组合控制达到各种工况的温度要求。 FLT-D11、FLT-D16为网状物理过滤器，主要过滤颗粒物。 FLT-DI17去离子过滤器，安装在微循环分支上，用于去除冷却液中的离子。 l 电机调速器电源 冷却液循环水泵和散热器风扇电机调速器电源全部用外接的24VDC蓄电池电源。 l 燃料电池系统控制器 控制器的MCU选用飞思卡尔的MC9S12CE，硬件和壳体，若能采购满足要求的现成控制器，则采购；实验调试完成后，沿用采购的或公司自主研发。 控制策略和软件编程，公司自主研发。 l DC/DC 将DC/DC归入燃料电池系统，是因为电堆的工况跟DC/DC密切相关。 1. 节点参数 节点参数是根据系统工艺正常工作和控制策略要求而提出。 3.1 电堆参数 l 单节电池电特性参数(用于健康度、生命期评估) 额定电流： ADC 终止电压： VDC 表2 电压 VS 电流 额定电流比 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 最小电压 （mV） 最大电压 (mV) l 冷却流道参数 冷却液为去离子水或防冻液（50%V/V乙二醇）。 最大入口压力： kPa（绝压） 最大出口温度： 最大出入口温差： 表3压损VS 流量（去离子水）: 流量 (LPM) 入口压力 (kpag) 出口压力 (kpag) 表4压损VS 流量（防冻液）: 流量 (LPM) 入口压力 (kpag) 出口压力 (kpag) 表5温度 VS 电流 电流 CT-HV3 (A) 入口温度 TT-D2 (℃) 出口温度 TT-D3 (℃) 发热功率 （W） l 阳极（氢气）及阴极参数 工作温度范围： ℃ 最大阳极和阴极连通后入口压力： kPa 最大阳极对阴极压力： kPa 表6 最小阳极对阴极压力 VS 电流 电流 CT-HV3 (A) 最小压力 （kPa） l 其它各项 表7 各项 VS 电流 电流 CT-HV3 (A) 电流密度 （mA/cm2） 氢气 计量比 入口压力 出口压力 供气流量 相对湿度 露点 回流流量 空气 计量比 入口压力 流量 入口温度 入口相对湿度 入口露点 出口压力 3.2 氢气通道 气源压力范围：7.6-9.6 barg 3.3 空气通道 入口最低压力： -3.0kpag 出口最大压力：3.0 kpag 3.4 加湿器 最大总压损： 10.0 kpa 3.5 热交换器 需根据压缩空气的最大流量、最高温度、最低温度来确定。 水道阻力： 最大气道压损： 5.0 kpag