氫燃料電池城市客車動(dòng)力系統(tǒng)控制策略研究

陶西孟， 張景濤， 張禮憲, 李貴武， 趙 靜

(中通客車控股股份有限公司， 山東 聊城 252000)

隨著我國(guó)新能源汽車行業(yè)的深入發(fā)展，氫燃料電池客車以其無(wú)污染、加氫時(shí)間短、續(xù)駛里程遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到市場(chǎng)的青睞[1-2]。氫燃料電池是一種特殊的發(fā)電裝置，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，停機(jī)時(shí)需要吹掃等特性[3-4]。某款9 m氫燃料電池城市客車采用國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)，搭配錳酸鋰動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能裝置，兩者互相配合組成電-電混合的城市客車能源系統(tǒng)?；跉淙剂想姵剌敵龉β什豢深l繁劇烈變化和停機(jī)需要吹掃的現(xiàn)象，對(duì)該款9 m氫燃料電池客車從整車能量控制策略和上下電控制策略進(jìn)行研究。

1 整車能量控制策略研究

氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。氫氣和氧氣在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中不斷地消耗去產(chǎn)生電能，從而通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛[5]。當(dāng)車輛在加速或減速等功率需求短且變化很大的狀態(tài)時(shí)，燃料電池的輸出功率無(wú)法在短時(shí)內(nèi)作出響應(yīng)，這是目前燃料電池系統(tǒng)自身特性所決定的[6]。

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)基本組成

該9 m氫燃料電池客車整車動(dòng)力系統(tǒng)由氫燃料電池系統(tǒng)、儲(chǔ)能裝置、DC/DC和電機(jī)系統(tǒng)組成，如圖1所示。燃料電池系統(tǒng)包括電堆和輔助系統(tǒng)(氣管理系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)以及控制器等)，為整車運(yùn)行提供主要?jiǎng)恿Α?chǔ)能裝置采用錳酸鋰動(dòng)力電池為整車啟動(dòng)、整車加速和爬坡等工況提供輔助動(dòng)力。DC/DC分為升壓和降壓兩部分，升壓DC/DC使 DC/DC 輸出電壓與整車電壓水平匹配；降壓DC/DC為燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的輔助系統(tǒng)提供動(dòng)力。

BMS—電池管理系統(tǒng)； VCU—整車控制器；FCU—?dú)淙剂想姵叵到y(tǒng)控制器； HMS—?dú)湎到y(tǒng)控制器

1.2 整車能量控制策略制定

氫燃料電池客車與純電動(dòng)客車相比，降低了對(duì)電池電量的要求。氫燃料電池功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，輸出功率不能在短時(shí)間內(nèi)劇烈變化，當(dāng)整車需要加速或爬坡時(shí)，氫燃料電池?zé)o法及時(shí)輸出整車的高功率需求，因此，要求整車配備的動(dòng)力電池系統(tǒng)要有足夠的峰值功率，短時(shí)間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)大功率的充放電[7-8]。

氫燃料電池和動(dòng)力電池互相搭配組成該9 m氫燃料電池客車的動(dòng)力能源系統(tǒng)，整車控制器根據(jù)公交工況需求，控制氫燃料電池和動(dòng)力電池為整車提供能量。整車能量控制策略如下：

1) 整車啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)力電池首先上高壓，待氫燃料電池輔助系統(tǒng)供電正常后，啟動(dòng)氫燃料電池。

2) 行車時(shí)，如動(dòng)力電池SOC在0%～85%區(qū)間，氫燃料電池為主動(dòng)力源，氫燃料電池輸出功率保持在額定狀態(tài)。當(dāng)整車減速或低速勻速行駛時(shí)，燃料電池提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車所需的能量；當(dāng)整車加速或高速勻速行駛時(shí)，燃料電池輸出功率不足的部分，由動(dòng)力電池作為輔助系統(tǒng)彌補(bǔ)。

3) 行車時(shí)，如動(dòng)力電池SOC在85%～100%區(qū)間，只有動(dòng)力電池給整車供電，氫燃料電池處于待機(jī)狀態(tài)，功率輸出只滿足氫燃料電池輔助系統(tǒng)供電。該供電狀態(tài)可避免動(dòng)力電池過(guò)充造成的動(dòng)力電池?fù)p壞[9-10]。

