某氫燃料電池巴士系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

劉德成 賓洋 羅文廣 王召杰

摘? ?要：高效、純凈的氫燃料電池新能源巴士是近年來(lái)汽車領(lǐng)域中的熱點(diǎn).結(jié)合城際/城市巴士的道路交通工況和工程實(shí)際需求，本文研發(fā)了一種30 kW的氫燃料電池與動(dòng)力電池并聯(lián)式的電電混合動(dòng)力系統(tǒng).該系統(tǒng)綜合分析了多種電氣拓?fù)浼軜?gòu)組合的優(yōu)劣勢(shì)，依據(jù)理論計(jì)算和現(xiàn)有資源選擇了各子系統(tǒng)相互匹配的參數(shù)，同時(shí)開(kāi)發(fā)了該系統(tǒng)的測(cè)控軟件.在此基礎(chǔ)上，使用電流可調(diào)節(jié)的升壓DC/DC變換器設(shè)計(jì)了功率分配控制器，實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池輸出功率連續(xù)可調(diào)節(jié)的功能.最后搭建了該系統(tǒng)的全尺寸試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行部分試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足實(shí)際功能需求.

關(guān)鍵詞：氫燃料電池;混合動(dòng)力系統(tǒng);功率分配控制器;試驗(yàn)臺(tái)架

中圖分類號(hào)：U469.72;TM911.42? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.014

0? ? 引言

由于化石燃料（礦石燃料）消費(fèi)量的不斷增加，現(xiàn)有的儲(chǔ)量正在下降，資源終會(huì)耗盡.在常規(guī)能源危機(jī)和新的二次能源開(kāi)發(fā)之后，氫氣是一種新的二次能源.相比較于資源有限，污染環(huán)境的傳統(tǒng)化石燃料，氫燃料更高效、更清潔，其在地球上的主要存在形式化合物水，資源比較豐富. 用清潔的太陽(yáng)能、風(fēng)能等將水電解轉(zhuǎn)為氫，可將這些能源產(chǎn)生的電以氫的形式方便地儲(chǔ)存與應(yīng)用，替代電能的存儲(chǔ)裝置，發(fā)揮較好的經(jīng)濟(jì)效益.

燃料電池的發(fā)電過(guò)程是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能.單元電池由兩個(gè)正極和負(fù)極（燃料電極，氧化劑電極）和電解質(zhì)組成.在電解質(zhì)膜的兩側(cè)發(fā)生氫化反應(yīng)和氧還原反應(yīng)，并且電子通過(guò)外部電路工作以產(chǎn)生電能.只要連續(xù)輸入燃料和氧化劑（純氧或空氣），燃料電池就連續(xù)產(chǎn)生電能，因此，燃料電池具有電池和熱機(jī)的特性，具有高能量轉(zhuǎn)換效率、無(wú)環(huán)境污染物排放、低溫快速啟動(dòng)、低振動(dòng)和噪音水平等特性.氫燃料電池的燃料是氫和氧.因此，氫燃料電池電動(dòng)汽車是真正的零排放，零污染的清潔能源汽車，氫燃料是相對(duì)較好的汽車新能源.

近年來(lái)，許多研究機(jī)構(gòu)、汽車企業(yè)、高等院校等對(duì)燃料電池相關(guān)技術(shù)的巨大投入，在絕大多數(shù)零部件成功突破瓶頸，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，燃料電池的成本逐漸降低.同時(shí)，國(guó)家在政策層面上推出了“十三五”規(guī)劃、“燃料電池汽車技術(shù)發(fā)展路線圖”等多個(gè)鼓勵(lì)支持政策，也促進(jìn)了社會(huì)對(duì)能源革命的轉(zhuǎn)型升級(jí).在氫燃料電池客車方面，過(guò)去幾年來(lái)，宇通、中通[1]、東方電氣[2]、中興智能、福田歐輝、金龍[3]等整車廠商也相繼推出了氫燃料電池客車.除了介紹設(shè)計(jì)方案外，中通客車還專注于分析燃料電池客車的上電和下電策略.文獻(xiàn)[3]介紹了氫燃料電池的電源方案，并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真測(cè)試.

