氢燃料电池电堆系统控制方案
氢燃料电池系统的控制和优化研究
氢燃料电池系统的控制和优化研究近年来，人们对环境问题的关注越来越高，这也促进了氢燃料电池技术的发展。
但是，氢燃料电池系统的控制和优化是一个非常重要的问题。
针对这个问题，本文将从三个方面入手，分别是氢气的供应、电流的控制和系统的优化。
氢气的供应氢气的供应是氢燃料电池系统运行的基础。
目前，氢气产生的主要方式是通过电解水来产生。
通过电解水来产生氢气需要消耗大量的能量，因此，如何优化电解水过程，减少能量的浪费，成为一个重要的研究方向。
一种方法是提高电解水的效率。
当前，电解水的效率约为70% ~ 80%，剩余的20% ~ 30%能量被浪费。
因此，如何提高电解水的效率是一个研究的热点。
比如，可以研究电解水的电解速率、电极材料、电解温度等因素的影响，从而提高电解水的效率。
另一种方法是通过利用废弃物来产生氢气。
废弃物中通常含有可降解的有机物，利用这些有机物进行厌氧发酵，可以产生氢气。
这种方法有利于减少废弃物的处理成本，同时也可以产生清洁能源。
电流的控制电流的控制也是氢燃料电池系统控制和优化的一个重要问题。
电流的控制不仅关系到氢燃料电池系统的效率，还会影响到氢燃料电池系统的寿命。
一种控制电流的方法是控制燃料电池的温度。
燃料电池的温度会影响燃料电池的效率和寿命。
通常，燃料电池的最佳温度为60℃ ~ 80℃。
因此，通过控制燃料电池的温度可以达到控制电流的目的。
另一种方法是控制电子转移的过程。
电子转移是氢燃料电池系统中发生的重要过程，也是产生电流的关键。
通过研究电子转移过程中的机理，可以制定出更好的电子传输方法，从而提高氢燃料电池系统的效率。
系统的优化系统的优化是保证氢燃料电池系统长期稳定运行的关键。
系统的优化包括燃料供应、系统温度、水的循环、氢气纯度和系统设计等方面。
系统的优化需要综合考虑各种因素，比如设计燃料循环系统来优化不同温度下燃料电池的效率，设计水循环系统来控制水的质量和水的流量等。
此外，系统的设计也是一个重要的问题。
氢燃料电池控制策略
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）。
3.1
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）。
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。
氢燃料电池控制策略
分析了现有控制策 略的优缺点和实际 应用情况
探讨了氢燃料电池 的关键控制策略
控制策略研究方向与展望
探索先进的故障诊断和处理方法，提高氢燃 料电池的可靠性和安全性
加强国际合作和交流，推动氢燃料电池控制 技术的创新和发展
深入研究氢燃料电池的动态特性和模型预测 控制
研究适应可再生能源接入的氢燃料电池控制 策略，提高能源利用效率
稳定性
燃料电池管理系统应具有长期稳定运行的能力，能够保证氢燃料 电池在各种条件下的稳定运行。
可扩展性燃料电池管理系统应有可扩展性，能够适应不同规模和不同用 途的氢燃料电池。
燃料电池控制算法的设计与实现
开环控制算法
通过调整燃料电池的输入参数，如氢气和氧气的流量和压力等，来控制输出电压和电流。
闭环控制算法
控制策略的经济效益评估
降低运营成本
通过优化控制策略，降低能源消耗和维护成本，提高运营经济 效益。
市场竞争力提升
先进的控制策略有助于降低产品成本，提升氢燃料电池在市场 上的竞争力。
技术推广
控制策略的优化有助于氢燃料电池技术的推广和应用，促进清 洁能源产业的发展。
06
结论与展望
本文工作总结
总结了氢燃料电池 的基本原理和特点
THANKS
感谢观看
控制策略在分布式能源系统中的应用
分布式能源系统概述
了解分布式能源系统的定义、特点、发展现状及趋势。
控制策略在分布式能源系统中的应用
分析控制策略在分布式能源系统中的能源调度、优化运行、故障诊断等方面的具体应用。
控制策略在储能系统中的应用
储能系统概述
介绍储能系统的基本概念、工作原理、发展现状及趋势。
论文结构概述
氢燃料电池的系统集成和控制策略
氢燃料电池的系统集成和控制策略1. 现代社会对清洁能源的需求越来越迫切，而氢燃料电池作为一种环保、高效的能源形式，备受瞩目。
然而，要实现氢燃料电池的系统集成和控制策略并非易事，需要克服诸多技术难题。
2. 首先，氢燃料电池系统的集成需要考虑多方面因素。
在氢燃料电池车辆中，氢气的存储和输送是一个关键问题。
目前，氢气通常以高压氢气罐的形式存储，需要专门的输送和加注设施。