4) 整車停車時(shí)，氫燃料電池首先下電吹掃，吹掃完畢后，動(dòng)力電池再完成整車高壓下電。

2 整車上下電控制策略研究

氫燃料電池啟動(dòng)時(shí)，氫燃料電池輔助系統(tǒng)需要提前供電；氫燃料電池停機(jī)時(shí)，需要進(jìn)行吹掃，排空電堆內(nèi)部的水和未反應(yīng)的氣體。整車在進(jìn)行上下高壓電時(shí)，需要針對(duì)氫燃料電池啟停的特殊性進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

2.1 上下電流程

氫燃料電池的啟停具有特殊性：氫燃料電池啟動(dòng)時(shí)，整車需通過(guò)動(dòng)力電池給電堆提前提供高壓電源，電堆內(nèi)獲得足夠壓力和流量的反應(yīng)氣體時(shí)，氫燃料電池才能輸出足夠的電流，保證氫燃料電池輔助系統(tǒng)運(yùn)行；氫燃料電池停機(jī)時(shí)，電堆內(nèi)部需要吹掃，排空燃料電池內(nèi)部的水汽和未反應(yīng)的氣體，避免氫燃料電池內(nèi)部反應(yīng)生成的水積聚，損壞氫燃料電池性能和壽命，氫燃料電池在停機(jī)過(guò)程中仍需要?jiǎng)恿﹄姵靥峁└邏弘娫碵11]。根據(jù)氫燃料電池上述啟停特性，該9 m氫燃料電池客車上電流程圖如圖2所示，下電流程圖如圖3所示。

圖2 上電流程圖

圖3 下電流程圖

2.2 客車上下電關(guān)鍵控制策略制定

1) 上電關(guān)鍵控制策略。整車控制器接收到START信號(hào)后，向BMS發(fā)送高壓上電指令，BMS完成預(yù)充并吸合主正繼電器后，向整車控制器發(fā)送主正繼電器吸合狀態(tài)信號(hào)，整車控制器接收到主正繼電器吸合信號(hào)判定高壓上電成功，向儀表發(fā)送READY信號(hào)，整車高壓上電完成。整車控制器開(kāi)始檢測(cè)整車工作模式，如駕駛員閉合儀表臺(tái)上的純電模式開(kāi)關(guān)，整車控制器不開(kāi)啟電堆，只有動(dòng)力電池供電；如駕駛員閉合儀表臺(tái)上的混合模式開(kāi)關(guān)，整車控制器為防止電堆開(kāi)啟過(guò)程中其他高壓部件未進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，影響降壓DC/DC正常工作，要延時(shí)8 s后，再向氫燃料電池控制器發(fā)送開(kāi)啟指令，燃料電池控制器開(kāi)啟氫系統(tǒng)并控制風(fēng)機(jī)給電堆供氫氣，電堆啟動(dòng)并逐漸加載至設(shè)定值給整車供高壓電或給動(dòng)力電池充電。

2) 下電關(guān)鍵控制策略。整車控制器接收到ON擋下電信號(hào)后，氫燃料電池開(kāi)始降載，降載為0后氫燃料電池開(kāi)始吹掃，吹掃時(shí)間一般為30 s左右，在此期間，整車不但要保持高壓上電狀態(tài)，整車低壓電也不可斷開(kāi)。駕駛員駕駛純電動(dòng)客車在停車時(shí)，鑰匙打到LOCK擋后，習(xí)慣直接關(guān)閉儀表臺(tái)上的整車低壓電源開(kāi)關(guān)；而氫燃料電池客車在下電時(shí)，關(guān)閉儀表臺(tái)整車低壓電源開(kāi)關(guān)后，將導(dǎo)致燃料電池吹掃失敗，燃料電池內(nèi)部水汽如果長(zhǎng)期不排空，將大大縮短燃料電池壽命。

