01 燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)機怎樣設計

狀態(tài)機設計是否合理，嚴重影響燃料電池系統(tǒng)的開關機性能、安全和燃料電池的壽命。在燃料電池系統(tǒng)開機和關機過程中，合理的狀態(tài)機設計可以避免氫氣泄漏、優(yōu)化水管理、提高開關機性能等。日系先進的燃料電池系統(tǒng)設計不同層級的狀態(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)流程圖進行狀態(tài)機建模仿真，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)和轉換條件，以及相應的控制策略。

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

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

2.模型可以方便地實現(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)境溫度設計不同開關機子狀態(tài)提高系統(tǒng)的開關機性能和效率。

根據(jù)燃料電池系統(tǒng)運行流程建立狀態(tài)機模型，詳見圖2：

圖2 狀態(tài)機模型

03 燃料電池系統(tǒng)級狀態(tài)設計

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

圖3 狀態(tài)機模型架構圖

04 燃料電池陰陽極子狀態(tài)差異性設計

針對開機、關機、運行、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)境燃料電池陽極側關機共有6個子狀態(tài)，圖5為低溫環(huán)境燃料電池陽極側關機共有10個子狀態(tài)：

圖 4 常溫陽極關機流程

圖 5 低溫陽極關機流程

05 燃料電池陰陽極子狀態(tài)對零部件控制的設計差異性

通過添加子狀態(tài)或者調整子狀態(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)境溫度下關機時，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)，儲氫瓶瓶閥關閉，氫氣高壓停止供應，供氫管路內部氫氣開始消耗。

圖7 常溫環(huán)境關機氫循環(huán)泵轉速

圖 8 低溫環(huán)境關機氫循環(huán)泵轉速

常溫關機時氫循環(huán)泵轉速在“Drainage”狀態(tài)為2000rpm，其它狀態(tài)為0rpm；低溫關機時氫氣循環(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)機的研究至關重要。通過先進燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)機的研究，對在研產品的設計起到指導意義：

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)有產品狀態(tài)機設計的合理性；

2.針對不同的環(huán)境溫度，分別設計常溫環(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)境中詳細的狀態(tài)機設計及系統(tǒng)零部件控制區(qū)別歡迎大家12月份來特嗨研習班一起交流。