根據(jù)目前燃料電池技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求，我們基于城際/城市巴士汽車平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了30 kW氫燃料電池+電池并聯(lián)弱混合動(dòng)力系統(tǒng).混合動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于多能源系統(tǒng)參數(shù)的適配性，既要保證系統(tǒng)的功能性，又要使得系統(tǒng)得到優(yōu)化.在需要參數(shù)匹配合適的同時(shí)，也需要能量的管理策略得到改

進(jìn)和優(yōu)化.因此，考慮汽車運(yùn)行過(guò)程中交通工況，研究各設(shè)備的參數(shù)，設(shè)計(jì)了項(xiàng)目的最佳匹配方案.并在全尺寸試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)，得到了良好的試驗(yàn)結(jié)果.

1? ? 混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力汽車是指將兩個(gè)或者兩個(gè)以上能夠各自運(yùn)作的單個(gè)能源系統(tǒng)聯(lián)合在一起，為汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力的車輛.一般意義上的混合動(dòng)力汽車指的是傳統(tǒng)的汽、柴油和電力構(gòu)成的油電混合電動(dòng)汽車.在目前的氫燃料電池電動(dòng)汽車中，經(jīng)常選擇某種適用性、穩(wěn)定性較好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其一般組成是氫燃料電池+DC/DC直流變換器與輔助動(dòng)力電池并聯(lián)構(gòu)成，輔助動(dòng)力電池主要是普通的鉛酸、鎳氫、鋰離子電池或者超級(jí)電容器等，這種新系統(tǒng)被稱作氫燃料電池電動(dòng)汽車的電電混合動(dòng)力系統(tǒng).輔助儲(chǔ)能電池或超級(jí)電容器與燃料電池形成混合燃料電池車輛，可以一定程度上提高燃料電池輸出功率的效率，以及提高整個(gè)車輛的動(dòng)態(tài)性能和經(jīng)濟(jì)效益.燃料電池多能源電電混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力匹配研究是一個(gè)新工程應(yīng)用，優(yōu)秀的匹配設(shè)計(jì)，為多能源電力系統(tǒng)的最佳工作條件和車輛行駛狀況適應(yīng)性的問(wèn)題提供了良好的解決方案.根據(jù)氫燃料電池電動(dòng)汽車的工程要求和實(shí)際情況，綜合考慮和分析了混合動(dòng)力系統(tǒng)各種設(shè)備的參數(shù)，如燃料電池的類型、功率的大小、VI曲線;電機(jī)的容量、額定功率、額定電壓、峰值速度等.

1.1? 系統(tǒng)電氣拓?fù)浼軜?gòu)

依據(jù)汽車能源供應(yīng)系統(tǒng)的不同組合，燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)目前有4種組合的構(gòu)型[4]，如圖1所示.本研究基于氫燃料電池的特性和公交巴士的運(yùn)行工況特點(diǎn)，從動(dòng)力性能、續(xù)駛里程、制動(dòng)能量回收、燃料電池壽命、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、系統(tǒng)復(fù)雜度、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)幾個(gè)方面對(duì)4種構(gòu)型進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1.

方案1和方案2是以燃料電池作為唯一的能量源，這就要求燃料電池能夠獨(dú)自滿足整車功率的需求，由于燃料電池本身功率密度較低，會(huì)導(dǎo)致整車動(dòng)力性弱、燃料電池壽命短、整車啟動(dòng)速度慢等問(wèn)題，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收功能，整車?yán)m(xù)駛里程相對(duì)較短.方案3以燃料電池和動(dòng)力電池作為能量源，通過(guò)DC/DC調(diào)節(jié)動(dòng)力電池電壓以跟蹤燃料電池電壓變化，由燃料電池的工作特性可知，其電壓隨負(fù)載變化大且不穩(wěn)，這會(huì)導(dǎo)致燃料電池壽命較短.