為避免停車時(shí)整車低壓電源丟失，該9 m氫燃料電池城市客車采取以下方案改進(jìn):停車后將ON擋旋至ACC或LOCK擋，當(dāng)VCU檢測(cè)到ON擋信號(hào)丟失，且燃料電池正在工作時(shí)，VCU會(huì)立即輸出24 V低壓電使繼電器線圈保持得電狀態(tài)，避免駕駛員在燃料電池未吹掃完畢前關(guān)閉儀表臺(tái)整車低壓電源開(kāi)關(guān)。當(dāng)燃料電池吹掃完畢，VCU停止24 V輸出，斷開(kāi)整車低壓供電，實(shí)現(xiàn)了下電延時(shí)控制。電路原理圖如圖4所示。

圖4 下電延時(shí)控制原理圖

3 控制效果測(cè)試

圖5為整車靜態(tài)上電功率狀態(tài)圖。動(dòng)力電池上電后，延時(shí)5 s，待整車其他高低壓設(shè)備達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，燃料電池開(kāi)始啟動(dòng)，6～7 s后燃料電池凈輸出功率達(dá)到25 kW穩(wěn)定狀態(tài)，動(dòng)力電池處于充電狀態(tài)，充電功率大約為21 kW；圖6為整車勻速40 km/h加速至60 km/h功率狀態(tài)圖。整車勻速40 km/h加速至60 km/h時(shí)，燃料電池凈輸出功率保持不變，動(dòng)力電池輸出功率不斷增加，由充電狀態(tài)上升為放電狀態(tài)。由圖6可知，當(dāng)車速為60 km/h時(shí)，燃料電池功率無(wú)法滿足整車需求，動(dòng)力電池開(kāi)始處于放電狀態(tài)。圖7為整車停車時(shí)的功率狀態(tài)圖。停車時(shí)，燃料電池首先停機(jī)，6.2 s后燃料電池凈輸出功率降為0，約1.2 s后燃料電池停止功率輸出，動(dòng)力電池給燃料電池輔助系統(tǒng)供電，大約22 s后燃料電池輔助系統(tǒng)完成對(duì)燃料電池內(nèi)部吹掃工作，動(dòng)力電池下高壓，完成停車過(guò)程。

圖5 整車靜態(tài)啟動(dòng)功率狀態(tài)圖

圖6 勻速40 km/h至60 km/h加速功率狀態(tài)圖

圖7 停車過(guò)程功率狀態(tài)圖

由測(cè)試結(jié)果可知，整車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量控制策略設(shè)計(jì)，滿足加速、爬坡等瞬態(tài)高功率需求，避免燃料電池輸出功率頻繁劇烈波動(dòng)，同時(shí)保證停車時(shí)燃料電池完成吹掃過(guò)程，避免燃料電池壽命縮短。

4 結(jié)束語(yǔ)

整車運(yùn)行過(guò)程中燃料電池輸出功率頻繁劇烈變化和停機(jī)過(guò)程中燃料電池?zé)o吹掃現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致燃料電池出現(xiàn)損壞。為避免上述問(wèn)題，該款9 m氫燃料電池客車從整車能量控制策略和上下電控制策略進(jìn)行控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王菊,鄭賀悅,尤可為,等.燃料電池汽車技術(shù)政策研究[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2013：3-21.

[2] 候明,衣寶廉.燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].電源技術(shù)，2008，32(10)：649-654.

[3] 郭寶圣.車載制氫式燃料電池電動(dòng)汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].杭州：浙江大學(xué),2015.

[4] 劉振.輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與燃料電池電動(dòng)汽車的動(dòng)力匹配[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

[5] 盧廣苗.燃料電池電動(dòng)汽車自適應(yīng)能量管理系統(tǒng)的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[6] 肖華僑.燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制策略研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2012.

[7] 夏建軍.燃料電池電動(dòng)汽車多能源匹配與自適應(yīng)控制研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[8] 王剛.燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配與仿真研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[9] 謝長(zhǎng)軍,杜傳進(jìn)，全書(shū)海.燃料電池電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用，2007,26(6):86-88.

[10] 田甜,鄭燕萍,蔣元廣,等.混合動(dòng)力汽車控制策略優(yōu)化研究綜述[J].公路與汽運(yùn),2010(5):1-4.

[11] 陳樹(shù)勇,陳全世,仇斌,等.燃料電池城市客車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的合理匹配研究[J].公路交通科技,2008,25(6):147-153.