氢燃料电池电堆系统控制方案.docx

1、 E V - H 5P TH 51 号电堆H 出前A 入H 入B P - H 5A 出增湿器T TA 5湿 入T TA 6湿 出A I R O U T热交换器T TA 2A I R I NT TA 3干 入干 出 气进气出T TA 4P TH 3E V - H 2P TH 2P TH 4C 入T TD 2P TD 2H 2I N水进 水出C 出T TD 6D I - W E GI ND I - W E GO U T图 1 1 号电堆模块系统图P TA 4B P - A 1M F T - A 1H E X - A 2H U M - A 3H 2P U R G E 1P TA 1模块控制器H V

2、+H V -I T - H V 3 V T - H V 3G F预充电电源I N +I N -O U T +O U T -K - H V 2K - H V 1P S - H V 6K - H V 4D - H V 4M D C高压输出2 4 V 蓄电池V T - H V 4电堆节电压巡检S C A N - V空压机调速器B L W - D R V氢循环泵调速器H R B - D R VS R V - H 5P TA 5E V - H 6P - 5 1H 2P U R G E 2H 后出E P V - A 6E P V - H 41 号电堆模块A I R I NA I R O U TH 2 I

3、ND I - W E GI ND I - W E GO U T图 2 车用 1 号电堆系统系统图W P - D 1 2H 2P U R G E 2系统控制器H V +H V -F C S C去动力高压配电箱2 4 V 蓄电池循环水泵调速器W P - D R VH 2P U R G E 1R A D - D 1 5F L T - A 1 1D C / D CM I X - A 1 2S R V - H 1 2E V - H 1 2H V - H 1 1 H V - N 1 1N 2W E X P T空气排放口空气进气口H E T - D 1 4E M V - D 1 3F L T - D 1 6

4、散热器风扇调速器F A N - D R VF L T - D 1 1氢气瓶组控制器H 2 T K C氢气瓶组H 2 T KA T1 0 1A T1 0 2A T1 0 3A T1 0 4A T1 0 5A T1 0 6F L T - D I 1 7氢气排放口P TH 1 2T TD 1 2T TD 1 1T TD 1 5T TD 1 6P TD 1 6F C M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

5、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

6、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 1EV-H6 氢气排放阀 2SRV-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

7、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HE

8、T-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

9、明电源AT-101AT-102AT-103AT-104AT-105AT-1066 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 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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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) 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)