氢燃料电池控制策略
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5
3
ALARM
15000
19
多机工作时，冷却液水位低
5
4
ALARM
300000
5,6,7
I_Bus<15（A）
5
5
ALARM
100
3
Cell巡检通断有新断路错误
5
6
ALARM
100
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
2.6
工作模式分为CRM(Current Ramp Mode)和CDR(Current Draw Request)。
5
FAULT
1000
非1,5,6,7,10
I_Bus>50A
1
6
FAULT
100
非1,10
氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN>150PSI（1032.4KPa）
1
7
FAULT
1000
非1,10,13,15,17
氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN< 40PSI（275.8KPa）
1
7
FAULT
3000
1百度文库
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。
2.9
A、在状态CS5下的处理
α_Air =α_Air_CRM
在多机工作模式下：
CDA = 30 + Q_Air/（120×0.01657×α_Air）
在单机工作模式下：
CDA = 30 + Q_Air/（120×0.01657×α_Air）
Coolant High Temp.
T_Coolant>80℃
0
4
FAULT
100
非1,2,10
Heartbeat
在心跳时间内未接收到1C0或1C0+ID命令
0
6
FAULT
100
非1，10
Internal Sys. E-stop
E-STOP开关
1
0
FAULT
100
17
H2 Subsystem LeakCheck Fault
4、电气子系统控制涉及的项：
电堆节数（N_Cell，120）、电堆单节最小电压（MinV_Cell）、最小电压的节号（No_MinV_Cell，0-119，0号在前端）、电堆单节最大电压（MaxV_Cell）、最大电压的节号（No_MaxV_Cell，0-119，0号在前端）、电堆单节平均电压（AvgV_Cell）、电堆计算的电压（V_Stack）、总线电压（V _Bus）、总线电流（I_Bus）、总线输出开关（EN_Bus）。
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》）。
α_Air是α_In的函数，该函数为多段线性插值
FLOAT32 Interp_α_Air(FLOAT32α_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)
2.3
2.4
2.5
字节
位
类型
持续时间
(mS)
有效状态域
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
13
氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN< 40PSI
1
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FAULT
100
15
氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN < 40PSI
4
1
ALARM
1000
非1,10,
Q_Air<= 0 ||Q_Air>3000(LPM)
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2
ALARM
1000
非10，
单机工作时，FC总线电流传感器输出电压<0.25或>4.75
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 = 120×0.01657×α_Air×(I_Bus+30)
I_Bus的200mS增量≤8A持续时间达10秒后,则
QAR = 120×0.01657×α_Air×(I_Bus+10)
3、CDR工作模式
I_Bus的200mS增量> 10A，则
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。
2.7
2.8
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）。
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&ID）。对于应用还需要《应用需求》。以上资源是控制策略的依据。
2
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（LeakCheck）过程、注水入泵（Prime）过程，冷启动过程，状态及迁移，CAN通讯协议。
1
0
FAULT
100
2
H2 Subsystem LeakCheck Fault
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FAULT
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Freeze Fault
1
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FAULT
5000
5,6,7
单机工作时冷却液水位开关为低液位
1
2
FAULT
30000
3,4
单机启动时冷却液水位开关为低液位
1
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FAULT
100
15
Purge fault
1
QAR = 120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.3)
2、I_Bus≤CDR
若CDR≤(I_Bus+10)或CDR > (I_Bus+10)持续时间未到60秒，则
QAR = 120×0.01657×α_Air×(CDR×1.2)
若CDR > (I_Bus+10)持续时间到60秒后，则
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。
2.2
额定功率（Pn）：31kW
