燃料電池車整車調(diào)試方法初探

姜志豪，裴廷帥，裴赫

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011 ）

燃料電池車整車調(diào)試方法初探

姜志豪，裴廷帥，裴赫

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011 ）

燃料電池車新車型裝配完成后，需要通過整車調(diào)試，驗證整車控制邏輯，使車輛電氣系統(tǒng)能夠協(xié)同高效地工作。燃料電池車整車調(diào)試過程主要包括7個步驟——調(diào)試準(zhǔn)備、低壓系統(tǒng)檢測、高壓系統(tǒng)檢測、CAN網(wǎng)絡(luò)測試、供氫系統(tǒng)調(diào)試、燃料電池系統(tǒng)調(diào)試、整車聯(lián)合調(diào)試。根據(jù)工程實踐，總結(jié)了燃料電池車整車調(diào)試的主要過程及其中的關(guān)鍵點，為燃料電池車調(diào)試工作提供參考。

燃料電池汽車；整車調(diào)試方法；供氫系統(tǒng)；燃料電池系統(tǒng)

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-78-04

前言

燃料電池車整車調(diào)試是驗證整車控制策略是否正確和得到有效實現(xiàn)的過程。通常，新開發(fā)車型的電氣系統(tǒng)會有所變化，相應(yīng)的控制程序會有所不同。通過整車調(diào)試，可以驗證控制程序的正確性與有效性。

1 燃料電池車整車調(diào)試流程

燃料電池車整車調(diào)試過程主要包括7個步驟：調(diào)試準(zhǔn)備、低壓系統(tǒng)檢測、高壓系統(tǒng)檢測、CAN網(wǎng)絡(luò)測試、供氫系統(tǒng)調(diào)試、燃料電池系統(tǒng)調(diào)試、整車聯(lián)合調(diào)試，如圖1所示。

2 燃料電池車整車調(diào)試方法

2.1 調(diào)試準(zhǔn)備階段

調(diào)試前，需確認(rèn)所需調(diào)試車輛的總成已經(jīng)正確裝配；冷卻液、轉(zhuǎn)向油液、驅(qū)動橋齒輪油、空調(diào)冷媒等均已加注，且無漏液現(xiàn)象；制動管路卡箍已擰緊，且管路得到可靠固定；電線束均已插接并合理固定；車身反光標(biāo)識按規(guī)定粘貼；控制程序已按前期協(xié)議更新到最新狀態(tài)。

2.2 低壓系統(tǒng)檢測

低壓系統(tǒng)檢測內(nèi)容主要包括上電點火、儀表、刮水、燈光、空調(diào)、暖風(fēng)、水泵、電子風(fēng)扇、電喇叭、蜂鳴器及其它電氣功能件等。

圖1 燃料電池車整車調(diào)試流程

低壓系統(tǒng)檢查的常見問題包括：管腳定義錯誤（做反或不匹配）、插接器退端子、零部件非最新狀態(tài)等。上述問題得到解決，確認(rèn)低壓系統(tǒng)功能正常后，方可進(jìn)行后續(xù)工作。

2.3 高壓系統(tǒng)檢測

高壓系統(tǒng)檢測內(nèi)容：高壓部件安全標(biāo)識、所有高壓線束為橙色、高壓線束及電位均衡裝置（高壓部件外殼和車身連接裝置）連接正確可靠、高壓系統(tǒng)絕緣電阻滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

由于輕型燃料電池車高壓電氣系統(tǒng)的電壓通常為B級電壓（DC：60V＜U≤1500V，AC(15Hz~150Hz)：30V＜U≤1000V），因此在進(jìn)行檢測的時候，應(yīng)特別注意高壓安全：首先通過儀表或調(diào)試設(shè)備確認(rèn)絕緣監(jiān)測設(shè)備未報絕緣故障，否則應(yīng)在排除絕緣故障后再進(jìn)行其它操作；在高壓線束或總成附近進(jìn)行作業(yè)時，應(yīng)提前將維修開關(guān)斷開；進(jìn)行高壓系統(tǒng)檢測時，應(yīng)時刻佩戴絕緣手套；對高壓系統(tǒng)進(jìn)行拆卸操作時，應(yīng)使用電工專用工具。

