CN100468255C - 燃料电池控制器区域总线分布式控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池控制器区域总线分布式控制系统，包括若干个带控制器区域总线(CAN总线)接口的传感器，若干个带CAN总线接口的燃料电池单电池电压检测器，若干个带CAN总线接口的执行器，若干个带CAN总线接口的监视控制器，若干个带CAN总线接口的故障编码保护控制器，若干个带CAN总线接口的燃料电池运行参数控制器。与现有技术相比，本发明具有线路简单、抗干扰能力强、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池控制器区域总线分布式控制系统。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池既可以用作车、船等运载工具的动力系统，又可以用作移动式或固定式发电站。
燃料电池发电系统一般由以下几个部分组成：1.燃料电池堆；2.燃料氢气供应子系统；3.空气供应子系统；4.冷却散热子系统5.自动控制及电能输出子系统。
图1是上海神力科技有限公司“一种带有动态控制装置的燃料电池”(发明专利申请号：200410016609.4，实用新型专利申请号：200420020471.0)中的一种由燃料电池发动机控制器来实现动态控制运行的燃料电池发电系统。图中包括燃料电池堆1，氢气瓶2，减压阀3，空气过滤器4，空气压缩供应装置5，水—汽分离器6，水箱7，水泵8，散热器9，氢气循环泵10，氢气路旋转式可以动态控制增湿度的增湿器11，空气路旋转式可以动态控制增湿度的增湿器12，旋转式增湿器可调速马达13，13’，氢气路进燃料电池堆氢气相对湿度传感器14，氢气路进燃料电池堆氢气温度传感器15，空气路进燃料电池堆空气相对湿度传感器16，空气路进燃料电池堆空气温度传感器17，冷却流体路进燃料电池堆冷却流体温度传感器18，氢气路进燃料电池堆压力传感器19，空气路进燃料电池堆压力20传感器，冷却流体路进燃料电池堆压力传感器21，空气路出燃料电池堆空气温度传感器22，氢气路出燃料电池堆氢气压力传感器23，冷却流体路出燃料电池堆冷却流体温度传感器24，冷却流体路出燃料电池堆冷却流体压力传感器25，空气路出燃料电池堆空气温度传感器26，空气路出燃料电池堆空气压力传感器27，SVM燃料电池堆工作电压及各个单电池的工作电压监控28，燃料电池堆工作电流监控29，负载自动切断开关30，氢气自动切断电磁阀31。
上述燃料电池发电系统遵循以下原理与原则：
a.燃料电池堆1输出的功率允许大小值与该燃料电池工作温度传感器18的大小有关，一般可以找到一种功率允许输出大小与传感器18值的关系，传感器18值越接近额定工作温度，允许输出功率越大或越接近额定输出功率(见图2)；
b.燃料电池堆1输出的功率与向燃料电池供应的燃料氢气流量以及空气流量的匹配关系，按氢气计量比1.2计算，空气计量比2.0计算；
c.氢气相对湿度传感器14与空气相对湿度传感器16分别与氢气、空气流量，温度传感器15，17及氢气、空气压力有关(图3)，一般可以找到该种气体流量，在某种压力、温度条件下达到某种相对湿度的关系曲线，一般来说，该气体流量越大，温度越高，压力越低，越难达到该气体高相对湿度值；相反，该气体流量越小，温度越低，压力越高，该气体较易达到该气体高相对湿度值(见图3)。
d.旋转式增湿器旋转速度越快，进燃料电池的氢气或空气的温度与相对湿度都越高。
按照上述燃料电池发电系统运行的原理或原则，采用燃料电池发电系统控制器，通过对燃料电池工作温度、输出功率需求及对传感器14、传感器16、传感器15、传感器17、传感器18值进行监控并计算，确定对旋转式增湿器的旋转电机的转速设定控制，并同时确定对氢气流量、空气流量的控制，使燃料电池堆在任何功率输出要求的功况下实现：1.输出功率与工作温度的关联控制；2.输出功率与氢气流量、空气流量的关联控制，其中氢气流量与空气流量按输出功率要求计量比分别是1.2、2.0控制氢气循环泵电机转速及空气泵电机转速来实现；3.氢气流量与空气流量分别与相应的可以实现动态增湿调解控制的增湿装置中的电机转速进行并联动态控制，使进入燃料电池堆中的任何流量下的氢气、空气都保持最佳相对湿度(70％～95％中间的某一数值)；4.根据外界天气温度与湿度的情况，调解与控制方法同第3点，并达到与第3点相同的目的。最终目的是使燃料电池堆在任何功率输出要求的功况下实现高效能运行与在最佳工作条件下运行，燃料电池堆不但可以有最佳的燃料效率，而且可以大大延长工作寿命。