方案4也以燃料電池和動(dòng)力電池作為能量源，通過(guò)DC/DC調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出電壓，以跟蹤動(dòng)力電池電壓，通過(guò)燃料電池與動(dòng)力電池的組合共同滿足整車功率需求，因此整車啟動(dòng)速度快、動(dòng)力性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收功能，續(xù)駛里程長(zhǎng)，燃料電池可穩(wěn)定工作在中負(fù)荷區(qū)域，燃料電池壽命增長(zhǎng)，同時(shí)該方案可減少燃料電池需求功率，從而降低整車成本，更易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化.因此本研究選用方案4.

依據(jù)方案4，設(shè)計(jì)了氫燃料電池電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，如圖2所示.該系統(tǒng)主要包括氫燃料電池系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、電機(jī)電控系統(tǒng)、以及其他設(shè)備.氫燃料電池系統(tǒng)中，由位于車頂?shù)膬?chǔ)氫系統(tǒng)供給的高純度99.999%氫氣，進(jìn)入燃料電池，在通過(guò)燃料電池控制器控制氧氣的攝入和系統(tǒng)的溫度水平，從而產(chǎn)生電力.在經(jīng)過(guò)預(yù)充電路，流經(jīng)升壓DC/DC，連接到高壓配電盒.在動(dòng)力電池系統(tǒng)中，4個(gè)蓄電池串聯(lián)構(gòu)成了高壓大容量的動(dòng)力蓄電池，經(jīng)過(guò)電池管理系統(tǒng)（BMS）和預(yù)充電路后，接入高壓配電盒.車載輔助電源系統(tǒng)從配電盒取得高壓，經(jīng)降壓DC/DC實(shí)現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)低壓24 V的功能，為整車低壓系統(tǒng)提供24 V電源.動(dòng)力系統(tǒng)還配備了電池的充電系統(tǒng)，為汽車提供緊急充電服務(wù).最后，高壓電力通過(guò)電機(jī)控制器將高壓直流轉(zhuǎn)為300～500 V的三相交流電，為永磁同步電機(jī)提供足夠的動(dòng)力性能.

該系統(tǒng)由鋰離子動(dòng)力電池和氫燃料電池混合構(gòu)成電電弱混合動(dòng)力系統(tǒng)，將升壓DC/DC的輸出作為能量管理的對(duì)象，將氫燃料電池的輸出功率作為主動(dòng)供給能源，可以通過(guò)優(yōu)化控制策略，能避免燃料電池輸出功率的大范圍波動(dòng).鋰離子動(dòng)力電池作為隨動(dòng)能源，依照驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率的變化自動(dòng)輸出需要補(bǔ)償?shù)墓β剩瑢?duì)燃料電池及時(shí)起到‘去峰填谷’的作用.這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)：最優(yōu)的燃料電池性能、保證鋰電池合理充放電、最優(yōu)的功率分配等優(yōu)點(diǎn).

1.2? 系統(tǒng)參數(shù)匹配

根據(jù)燃料電池電動(dòng)汽車匹配設(shè)計(jì)流程[5]，在闡明燃料電池電動(dòng)車輛配置之后，燃料電池輸出功率和動(dòng)力電池組輸出功率應(yīng)該合理地匹配表2中所示的車輛性能指標(biāo)和當(dāng)前資源可用性，它滿足車輛所需的動(dòng)力穩(wěn)態(tài)分量（恒定行駛速度狀態(tài)）和動(dòng)態(tài)分量（如起動(dòng)和加速狀態(tài)），以確保車輛的動(dòng)態(tài)性能[6].