2.4 CAN網(wǎng)絡(luò)測試

CAN網(wǎng)絡(luò)測試內(nèi)容包括物理層測試、鏈路層測試、關(guān)鍵信號應(yīng)用層測試、CAN總線錯誤幀分析等[1]。

（1）物理層測試：測試CAN_H、CAN_L、CAN_Diff等的電壓值，在定義許可的范圍內(nèi)，則測試通過。

（2）鏈路層測試：測試總線中傳輸1Bit所需時間（位時間），在定義許可的范圍內(nèi)；測試CAN控制器位采樣時間點，在定義許可的范圍內(nèi)，則測試通過。

（3）應(yīng)用層測試：測試周期發(fā)送報文的周期，在定義許可的范圍內(nèi)；測試事件性報文事件發(fā)生時的發(fā)送次數(shù)，與定義一致；檢查報文中保留位的填充值，與定義一致；檢查信號的默認(rèn)值，與定義一致；測試Bus-Off（網(wǎng)絡(luò)錯誤）后的恢復(fù)時間，在定義許可的范圍內(nèi)，則測試通過。

（4）網(wǎng)絡(luò)測試：測試總線負(fù)載率平均值及最大值（連續(xù)觸發(fā)所有事件報文），在定義許可的范圍內(nèi)；總線終端電阻和電容值及連接方式符合CAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)范中的定義；則測試通過。

（5）總線錯誤幀分析：對于總線中存在錯誤幀的情況，分析錯誤幀所在網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點?？梢允褂门懦?，逐一拆下各個節(jié)點，觀察錯誤幀是否仍然存在，從而確定導(dǎo)致錯誤幀的節(jié)點。

2.5 供氫系統(tǒng)調(diào)試

氫氣本身具有易燃易爆及易泄露的特點，因此供氫系統(tǒng)的調(diào)試必須嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行。系統(tǒng)調(diào)試前，應(yīng)再次確認(rèn)氫泄露探頭及報警裝置功能正常、瓶口電磁閥工作正常且能夠手動關(guān)閉。以便氫氣泄露并達(dá)到爆炸極限（體積分?jǐn)?shù)4%）時，能及時發(fā)現(xiàn)并采取措施。如圖2所示是某車型供氫系統(tǒng)。

圖2 某車型供氫系統(tǒng)

2.5.1 氫氣供給管路氣密性檢測

氣密性試驗可以用兩種方式進(jìn)行。舊方法：測試人員使用5%和95% N2的混合物，用泄漏檢測液，觀察氣泡是否存在。舊辦法效率低，難以發(fā)現(xiàn)小滲漏。新方法：測試人員使用H2作為檢測介質(zhì)，用高度靈敏的氫探頭（圖3），發(fā)現(xiàn)是否有任何泄漏附近。新的測試方法的詳細(xì)步驟如下：

（1）確定氣密性檢測環(huán)境安全（開放空間、電磁波以及嚴(yán)禁煙火等），確定氫罐瓶口閥的手動開關(guān)關(guān)閉，確定氫氣進(jìn)入電堆的限流閥關(guān)閉（本車燃料電池系統(tǒng)中進(jìn)入電堆之前另存在一個電磁閥）。

（2）采用移動加注機將H2增壓至10MPa,采用氫氣探頭接觸管路中連接處，檢測2遍，若無泄露將管路中H2通過排空口排出，用手指感覺排口空處無氣流輸出視為排空完成。將H2分別增壓至20MPa,35MPa重復(fù)上述步驟。

