01 燃料電池系統狀態機怎樣設計

狀態機設計是否合理，嚴重影響燃料電池系統的開關機性能、安全和燃料電池的壽命。在燃料電池系統開機和關機過程中，合理的狀態機設計可以避免氫氣泄漏、優化水管理、提高開關機性能等。日系先進的燃料電池系統設計不同層級的狀態分別控制系統狀態與燃料電池陰陽極子狀態，燃料電池系統運行時狀態流程圖，詳見圖1

圖 1 燃料電池系統狀態流程圖

通過燃料電池系統狀態流程圖進行狀態機建模仿真，模型可以清晰地表示燃料電池系統狀態與燃料電池堆陰陽極子狀態的各種狀態和轉換條件，以及相應的控制策略。

02 燃料電池系統狀態機模型開發優點

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在不同平臺上的編程和仿真，提高了開發效率和可移植性。

3.模型根據燃料電池系統RUN狀態時能量管理的需求進行3個子狀態控制，分別為NORMAL、QUICK_WARMUP、HOT_STANDBY。

4.模型根據環境溫度設計不同開關機子狀態提高系統的開關機性能和效率。

根據燃料電池系統運行流程建立狀態機模型，詳見圖2：

圖2 狀態機模型

03 燃料電池系統級狀態設計

此燃料電池系統狀態機模型主要有4部分：STANDBY、STARTUP、RUN、SHUTDOWN，見圖3

圖3 狀態機模型架構圖

04 燃料電池陰陽極子狀態差異性設計

針對開機、關機、運行、故障等級狀態、能量管理的需求、環境溫度、冷卻液溫度等條件差異性設計燃料電池陰陽極子狀態，圖4為常溫環境燃料電池陽極側關機共有6個子狀態，圖5為低溫環境燃料電池陽極側關機共有10個子狀態：

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對零部件控制的設計差異性

通過添加子狀態或者調整子狀態時序，優化燃料電池系統性能，同時通過輸出的系統狀態控制零部件的動作，例圖6 Decompression（泄壓）。不同的環境溫度下關機時，同一子狀態零部件的控制也有一定差異，例圖7與圖8分別為常溫環境與低溫環境氫循環泵轉速。

圖 6 Decompression（泄壓）

氫氣供給系統接受到燃料電池堆陽極輸出“Decompression”子狀態，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 常溫環境關機氫循環泵轉速

圖 8 低溫環境關機氫循環泵轉速

常溫關機時氫循環泵轉速在“Drainage”狀態為2000rpm，其它狀態為0rpm；低溫關機時氫氣循環泵在“Pressurization”、“Drainage”狀態為4000rpm，在“Gas-Liquid Separator Drainage”、“ Partial Pressure”、 “Isolation Fault Parts Detection”狀態為2000rpm，其它狀態為0rmp。

06 研究意義

在燃料電池系統開發過程中，狀態機的研究至關重要。通過先進燃料電池系統狀態機的研究，對在研產品的設計起到指導意義：

1.了解燃料電池系統級狀態、陰陽極子狀態分級控制思想，評估現有產品狀態機設計的合理性；

2.針對不同的環境溫度，分別設計常溫環境和低溫環境中燃料電池陰陽極狀態流程；

更多不同環境中詳細的狀態機設計及系統零部件控制區別歡迎大家12月份來特嗨研習班一起交流。