1.2.1? ? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)[7]

1）峰值功率[Pm]和額定功率[Pe]

氫燃料電池電動(dòng)公交巴士在最高車速時(shí)所需功率：

[Pm-umax=1η1η2mgf3 600νmax+CDA76 140ν3max]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中[g]為重力加速度，取[g=9.8ms2];傳動(dòng)系效率[η1=0.92];電機(jī)電控效率[η2=0.96];f為滾阻系數(shù).

氫燃料電池客車以恒定速度，爬上一定坡度所需功率：

[Pm-imax=1η1η2mgf3 600νacosαmax+mg3 600νasinαmax+CDA76 140ν3a]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

依據(jù)性能指標(biāo)，式中[νa]為爬坡速度，[νa=15 km/h]，最大爬坡度[tanαmax=18%].

氫燃料電池客車[9 s]加速到[30 km/h]所需功率：

[Pm-amax=1η1η2mgf3 600νacosαmax+CDA76 140ν3a+δm3 600·dudtνa]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[dudt]為客車的加速度;[δ]為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取[δ]=1.3.將參數(shù)代入，得出：

[Pm-umax=62.00 kW];[Pm-imax=147.97 kW];[Pm-amax=105.27 kW].? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

電動(dòng)機(jī)是用于驅(qū)動(dòng)燃料電池電動(dòng)車輛的車輪的唯一機(jī)構(gòu)，整個(gè)車輛的驅(qū)動(dòng)功率由電動(dòng)機(jī)提供. 因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率應(yīng)滿足燃料電池城市公交車的最大速度，最大坡度和加速度的要求[8].所以，驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率選擇：

[Pm=Pm-imax=147.97 kW→150 kW].? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

其中電機(jī)的過(guò)載系數(shù)取為1.8，則計(jì)算電機(jī)的額定功率為：

[Pe=150/1.8=83.3 kW].? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

2）最高轉(zhuǎn)速[Nm]和額定轉(zhuǎn)速[Ne]

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速[Nm]，應(yīng)該能夠滿足氫燃料電池客車在運(yùn)行時(shí)的最高轉(zhuǎn)速的需求，即：

[Nm≥νmaxi00.377r=1 972 radmin→取整2 000 radmin].? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

考慮到燃料電池客車在市區(qū)行駛通常處于低速狀態(tài)，并且經(jīng)常伴有紅燈和綠燈，進(jìn)出站的啟動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)基速比的[β]選取應(yīng)保證其有較好能量轉(zhuǎn)換效率，選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)基速比[β=2.5]，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速[Ne]為：

[Ne=Nmβ=800 radmin].? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

3）電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩[Tm]和額定轉(zhuǎn)矩[Te]

[Tm=mgfcosαmax+mgsinαmax+CDA/21.15i0η1η2·r=3 289 N?m];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩：

[Te=9 550PeNe=990 N?m]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

綜上，結(jié)合目前現(xiàn)有的資源以及經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，選的電機(jī)主要參數(shù)為：峰值功率160 kW，額定功率80 kW，額定轉(zhuǎn)矩1 000 [N?m]，峰值轉(zhuǎn)速2 600 [rad]/min，額定轉(zhuǎn)速800 [rad]/min，峰值轉(zhuǎn)矩2 800 [N?m]，額定電壓380 V.

1.2.2? ? 供氫系統(tǒng)

就燃料電池電動(dòng)汽車而言，如何將燃料供給車載燃料電池是其主要難題.至今，有3種車載儲(chǔ)氫方法：在環(huán)境溫度下，高壓儲(chǔ)存壓縮氫;低溫液氫儲(chǔ)存;金屬氫化物儲(chǔ)存法.本文選擇適于車用的高壓儲(chǔ)氫方法，儲(chǔ)氫罐體積可由下式求得：

[V=R?T?EHP?WH?HV].? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（11）

式中，[V]為儲(chǔ)氫容器容積[m3];P為儲(chǔ)氫壓力[Pa];[EH]為所需能量[k]J;[R]為氣體常數(shù);[T]為絕對(duì)溫度[K];[WH]為氫的分子量;[HV]為氫的熱值[MJ/kg].