（3）恢復(fù)手動開關(guān)開啟狀態(tài)，完成氣密性檢測。

圖3 高靈敏度氫探頭

2.5.2 氫罐氣體置換

氫罐首次加氫或者氫罐長時間存放時，都需要進(jìn)行氣體置換，前者將N2置換成H2，后者將H2置換成N2。置換步驟如下：

（1）確定周圍環(huán)境安全，確定氫氣進(jìn)入電堆的限流閥關(guān)閉。

（2）連接加氫槍和加注口，利用移動加注機將H2加注至氫瓶中，加注至2MPa，斷開加氫槍，通過排空口將氫罐中氣體排出，以手指感覺排口空處無氣流輸出視為排空完成。

（3）重復(fù)上述動作2次的視為置換完成。

2.5.3 向氫罐內(nèi)加氫

向氫罐內(nèi)加氫通常需要使用氫氣加注機。如圖4所示是一種小型撬裝式氫氣加注機。集成了增壓泵、冷凝器、加氫槍、高壓軟管、靜電接地報警儀、高壓閥門、儀表及管路等。

圖4 一種小型撬裝式氫氣加注機

當(dāng)沒有氫氣加注機，而且不需要太多氫氣時，可以直接使用加氫槍向氫罐內(nèi)加注氫氣，如圖5所示。由于沒有氫氣加注機，相應(yīng)地加氫速度也因壓力差較小而下降。

圖5 無加注機時可直接向氫罐內(nèi)加氫

加氫實現(xiàn)商業(yè)需要更加便利并且批量化?，F(xiàn)代化加氫站通常的加氫過程如圖6所示。加氫口的流量隨著入口壓力增加而增加，如圖7所示。超高壓被廣泛采用以縮短加氫時間。目前加注35MPa氫罐超高壓須達(dá)到45MPa，加注70MPa氫罐超高壓須達(dá)到90MPa[2]。

圖6 現(xiàn)代化加氫站通常的加氫過程

2.6 燃料電池系統(tǒng)調(diào)試

如圖8所示是燃料電池系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。燃料電池系統(tǒng)由氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、氫空系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成[3]。氫空氣系統(tǒng)是燃料電池系統(tǒng)的核心，是氫和氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的地方。

圖7 加氫口流量隨入口壓力變化情況

圖8 燃料電池系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

2.6.1 環(huán)境溫度要求

在調(diào)試燃料電池系統(tǒng)時，必須確保環(huán)境溫度在冷卻系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)。上一代產(chǎn)品的反應(yīng)堆冷卻劑為去離子水，要求環(huán)境溫度在0°C以上。否則，應(yīng)增加加熱系統(tǒng)來加熱冷卻液。新一代燃料電池的冷卻系統(tǒng)采用防凍冷卻劑，環(huán)境溫度可以低至30°C。

2.6.2 燃料電池系統(tǒng)起動性能測試

在向燃料電池系統(tǒng)發(fā)出啟動命令后，檢查系統(tǒng)是否正常工作。燃料電池系統(tǒng)的輸出電壓、電流、入口溫度、入口壓力、冷卻劑溫度可以通過氫控制器讀取，應(yīng)處于正常狀態(tài)。啟動后關(guān)閉。

連續(xù)啟動三次，每次間隔不少于5分鐘。檢查燃料電池系統(tǒng)起動性能是否正常。

2.6.3 燃料電池系統(tǒng)工況循環(huán)測試

表1 燃料電池系統(tǒng)測試循環(huán)工況

按表1種規(guī)定的燃料電池系統(tǒng)工況循環(huán)測試的13種工況，進(jìn)行20次循環(huán)。測試過程中，工況之間的過渡時間不做嚴(yán)格限定，但不能無故停機。各工況下的功率偏差應(yīng)在合理范圍內(nèi)。測試過程中如發(fā)生故障，應(yīng)如實記錄故障發(fā)生情況、故障停機原因、排除故障方法等。每次循環(huán)都應(yīng)記錄各工況下的電流、電壓和環(huán)境溫度，標(biāo)定工況每隔10min記錄一次數(shù)據(jù)。對比第1次循環(huán)與第20次循環(huán)，標(biāo)定工況和過載工況下的功率偏差應(yīng)小于1kW[4]。