工作电流（I）：0-500A
额定电流（In）：495A
起动时间（t_Startup）：≤20S
停止时间（t_Shutdown）：≤5S
氢气气源压力（P_H2Supply）：653-928kPa
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0
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非1,11,10
冷却液出口温度>75（℃）
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ALARM
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5,6,7
V_Stack<60（V）
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ALARM
15000
11,19
单机工作时，冷却液水位低
5
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ALARM
500
5,6,7,11
多机工作时，冷却液水位低
5
3
ALARM
30000
3,4
多机工作时，冷却液水位低
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）：-10–46℃
存贮温度（T_Storage）: -40–65℃
最小湿件温度（MinT_WettedComp）：2℃
这些指标，都反映在氢燃料电池的输出特性曲线（极化曲线）上。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（本文档中，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。
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
QAR = 120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.2)
3、最小值处理
QAR结果小于50，则结果值为50。
C、在状态CS7下的处理
α_Air =α_Air_CRM
1、从CS6迁入
QAR = 120×0.01657×α_Air×(CDR×1.5)
2、从CS5迁入
QAR = 120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.5)
2、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）、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）、冷却液泵驱动器PWM（PWM_CoolantPump）散热器风扇运行控制开关（EN_RadiatorFan）、散热器风扇驱动器（PWM_RadiatorFan）。
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
2.1
1、阳极氢气子系统控制涉及的项：
氢气进气阀控制开关（S_H2Inlet）、氢气进气阀后的压力（P_H2Inlet）、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（V_H2RecirPump）、氢气吹扫阀控制总开关（S_H2Purge）、氢气前吹扫阀控制开关（S_H2FrontPurge）、氢气后吹扫阀控制开关（S_H2BackPurge）、模块前后向水平倾斜角（θ_FB）、模块左右向水平倾斜角（θ_LR）。
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：CAN 2.0A/B Passive(Standard 11 bit) BPS 250 kb/s
4
2
ALARM
1000
非1,10
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）
4
3
ALARM
1000
非1,10
冷却液出口温度<-50或>100（℃）
4
4
ALARM
1000
5,6,7
W_FC>33000（W）
4
7
ALARM
15000
5,6,7,13
氢气回流泵运行时，转速<300 （RPM）（10/2Hz）
QAR = 120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.2)
I_Bus的200mS增量≤10A,则
QAR = 120×0.01657×α_Air×I_Bus
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
3
ALARM
15000
19
多机工作时，冷却液水位低
5
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ALARM
300000
5,6,7
I_Bus<15（A）
5
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ALARM
100
3
Cell巡检通断有新断路错误
5
6
ALARM
100
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
2.6
工作模式分为CRM(Current Ramp Mode)和CDR(Current Draw Request)。
5
FAULT
1000
非1,5,6,7,10
I_Bus>50A
1
6
FAULT
100
非1,10
氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN>150PSI（1032.4KPa）
1
7
FAULT
1000
非1,10,13,15,17
氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN< 40PSI（275.8KPa）
1
7
FAULT
3000
1百度文库
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。
2.9
A、在状态CS5下的处理
α_Air =α_Air_CRM
在多机工作模式下：
CDA = 30 + Q_Air/（120×0.01657×α_Air）
在单机工作模式下：
CDA = 30 + Q_Air/（120×0.01657×α_Air）
Coolant High Temp.