1.2.3? ? 燃料電池電堆

燃料電池功率需要在考慮總成資源的前提下，根據(jù)最高車速確定.依據(jù)公式：

[Pfc≥Pm-umax=1η1η2mgf3 600νmax+CDA76 140ν3max→Pfc≥62 kW]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（12）

式中，[Pfc]即為燃料電池的輸出功率.結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際狀況，選擇峰值功率為36 kW，額定功率為30 kW，效率為40%～45%的燃料電池電堆.

1.2.4? ? 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池的功率一般按照電機(jī)的峰值功率與燃料電池的功率的差值進(jìn)行選擇，并且需要考慮車載電器的使用容量，留有一定的余量.

[Pb=ψ（Pm-Pfc）]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（13）

式中，[ψ]為余量系數(shù)，Pb為電池所需功率，Pm為電機(jī)峰值功率，Pfc為燃料電池功率.在滿足以上條件以及空間大小、經(jīng)濟(jì)效益情況下，動(dòng)力電池的容量越大越好.動(dòng)力電池的峰值電流應(yīng)該滿足巴士最大功率輸出時(shí)所需的大小且需要持續(xù)一定時(shí)間.由于動(dòng)力電池的技術(shù)原因，動(dòng)力電池的選擇還應(yīng)該考慮到氫燃料電池巴士的應(yīng)用所在地的環(huán)境條件，避免因?yàn)榄h(huán)境原因，減少其壽命.動(dòng)力電池最后需要選擇一個(gè)性能優(yōu)越、穩(wěn)定的BMS（電池管理系統(tǒng)）.

1.2.5? ? 關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)匹配結(jié)果

依據(jù)基本的動(dòng)力學(xué)規(guī)則、項(xiàng)目實(shí)際狀況和現(xiàn)有資源總成的條件下，對(duì)氫燃料電池電動(dòng)客車的關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)匹配結(jié)果如表3所示.

2? ?基于labview的測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

CAN總線是20世紀(jì)80年代初由德國(guó)BOSCH開(kāi)發(fā)的串行多主總線通信協(xié)議，用于解決車輛控制系統(tǒng)和測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題.CAN總線控制系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)集成模塊化工作模式，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng).具有靈活的配置，良好的實(shí)時(shí)性能，強(qiáng)大的系統(tǒng)錯(cuò)誤檢測(cè)能力和強(qiáng)大的隔離能力.同時(shí)，每個(gè)模塊可以獨(dú)立工作并介入模塊之間.目前CAN通信廣泛應(yīng)用于汽車通信網(wǎng)絡(luò)，已成為汽車電子通信的發(fā)展趨勢(shì).

在本文中，測(cè)試系統(tǒng)軟件是基于labview系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，用于臺(tái)架測(cè)試. NI LabVIEW是一種系統(tǒng)工程軟件，專為測(cè)試，測(cè)量和控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可快速訪問(wèn)硬件和數(shù)據(jù)信息. 有助于可視化應(yīng)用程序各個(gè)方面的圖形編程方法，包括硬件配置，測(cè)量數(shù)據(jù)和調(diào)試，已被工業(yè)界，學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室廣泛采用.Labview將所有通信功能與符合GPIB，VXI，RS-232和RS-485協(xié)議的硬件和數(shù)據(jù)采集卡集成在一起. 它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù). 這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件.它可以用來(lái)輕松構(gòu)建自己的虛擬樂(lè)器，其圖形界面使編程和使用過(guò)程變得有趣和有趣.如圖3所示.

