氢燃料电池电堆系统控制方案

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AIR OUT

AIR IN

H2IN

DI-WEG IN

DI-WEG OUT

图1 1号电堆模块系统图

H2PURGE1

24V H2PURGE2

WEXPT

图2 车用1号电堆系统系统图

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表1 模块附件表：

表2 车载系统附件表：

2.1 模块

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●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

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●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

●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

●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）: