氢燃料电池电堆系统控制方案.doc

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