因此，在系统集成时，必须考虑如何安全、高效地存储和输送氢气。
3. 此外，氢燃料电池系统集成还需要考虑到燃料电池、电动机、电池组等各个子系统之间的协调工作。
这就需要一个合理的控制策略来确保各个部件之间的协同运作，以提高系统的效率和稳定性。
4. 在氢燃料电池系统的控制策略中，传感器和执行器起着至关重要的作用。
传感器可以实时监测氢气、氧气、水等各种参数，并将这些数据反馈给控制系统，以实现对系统的实时监控和调节。
而执行器则负责根据控制系统的指令，进行相应部件的调节和控制。
5. 除了传感器和执行器，控制策略中的算法设计也至关重要。
针对不同工况下的系统需求，需要设计相应的控制算法来实现优化的功率输出、燃料利用效率、排放控制等目标。
这就要求控制策略具有一定的智能化和自适应性。
6. 在实际应用中，氢燃料电池系统的集成和控制策略需要考虑到各种复杂情况。
例如，在极端气候条件下，氢燃料电池系统的工作性能可能会受到影响，因此需要相应的控制策略来应对这种情况。
7. 此外，在日常运行中，系统的可靠性和安全性也是至关重要的。
因此，氢燃料电池系统的集成和控制策略还需要考虑到故障诊断和应急控制的问题，以确保系统在各种情况下都能够稳定可靠地运行。
8. 总的来说，氢燃料电池系统的集成和控制策略是一个综合性的问题，需要涉及到多个领域的知识和技术。
只有在不断的研究和实践中不断改进和完善，才能更好地推动氢燃料电池技术的发展和应用。
氢燃料电池控制策略
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
3.6
工作模式分为CRM(Current Ramp Mode)和CDR(Current Draw Request)。
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
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。
3
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。
氢燃料电池电堆系统控制方案
氢燃料电池电堆系统控制方案氢燃料电池电堆系统控制方案是指对氢燃料电池电堆中的各个组件进行合理的控制和管理，以确保系统稳定运行、高效利用氢能源，并满足系统性能要求和安全要求的管理和控制方案。
以下是一个基本的氢燃料电池电堆系统控制方案的概述。
系统控制和监测：1.系统控制器：基于嵌入式系统，实时监测和控制氢燃料电池电堆的运行状况，包括温度、压力、电流、电压和湿度等参数。
2.反馈控制：通过对电堆输出参数的反馈，调整燃料气体流量、氧气供应和冷却系统，以实现系统的稳定运行和最小能量损失。
3.故障诊断：通过对各个组件的监测和分析，快速检测和定位故障，并采取相应的措施，保证系统的正常运行。
4.数据记录和分析：记录关键参数的变化，并进行数据分析，以优化系统的运行和管理策略，并提供后续对电堆性能的改进方向和建议。
氢气供应：1.氢气储存：控制氢气储存系统的充放电过程，以及氢气的泄漏和压力变化等情况，确保氢气供应的稳定和安全。
2.氢气净化：对进入电堆的氢气进行净化和过滤，以去除杂质和湿气等有害物质，保护电堆组件的安全运行。
3.氢气质量控制：通过氢气的质量传感器，监测氢气质量，确保氢气满足电堆的工作要求。
氧气供应：1.氧气压力控制：通过控制电堆的氧气输入量和压力，以及空气过剩系数，确保电堆的正常运行和高效利用氧气。
2.氧气质量控制：通过氧气的质量传感器，监测氧气的纯度和湿度，及时发现问题，并采取措施保证氧气的质量。
冷却系统：1.冷却介质控制：通过控制冷却介质的流量和温度，及时散热，确保电堆组件的温度在安全工作范围内。
2.温度控制：利用温度传感器对电堆内各个组件的温度进行监测和控制，防止因温度过高造成电堆退化和故障。
安全保护：1.氢气和氧气泄漏检测：通过气体泄漏传感器，实时监测氢气和氧气的泄漏情况，一旦发现泄漏，立即采取措施进行处理和报警。
2.过电流保护：通过电堆内的保护装置，实时检测过电流情况，一旦发现过电流，即切断电堆的电源，以避免设备损坏和安全事故。
氢燃料电池系统控制策略建模与验证
氢燃料电池系统控制策略建模与验证概述在过去几十年里，氢燃料电池系统控制策略一直是研究和开发的重要领域之一。
氢燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换技术，被广泛应用于交通运输、能源存储和可再生能源等领域。
探索和设计高效的控制策略是确保氢燃料电池系统安全运行和性能优化的关键。
