01 燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)怎樣設(shè)計

狀態(tài)機(jī)設(shè)計是否合理，嚴(yán)重影響燃料電池系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)性能、安全和燃料電池的壽命。在燃料電池系統(tǒng)開機(jī)和關(guān)機(jī)過程中，合理的狀態(tài)機(jī)設(shè)計可以避免氫氣泄漏、優(yōu)化水管理、提高開關(guān)機(jī)性能等。日系先進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)設(shè)計不同層級的狀態(tài)分別控制系統(tǒng)狀態(tài)與燃料電池陰陽極子狀態(tài)，燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行時狀態(tài)流程圖，詳見圖1

圖 1 燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)流程圖

通過燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)流程圖進(jìn)行狀態(tài)機(jī)建模仿真，模型可以清晰地表示燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)與燃料電池堆陰陽極子狀態(tài)的各種狀態(tài)和轉(zhuǎn)換條件，以及相應(yīng)的控制策略。

02 燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)模型開發(fā)優(yōu)點(diǎn)

1.模型可以清晰地表示陰陽極開關(guān)機(jī)流程中的各種狀態(tài)和轉(zhuǎn)換條件，以及相應(yīng)的控制策略，便于理解和分析。

2.模型可以方便地實(shí)現(xiàn)在不同平臺上的編程和仿真，提高了開發(fā)效率和可移植性。

3.模型根據(jù)燃料電池系統(tǒng)RUN狀態(tài)時能量管理的需求進(jìn)行3個子狀態(tài)控制，分別為NORMAL、QUICK_WARMUP、HOT_STANDBY。

4.模型根據(jù)環(huán)境溫度設(shè)計不同開關(guān)機(jī)子狀態(tài)提高系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)性能和效率。

根據(jù)燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行流程建立狀態(tài)機(jī)模型，詳見圖2：

圖2 狀態(tài)機(jī)模型

03 燃料電池系統(tǒng)級狀態(tài)設(shè)計

此燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)模型主要有4部分：STANDBY、STARTUP、RUN、SHUTDOWN，見圖3

圖3 狀態(tài)機(jī)模型架構(gòu)圖

04 燃料電池陰陽極子狀態(tài)差異性設(shè)計

針對開機(jī)、關(guān)機(jī)、運(yùn)行、故障等級狀態(tài)、能量管理的需求、環(huán)境溫度、冷卻液溫度等條件差異性設(shè)計燃料電池陰陽極子狀態(tài)，圖4為常溫環(huán)境燃料電池陽極側(cè)關(guān)機(jī)共有6個子狀態(tài)，圖5為低溫環(huán)境燃料電池陽極側(cè)關(guān)機(jī)共有10個子狀態(tài)：

圖 4 常溫陽極關(guān)機(jī)流程

圖 5 低溫陽極關(guān)機(jī)流程

05 燃料電池陰陽極子狀態(tài)對零部件控制的設(shè)計差異性

通過添加子狀態(tài)或者調(diào)整子狀態(tài)時序，優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)性能，同時通過輸出的系統(tǒng)狀態(tài)控制零部件的動作，例圖6 Decompression（泄壓）。不同的環(huán)境溫度下關(guān)機(jī)時，同一子狀態(tài)零部件的控制也有一定差異，例圖7與圖8分別為常溫環(huán)境與低溫環(huán)境氫循環(huán)泵轉(zhuǎn)速。

圖 6 Decompression（泄壓）

氫氣供給系統(tǒng)接受到燃料電池堆陽極輸出“Decompression”子狀態(tài)，儲氫瓶瓶閥關(guān)閉，氫氣高壓停止供應(yīng)，供氫管路內(nèi)部氫氣開始消耗。

圖7 常溫環(huán)境關(guān)機(jī)氫循環(huán)泵轉(zhuǎn)速

圖 8 低溫環(huán)境關(guān)機(jī)氫循環(huán)泵轉(zhuǎn)速

常溫關(guān)機(jī)時氫循環(huán)泵轉(zhuǎn)速在“Drainage”狀態(tài)為2000rpm，其它狀態(tài)為0rpm；低溫關(guān)機(jī)時氫氣循環(huán)泵在“Pressurization”、“Drainage”狀態(tài)為4000rpm，在“Gas-Liquid Separator Drainage”、“ Partial Pressure”、 “Isolation Fault Parts Detection”狀態(tài)為2000rpm，其它狀態(tài)為0rmp。

06 研究意義

在燃料電池系統(tǒng)開發(fā)過程中，狀態(tài)機(jī)的研究至關(guān)重要。通過先進(jìn)燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)的研究，對在研產(chǎn)品的設(shè)計起到指導(dǎo)意義：

1.了解燃料電池系統(tǒng)級狀態(tài)、陰陽極子狀態(tài)分級控制思想，評估現(xiàn)有產(chǎn)品狀態(tài)機(jī)設(shè)計的合理性；

2.針對不同的環(huán)境溫度，分別設(shè)計常溫環(huán)境和低溫環(huán)境中燃料電池陰陽極狀態(tài)流程；

更多不同環(huán)境中詳細(xì)的狀態(tài)機(jī)設(shè)計及系統(tǒng)零部件控制區(qū)別歡迎大家12月份來特嗨研習(xí)班一起交流。