2.7 整車聯(lián)合調(diào)試

整車聯(lián)合調(diào)試內(nèi)容包括信號調(diào)試、高壓上下電調(diào)試、附件調(diào)試、總成基本功能調(diào)試、行駛功能調(diào)試等。

（1）氣泵調(diào)試。高低壓上電后，氣泵工作。當(dāng)管路氣壓升到840kpa（時長約為3分鐘，如果用時超長須檢查制動氣路是否有故障），干燥器應(yīng)自動排氣，氣泵油溫達(dá)到80℃以上時，氣泵應(yīng)停止工作。 多次踩制動踏板后，氣壓降到600kpa以下時，氣泵應(yīng)能再次自動啟動。當(dāng)氣泵油溫超過110℃時，氣泵停止工作。

（2）油泵調(diào)試。檢查下電控制邏輯“工作不允許，不工作允許”。檢查主動放電功能。

（3）電機功能調(diào)試。電機功能調(diào)試包括電機扭矩響應(yīng)測試、轉(zhuǎn)速響應(yīng)測試自學(xué)習(xí)測試、換擋測試等。

（4）附件調(diào)試。附件調(diào)試主要是對電動真空泵、冷卻水泵、電動風(fēng)扇等附件進(jìn)行功能測試。

（5）信號調(diào)試。信號調(diào)試主要是檢查整車控制器輸入輸出信號，包括CAN信號和I/O信號。

（6）高壓上下電調(diào)試。高壓上下電調(diào)試主要內(nèi)容為：DC/DC高壓上下電調(diào)試、電機高壓上電調(diào)試、電機快速放電及自然放電調(diào)試、充電上下電調(diào)試等。

（7）行駛功能調(diào)試。行駛功能調(diào)試主要內(nèi)容包括怠速功能調(diào)試、爬行功能調(diào)試、換檔功能調(diào)試、模式切換功能調(diào)試、制動能量回收功能調(diào)試等。

3 結(jié)論

本文根據(jù)燃料電池車整車調(diào)試的工程實踐，總結(jié)了整車調(diào)試的主要過程和方法。對于燃料電池車特有的供氫系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)，針對其調(diào)試方法，著重進(jìn)行了探討。該調(diào)試方法對今后的燃料電池車調(diào)試工作具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 蔡其瑾.車載CAN網(wǎng)絡(luò)的自動化測試系統(tǒng)研究.桂林電子科技大學(xué)碩士論文庫,2014.

[2] 馮慧聰,周偉,馬建新.加氫站高壓儲氫瓶分級方法.太陽能學(xué)報.2010.

[3] 陳海霞.基于MCU燃料電池汽車發(fā)動機系統(tǒng)控制研究.東北大學(xué)碩士論文,2008.

[4] 陳全世,仇斌,謝起成.燃料電池電動汽車.北京:清華大學(xué)出版社,2005.

A Preliminary Study on the Commissioning Methods for Fuel Cell Vehicle

Jiang Zhihao, Pei Tingshuai, Pei He
( China first automobile co., LTD. Technology center, Jilin Changchun 130011 )

After the completion of the new model of fuel cell car, the vehicle needs to be adjusted by vehicle to verify the control logic of the vehicle, so that the vehicle electrical system can work together efficiently. Fuel-cell cars vehicle debugging process mainly includes seven steps-debugging preparation, low voltage detecting systems, high pressure system, CAN network testing, debugging for hydrogen system, fuel cell system debugging, the vehicle joint debugging.According to the engineering practice, this paper summarizes the main process and key points in the commissioning of fuel cell vehicle, and provides reference for the commissioning of fuel cell vehicles.

fuel cell car; Vehicle commissioning method; Hydrogen supply system; Fuel cell system

U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-78-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.027

姜志豪，就職于一汽技術(shù)中心輕型車部新能源車設(shè)計室。