建模方法1. 系统建模在研究氢燃料电池系统控制策略之前，首先需要对整个系统进行建模。
氢燃料电池系统通常包括氢气供应系统、氧气供应系统、氢氧燃料电池堆、电池管理系统等。
建立系统的数学模型有助于理解系统的工作原理和特性。
2. 控制策略建模控制策略建模是指将系统的数学模型与所需的控制目标相结合，设计控制算法或逻辑以实现所期望的控制效果。
常用的控制策略包括PID控制、模糊控制、最优控制等。
根据氢燃料电池系统的特点和需求，选择合适的控制策略进行建模和验证。
控制策略设计与验证1. PID控制策略PID控制策略是一种经典的线性控制方法，常用于氢燃料电池系统的控制。
PID控制器可以根据系统输出与期望值之间的误差，利用比例、积分和微分三个部分来调节系统输入，使输出达到期望值。
通过简化的PID模型，可以快速设计和验证氢燃料电池系统的控制策略。
2. 模糊控制策略模糊控制策略利用模糊逻辑和模糊推理来实现对系统的控制。
模糊控制器使用模糊规则来处理模糊输入，并通过模糊推理得到模糊的控制输出。
模糊控制策略在氢燃料电池系统的控制中具有较好的鲁棒性和适应性，可以提高系统的性能和稳定性。
3. 最优控制策略最优控制策略是基于最优化理论，通过优化目标函数来设计控制策略。
在氢燃料电池系统的控制中，最优控制策略可以通过优化系统能量利用率、响应速度等指标来实现系统性能的最大化。
最优控制在氢燃料电池系统控制中的应用有助于提高系统的能量效率和稳定性。
控制策略验证和实验1. 仿真验证通过基于建立的系统模型和控制策略模型，进行仿真验证是验证控制策略有效性和鲁棒性的一种常用方法。
可以利用计算机软件如MATLAB/Simulink等进行仿真实验，对不同的控制策略进行比较和评估。
(完整)氢燃料电池控制策略
目录30KW车用氢燃料电池控制策略....................... 错误!未定义书签。
目录 . (1)1控制策略的依据 (3)230KW车用氢燃料电池控制策略 (4)2。
1P&ID (4)2.2模块技术规范 (5)2。
3用户接口............................................... 错误!未定义书签。
2。
4系统量定义 (7)2。
5电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略 (9)2.5。
1Cell巡检通道断线诊断处理.............. 错误!未定义书签。
2。
5。
2Cell巡检通道断线诊断结果处理 ...... 错误!未定义书签。
2.6Cell电压测算 ........................................ 错误!未定义书签。
2。
7电堆健康度SOH评估 .......................... 错误!未定义书签。
2。
7。
1特性曲线电阻段对健康度的评估方法错误!未定义书签。
2.8ALARM和FAULT判定规则 (9)2。
9工作模式（CRM和CDR）策略 (10)2。
10电堆冷却液出口温度设定值策略 (10)2.11空气流量需求量计算 (10)2.12阳极氢气循环回路控制策略................ 错误!未定义书签。
2.13阴极空气传输回路控制策略 (13)2.14冷却液传输回路控制策略 ................... 错误!未定义书签。
2。
15阳极吹扫(Purge)过程 (16)2。
16防冻（Freeze）处理过程 (16)2。
17泄漏检查(LeakCheck）机理 (17)2。
17.1在CtrStat17下的LeakCheck (17)2.17.2CtrState2下的泄漏检查 (18)2.18注水入泵（Prime)过程 (18)2.19状态及迁移 (18)2.19.1状态定义 (18)2.19.2状态迁移图 (19)2.19。
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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
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）:
表4压损VS 流量（防冻液）:
表5温度 VS 电流
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
其它各项
表7 各项 VS 电流
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。