該測(cè)試系統(tǒng)的軟件構(gòu)成主要包括：CANbus底層控制、VCU控制指令、BMS監(jiān)測(cè)指令、4合1控制器指令、MCU和FCU的指令.測(cè)試系統(tǒng)硬件主要是用于巴士上的主要的氫燃料設(shè)備，其他設(shè)備進(jìn)行了替換僅用于實(shí)驗(yàn).每個(gè)軟件模塊都能并行的處理數(shù)據(jù)，可以將處理的結(jié)果通過(guò)CAN 局域通訊網(wǎng)，將指令數(shù)據(jù)傳給接收方.測(cè)試系統(tǒng)為了更好的進(jìn)行試驗(yàn)，CAN線使用了雙絞屏蔽線，避免了因?yàn)镋MC干擾，使得設(shè)備通訊錯(cuò)誤或者丟幀.測(cè)試系統(tǒng)嚴(yán)格按照氫燃料電池上下電策略，進(jìn)行了多次的實(shí)驗(yàn)，為后期的整車試驗(yàn)做好充足準(zhǔn)備.

3?   燃料電池輸出功率連續(xù)可調(diào)節(jié)

氫燃料電池電堆一般由多個(gè)單片電池并聯(lián)或串聯(lián)組成，單片電壓約為1.2 V左右，為了滿足電堆的整體輸出功率以及保證電堆體積在一定范圍內(nèi)，電堆系統(tǒng)最終所構(gòu)成的輸出電壓一般較低.同時(shí)為了進(jìn)一步提高永磁同步電機(jī)和電機(jī)控制器的轉(zhuǎn)換效率，電機(jī)控制器的輸入電壓存在一直往高壓方向發(fā)展的趨勢(shì).因此為了協(xié)調(diào)燃料電池、電機(jī)控制器和電池的電壓關(guān)系，依據(jù)1.1中的方案4在燃料電池的輸出端添加了一個(gè)升壓DC/DC，升壓DC/DC的輸出電壓由電池電壓決定.在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，升壓DC/DC只需要控制其輸入或者輸出的電流來(lái)改變?nèi)剂想姵氐妮敵龉β?，從而DC/DC輸出電壓跟隨母線電壓即可.當(dāng)氫燃料電池電動(dòng)客車已一定功率行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)消耗一定的能量，若燃料電池的輸出功率得到改變控制，那么動(dòng)力電池作為隨動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)做出相應(yīng)的改變，以滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的消耗.因此這樣就是實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單地功率分配功能.為了深入研究功率分配問(wèn)題，還需要考慮各個(gè)系統(tǒng)的效率轉(zhuǎn)換問(wèn)題、系統(tǒng)的特性和運(yùn)行的工況.

3.1? ?電流可控可限升壓DC/DC變換器

升壓DC/DC是一種能夠?qū)⒌蛪褐绷鬓D(zhuǎn)為高壓直流的單向能量變換器.DC/DC變換器主要包含了濾波電路設(shè)計(jì)，多個(gè)大功率、快反應(yīng)的開(kāi)關(guān)MOSFET管的選型，儲(chǔ)能電感、控制電路，輔助電源設(shè)計(jì)等[9].? ? ?DC/DC有電壓控制、電流控制兩種方式，在大多數(shù)場(chǎng)合，一般使用電壓控制去保證輸出電壓的穩(wěn)定性.但是，在1.1方案中，DC/DC輸出端并聯(lián)連接了動(dòng)力電池，不需要維持輸出電壓的穩(wěn)定性，因此，在這種應(yīng)用下，DC/DC需要選擇電流型的控制方式.

DC/DC電流型的控制方式也分為輸入端電流控制、輸出端電流控制.若方案4選擇輸出端電流控制，則在母線電壓不變情況下，可以確定氫燃料電池+DC/DC的輸出功率大小.由于輸出電壓為高壓，輸出電流范圍為0～50 A，范圍精度小，若控制精度不夠，則會(huì)造成燃料電池輸出端的波動(dòng)較大，燃料電池電堆的單片電壓不穩(wěn)定.而輸入端的電流范圍為0～300 A，輸入端的電流微小波動(dòng)，對(duì)電堆的單片電壓的影響較小，可以保證燃料電池系統(tǒng)較好地穩(wěn)定地運(yùn)行，也同時(shí)延長(zhǎng)了燃料電池的壽命.因此本方案中選擇一款控制方式較多的升壓型DC/DC，其控制方式有：輸入/輸出電流控制，輸入/輸出電壓控制，輸入/輸出功率控制，輸入/輸出最大功率點(diǎn)跟蹤控制.可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和最優(yōu)的控制方法，自行選擇合適的控制方式.