所以整个燃料电池发动机或整个发电系统中的控制子系统对实现燃料电池发动机或发电系统的安全、高效能以及长寿命运行是至关重要的。
在安全保障方面，主要是当燃料电池发动机或发电系统中的控制子系统探测到某个工作参数，如温度、压力、湿度、电流、电压异常时可及时报警，并同时执行燃料电池发动机的自我保护，如切断负载，切断燃料氢气供应。
传统的现有技术实现燃料电池发动机或发电系统的控制与监控往往采用一个中央控制器，该中央控制器具有数据存储、运算、处理及显示、控制执行的功能，其中燃料电池发动机或发电系统的所有监测点与控制点分别通过单独的信号线与中央控制器相连接，如图4。传统的集中控制器与燃料电池发动机许多个监测点与控制点分别连接实现监测与控制的目的，该技术有以下缺陷：
1.由于燃料电池发动机中需要监测与控制的物理量太多(如图1)，集中控制器与传感器点对点单独连接，所以，连接线太多、布线太复杂。
2.燃料电池发动机中集中控制器与传感器之间一般通过弱电流或弱电压信号与集中控制器进行模拟信号—数字方式通讯，抗干扰能力差，容易发生通讯与控制出错，甚至死机。
3.控制器与执行机构相连，大部分为大电流开关量，必然对外辐射电磁波，干扰自己也干扰别的设备。
4.由于燃料电池发动机中集中控制器处理数据量太大，要求中央集中控制器的IO接口太多，而且其它数据运算、存储、处理功能要求很高，软件开销巨大，导致控制器价格太昂贵。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种线路简单、抗干扰能力强、成本低的燃料电池控制器区域总线分布式控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池控制器区域总线分布式控制系统，其特征在于，包括若干个带控制器区域总线(CAN总线)接口的传感器，若干个带CAN总线接口的燃料电池单电池电压检测器，若干个带CAN总线接口的执行器，若干个带CAN总线接口的监视控制器，若干个带CAN总线接口的故障编码保护控制器，若干个带CAN总线接口的燃料电池运行参数控制器。
所述的带控制器区域(CAN)总线接口的传感器也可以是带传感器与CAN总线接口结合体的传感器。
所述的带CAN总线接口的执行器也可以是带执行器与CAN总线接口结合体的执行器。
所述的燃料电池运行过程中的大部分状态参数数值传送都在CAN总线上，以便于系统各设备数据共享。
所述的传感器都有统一的CAN总线接口协议或使用模拟量输出的传感器转换CAN总线的适配器，作为CAN总线参数采样结点。
所述的控制设备都配备统一的CAN总线接口协议或使用CAN总线接口适配器。
所述的传感器、执行器和控制器间都使用CAN总线作长距离的信息传递，其它可靠性较低的信息传递方式都只在适配器至传感器、执行器和控制器间作短距离的信息传递，甚至可安装一个金属屏蔽盒内，保证系统的信息传递可靠性。
所述的CAN总线接口协议自身循环冗余校验(CRC)基础上在数据字节上增加一个二次校验码，可有效排除上电启动和看门狗动作的错误数据，进一步提高系统的可靠性。
本发明通过燃料电池发动机或发电系统CAN总线分布控制的方法解决上述传统控制方法的许多技术缺陷。与现有技术相比，本发明具有线路简单、抗干扰能力强、成本低等优点。
附图说明
图1为现有的可实现动态控制运行的燃料电池发电系统的示意图；
图2为图1所示燃料电池堆输出功率与燃料电池工作温度的关系，其中PN是额定输出功率，T是工作温度(传感器18)；
图3为图1所示燃料电池堆100％相对湿度空气含水量与温度、压力关系图；
图4为图1所示燃料电池堆集中控制器与燃料电池发动机许多个监测点与控制点分别连接实现监测与控制图；