T_Coolant>80℃
0
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FAULT
100
非1,2,10
Heartbeat
在心跳时间内未接收到1C0或1C0+ID命令
0
6
FAULT
100
非1，10
Internal Sys. E-stop
E-STOP开关
1
0
FAULT
100
17
H2 Subsystem LeakCheck Fault
4、电气子系统控制涉及的项：
电堆节数（N_Cell，120）、电堆单节最小电压（MinV_Cell）、最小电压的节号（No_MinV_Cell，0-119，0号在前端）、电堆单节最大电压（MaxV_Cell）、最大电压的节号（No_MaxV_Cell，0-119，0号在前端）、电堆单节平均电压（AvgV_Cell）、电堆计算的电压（V_Stack）、总线电压（V _Bus）、总线电流（I_Bus）、总线输出开关（EN_Bus）。
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》）。
α_Air是α_In的函数，该函数为多段线性插值
FLOAT32 Interp_α_Air(FLOAT32α_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)
2.3
2.4
2.5
字节
位
类型
持续时间
(mS)
有效状态域
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
13
氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN< 40PSI
1
7
FAULT
100
15
氢气进气阀打开2秒后，P_H2IN < 40PSI
4
1
ALARM
1000
非1,10,
Q_Air<= 0 ||Q_Air>3000(LPM)
4
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ALARM
1000
非10，
单机工作时，FC总线电流传感器输出电压<0.25或>4.75
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 = 120×0.01657×α_Air×(I_Bus+30)
I_Bus的200mS增量≤8A持续时间达10秒后,则
QAR = 120×0.01657×α_Air×(I_Bus+10)
3、CDR工作模式
I_Bus的200mS增量> 10A，则
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。
2.7
2.8
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）。
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&ID）。对于应用还需要《应用需求》。以上资源是控制策略的依据。
2
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（LeakCheck）过程、注水入泵（Prime）过程，冷启动过程，状态及迁移，CAN通讯协议。
1
0
FAULT
100
2
H2 Subsystem LeakCheck Fault
1
1
FAULT
100
13
Freeze Fault
1
2
FAULT
5000
5,6,7
单机工作时冷却液水位开关为低液位
1
2
FAULT
30000
3,4
单机启动时冷却液水位开关为低液位
1
4
FAULT
100
15
Purge fault
1
QAR = 120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.3)
2、I_Bus≤CDR
若CDR≤(I_Bus+10)或CDR > (I_Bus+10)持续时间未到60秒，则
QAR = 120×0.01657×α_Air×(CDR×1.2)
若CDR > (I_Bus+10)持续时间到60秒后，则
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。
2.2
额定功率（Pn）：31kW
工作电流（I）：0-500A
额定电流（In）：495A
起动时间（t_Startup）：≤20S
停止时间（t_Shutdown）：≤5S
氢气气源压力（P_H2Supply）：653-928kPa
5
0
ALARM
10000
非1,11,10
冷却液出口温度>75（℃）
5
1
ALARM
10000
5,6,7
V_Stack<60（V）
5
2
ALARM
100
7
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3
ALARM
15000
11,19
单机工作时，冷却液水位低
5
3
ALARM
500
5,6,7,11
多机工作时，冷却液水位低
5
3
ALARM
30000
3,4
多机工作时，冷却液水位低
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）：-10–46℃
存贮温度（T_Storage）: -40–65℃
最小湿件温度（MinT_WettedComp）：2℃
这些指标，都反映在氢燃料电池的输出特性曲线（极化曲线）上。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（本文档中，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。
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
QAR = 120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.2)
3、最小值处理
QAR结果小于50，则结果值为50。
C、在状态CS7下的处理
α_Air =α_Air_CRM
1、从CS6迁入
QAR = 120×0.01657×α_Air×(CDR×1.5)
2、从CS5迁入
QAR = 120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.5)
2、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）、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）、冷却液泵驱动器PWM（PWM_CoolantPump）散热器风扇运行控制开关（EN_RadiatorFan）、散热器风扇驱动器（PWM_RadiatorFan）。
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
2.1
1、阳极氢气子系统控制涉及的项：
氢气进气阀控制开关（S_H2Inlet）、氢气进气阀后的压力（P_H2Inlet）、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（V_H2RecirPump）、氢气吹扫阀控制总开关（S_H2Purge）、氢气前吹扫阀控制开关（S_H2FrontPurge）、氢气后吹扫阀控制开关（S_H2BackPurge）、模块前后向水平倾斜角（θ_FB）、模块左右向水平倾斜角（θ_LR）。
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：CAN 2.0A/B Passive(Standard 11 bit) BPS 250 kb/s
4
2
ALARM
1000
非1,10
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）
4
3
ALARM
1000
非1,10
冷却液出口温度<-50或>100（℃）
4
4
ALARM
1000
5,6,7
W_FC>33000（W）
4
7
ALARM
15000
5,6,7,13
氢气回流泵运行时，转速<300 （RPM）（10/2Hz）
QAR = 120×0.01657×α_Air×(I_Bus×1.2)
I_Bus的200mS增量≤10A,则
QAR = 120×0.01657×α_Air×I_Bus
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