3.2? ?燃料電池輸出功率控制器

氫燃料電池和動(dòng)力電池組成動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)根據(jù)汽車的運(yùn)行狀態(tài)，駕駛員的油門/剎車的位置感應(yīng)，電池SOC情況和各個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率的性能，通過(guò)上文中的升壓DC/DC，對(duì)燃料電池和動(dòng)力電池進(jìn)行能量輸出的分配，以及制動(dòng)能量的回收.為此，本文轉(zhuǎn)門設(shè)計(jì)了一個(gè)燃料電池輸出功率控制器，實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)良狀態(tài)，節(jié)約了氫氣的使用量，提高了電堆的使用壽命.整車控制器通過(guò) CAN 總線，實(shí)現(xiàn)與電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、燃料電池控制器的可靠通信，進(jìn)行狀態(tài)的采集及控制指令的輸出.

氫燃料電池輸出功率控制器的核心是：根據(jù)車輛各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，區(qū)分當(dāng)前汽車的工作模式，選擇合適的工作模式和正確分配電堆與電池的能量.

3.2.1? ? 驅(qū)動(dòng)控制策略

驅(qū)動(dòng)控制策略的基本規(guī)則是：在滿足動(dòng)力電池的SOC維持在某一限定值得條件下，既不能對(duì)鋰電池

產(chǎn)生過(guò)充，也不能使得電池造成過(guò)度放電，同時(shí)盡可能的保證燃料電池工作在最優(yōu)的狀態(tài)下，使得系統(tǒng)達(dá)到較好的運(yùn)行環(huán)境.驅(qū)動(dòng)控制策略是在電力輔助控制策略[10]的基礎(chǔ)上，修改了其分級(jí)的缺點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)中燃料電池和電機(jī)的需求功率進(jìn)行了多級(jí)區(qū)分如表4所示.明顯提高了燃料電池系統(tǒng)的效率和提高了能量利用率.

3.2.2? ? 制動(dòng)控制策略

車輛制動(dòng)時(shí)主要分為再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)，其中再生制動(dòng)的能量回饋是提高車輛經(jīng)濟(jì)性的有效的方法.

1）當(dāng)駕駛員松開(kāi)油門踏板或者踩下制動(dòng)踏板到前1/3行程時(shí)：整車控制器自動(dòng)判斷整車的車速，SOC大小等，若滿足能量回饋的條件，則進(jìn)入再生制動(dòng)，否則進(jìn)入機(jī)械制動(dòng).

2）當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板超過(guò)前1/3行程時(shí)：若再生制動(dòng)能夠滿足制動(dòng)力需求，則再生制動(dòng)單獨(dú)作用;若不滿足制動(dòng)力需求，則再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)共同作用;若不能進(jìn)行再生制動(dòng)則，機(jī)械制動(dòng)單獨(dú)作用.

3）當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)力度和速度達(dá)到ABS條件時(shí)，退出再生制動(dòng)進(jìn)入防抱死狀態(tài)或者直接進(jìn)入防抱死狀態(tài).

4? ?系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)以上系統(tǒng)參數(shù)的匹配與設(shè)計(jì)，在深圳大學(xué)搭建了一個(gè)全尺寸的額臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)，如圖4所示.