图5为本发明燃料电池发电CAN总线控制器系统图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
一种燃料电池发电系统或燃料电池发动机CAN总线分布式控制系统，由若干个带CAN总线接口的传感器(主要有温度、压力、湿度、流量、电流、电压等)或传感器与CAN总线接口的结合体、若干个带CAN总线接口的燃料电池单电池电压检测器、若干个带CAN总线接口的执行器(或执行器与CAN总线接口的结合体)、若干个带CAN总线接口的监视控制器、若干个带CAN总线接口的故障编码保护控制器和若干个带CAN总线接口的燃料电池运转参数控制器组成。
燃料电池发电系统中的控制系统采用CAN总线分布式网络控制。分为大小下列各种单元：
a.温度传感器节点
集中氢气、空气、冷却流体进出口温度等温度传感器转化成数字量，通过CAN总线发送至CAN总线上其他节点采用。
b.电池组电流/电压传感器节点
电池组电流、电压传感器测量，转换成数字量通过CAN总线发送。
c.压力传感器节点
将氢气压力、空气压力及冷却流体进出口压力等压力传感器的电压信号转化成数字量，发送至CAN总线。
d.散热风扇控制节点
指令控制节点根据冷却流体出温通过CAN总线发送控制令，散热风扇1控制节点收到命令，控制散热器风扇运转或停止。而不是主控器直接驱动风扇运或停止。
e.氢气与空气泵、冷却流体泵以及氢气、空气增湿调解电机控制节点
指令控制节点根据电堆输出功率或输出总电流计算出对应的气泵驱动电机旋转的频率，通过CAN总线发送控制命令，气泵节点收到命令，控制气泵变频器运转速度(包含以CAN/RS485适配器)。
f.主开关量控制节点
指令控制节点，根据电堆运行情况通过CAN总线发送开关量电磁阀控制命令，主开关量控制节点收到命令，操作电磁阀、接触器、PWM调速电机等动作。
g.电堆运行指令控制节点
电堆运行指令控制节点集中了电堆的所有运行参数，决定了电堆的运行条件，包含：功率、电流/气泵频率曲线，控制温度，增湿电机运转条件等。收到上层控制(双口RAM节点)的停机命令，关闭电磁阀电流接触器停机。
h.与上层控制通讯节点
该节点主要用于燃料电池发电系统与上层功率需求控制器通讯，接收上层控制器的功率需求及开关机命令。发送燃料电池发动机运行状态码和故障码等，发送燃料电池发动机运行状态量：电流电压压力温度等，供上层控制器控制用。
以上是分布式燃料电池发电控制系统的主要控制部件，该系统有利于标准化设计，可以通过不同的节点组合可建成任何控制系统，各种传感器类节点和开关量控制类节点可大量扩展，并有利于布线。抗干扰能力较差的传感器引线就可以尽量短。距离较远的部件间交换信息全部通过的CAN总线传送。各节点产品标准化后可批量生产。可快速组装成燃料电池发电系统及发动机控制器等，每一个节点就像一个螺丝螺帽一样维护也很方便(如图5)。
另外，如果系统中有些传感器和设备不带CAN总线接口或CAN协议不同(如RS485等单片机)采用接口适配器(如RS485/CAN适配器)将整个燃料电池发电系统中所有的监控节点都用CAN总线连接并实现CAN总线控制。
实施例
一种采用现有发明技术的燃料电池发电系统，如图5所示。其中，燃料电池发电系统额定输出功率是60KW，峰值输出是72KW；燃料电池堆1额定输出功率是72KW，峰值输出是82KW。其中空气输送装置5是一种通过可以调频调速的无刷电机驱动的特平型空压机，空气流量可以通过无刷电机的调频调速得到控制，电机额定功率大约8KW，控制转速在0～8000转/分钟之间，空气流量大约在0～7立方/分钟之间。
氢气循环装置10是一种通过可以调频调速的无刷电机驱动的循环压缩泵，氢气循环流量也可以通过无刷电机的调频调速控制。其中安装在氢气路中的旋转式可以动态控制增湿度的增湿器11，可以通过调速、调频的无刷电机驱动增湿器内胆旋转，达到调解氢气增湿程度的目的。
安装在空气路中的旋转式可以动态控制增湿度的增湿器12，通过可以调频调速的无刷电机驱动增湿器内胆旋转，达到调解空气增湿程度的目的，上述二种增湿器内胆旋转转速大约在1～70转/分钟之间。
采用一种CAN总线分布控制可以对整个燃料电池发电系统中的各种工作参数，例如：氢气、空气、冷却流体进燃料电池堆的压力、温度、湿度以及出燃料电池堆的压力、温度、湿度进行数据采集，以及对燃料电池堆的工作电压、电流进行数据采集及监控，并可以按燃料电池堆输出功率与工作温度关系曲线(图2)；燃料电池堆输出功率与氢气、空气流量关系曲线，分别按空气流量计量比2.0、氢气计量比1.2计算；燃料电池堆输出功率与冷却流体温度及流量关系曲线；以及氢气、空气流量与温度(包括外界温度)(图3)及旋转型增湿器11、12电机转速的关系曲线，预先进行编程，实行PID自适应调解控制。
当燃料电池发电系统刚起动，并且分布式控制器探测到外界温度较低(0℃)，燃料电池堆工作温度较低时(5℃)，控制燃料电池堆输出功率大约为20KW，此时，分布式控制器控制空气泵、氢气泵，驱动电机转速使空气流量大约是1.0立方米/分钟，氢气总流量大约是200立升/分钟，氢气循环流量大约是40立升/分钟。分布式控制器同时根据此时空气、氢气流量与温度及外界温度的参数值控制二个旋转式增湿器11、12的电机带动内胆转速为50转/分钟，进入燃料电池堆的空气与氢气相对湿度为80％，保证燃料电池堆工作稳定。
当燃料电池发电系统进入额定工作状态时，工作温度为70℃，分布式控制器探测到外界温度较高(35℃)；燃料电池堆工作温度为70℃时，分布式控制器允许燃料电池堆输出功率为68KW，此时，分布式控制器控制空气泵、氢泵驱动电机转速，使空气流量大约为3.5立方米/分钟，使氢气总流量是700立升/分钟，氢气循环流量是140立升/分钟。分布式控制器同时根据此时空气、氢气流量与温度及外界温度的参数值控制二个旋转式增湿器11、12的电机带动内胆转速为10转/分钟。
进入燃料电池堆空气与氢气相对湿度仍为80％，燃料电池堆工作稳定，整套系统长时间稳定运行。
Claims (6)
1.一种燃料电池控制器区域总线分布式控制系统，其特征在于，包括若干个带CAN总线接口的传感器，若干个带CAN总线接口的燃料电池单电池电压检测器，若干个带CAN总线接口的执行器，若干个带CAN总线接口的监视控制器，若干个带CAN总线接口的故障编码保护控制器，若干个带CAN总线接口的燃料电池运行参数控制器；所述的燃料电池运行过程中的大部分状态参数数值传送都在CAN总线上，以便于系统各设备数据共享；所述的CAN总线接口协议自身循环冗余校验基础上在数据字节上增加一个二次校验码，可有效排除上电启动和看门狗动作的错误数据，进一步提高系统的可靠性。
2.根据权利要求1所述的燃料电池控制器区域总线分布式控制系统，其特征在于，所述的带CAN总线接口的传感器也可以是带传感器与CAN总线接口结合体的传感器。
3.根据权利要求1所述的燃料电池控制器区域总线分布式控制系统，其特征在于，所述的带CAN总线接口的执行器也可以是带执行器与CAN总线接口结合体的执行器。
4.根据权利要求1所述的燃料电池控制器区域总线分布式控制系统，其特征在于，所述的传感器都有统一的CAN总线接口协议或使用模拟量输出的传感器转换CAN总线的适配器，作为CAN总线参数采样结点。
5.根据权利要求1所述的燃料电池控制器区域总线分布式控制系统，其特征在于，所述的控制设备都配备统一的CAN总线接口协议或使用CAN总线接口适配器。
6.根据权利要求1所述的燃料电池控制器区域总线分布式控制系统，其特征在于，所述的传感器、执行器和控制器间都使用CAN总线作长距离的信息传递，其它可靠性较低的信息传递方式都只在适配器至传感器、执行器和控制器间作短距离的信息传递，保证系统的信息传递可靠性。
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| 燃料电池发动机测控系统控制平台开发. 包成，卢兰光，刘明基.汽车工程，第26卷第1期. 2004 |
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| 车辆控制系统CAN总线通信的实施方法. 程军，崔继波，苟凯英.汽车工程，第23卷第5期. 2001 |
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