圖4中，將4組低壓動(dòng)力電池（標(biāo)注1）通過(guò)高壓電纜串聯(lián)，構(gòu)成高壓電池，連接到BMS電池管理系統(tǒng)（標(biāo)注2），組成輔助動(dòng)力電池系統(tǒng).氫燃料電池系統(tǒng)由氫氣瓶（標(biāo)注8在窗戶外），氫燃料電池電堆（標(biāo)注6）和升壓DC/DC組成（標(biāo)注7）.氫燃料電池系統(tǒng)和輔助動(dòng)力電池系統(tǒng)通過(guò)高壓配電盒（標(biāo)注5）并聯(lián)，接到電機(jī)控制器（標(biāo)注4）和200 kW的測(cè)功儀上（標(biāo)注3）.基于該實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，主要開(kāi)展了2種測(cè)試：鋰電池充放電工況測(cè)試;氫燃料電池工況法測(cè)試.

4.1? ?全尺寸試驗(yàn)臺(tái)架—鋰電池充放電工況試驗(yàn)

通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，改變輸出DC輸出端電流的大小，在每一個(gè)固定電流輸出的情況下，分別進(jìn)行了系統(tǒng)不同的3種工況測(cè)試，并記錄電流，電壓，功率等數(shù)據(jù)，如表5所示.

3種工況是指：

1）燃料電池輸出功率小于負(fù)載所需功率.即燃料電池和鋰電池共同為負(fù)載提供能量，此時(shí)鋰電池處于放電狀態(tài).

2）燃料電池輸出功率大于負(fù)載所需功率.即燃料電池為鋰電池和負(fù)載提供能量，此時(shí)鋰電池處于充電狀態(tài).

3）燃料電池輸出功率等于負(fù)載所需功率.即只有燃料電池為負(fù)載提供能量，鋰電池不提供能量，此時(shí)鋰電池處于不充電也不放電狀態(tài).

上述3種狀態(tài)固定DC/DC的輸出功率，通過(guò)改變負(fù)載的功率實(shí)現(xiàn)了能量的分配在這3種工作狀態(tài)下，負(fù)載功率改變時(shí)，DC/DC恒流輸出，母線電壓不變，即輸出功率大小不變，可以進(jìn)行恒定功率輸出.但是DC/DC的輸出電流是可以調(diào)節(jié)的，由此控制DC/DC的輸出功率.鋰電池的輸出電流是隨驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求來(lái)改變的，因此可以實(shí)現(xiàn)功率分配的目的.

如圖5所示，圖中P_FC為燃料電池的輸出功率，P_li為鋰電池的輸出功率，數(shù)字正則為鋰電池放電，數(shù)字負(fù)則為鋰電池充電.P_load為電機(jī)負(fù)載的功率.圖中P_FC主要分為3階段，分別為30%、60%、90%的燃料電池的額定功率.在每一階段中，通過(guò)控制電機(jī)輔助的變化，同時(shí)保持燃料電池的輸出功率保持不變，實(shí)現(xiàn)了鋰電池的放電、不充不放、充電的狀態(tài).因此在客車實(shí)際行駛過(guò)程中，電機(jī)的突然增大輸出功率或者減小輸出功率，都能保證燃料電池在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，而通過(guò)輔助電池去彌補(bǔ)電機(jī)功率的輸出需求.當(dāng)系統(tǒng)緩沖過(guò)后再判斷是否保證燃料電池的輸出功率也隨之降低或者上升.這樣的控制結(jié)構(gòu)有效的保證了氫燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長(zhǎng)久性，為燃料電池的生命提供了足夠的保障.

4.2? ?全尺寸試驗(yàn)臺(tái)架—?dú)淙剂想姵毓r法系統(tǒng)測(cè)試

引用GBT28183-2011客車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試方法[11]如表6所示.

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)起動(dòng)成功后，按表6所示的工況連續(xù)運(yùn)行.燃料電池系統(tǒng)在怠速啟動(dòng)，冷機(jī)加載、怠速工況運(yùn)行過(guò)程中，電堆的單片平均電壓比較穩(wěn)定在0.9 V左右，氫氣管理系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)都正常，系統(tǒng)可正常啟動(dòng)且能夠保持一定時(shí)間.系統(tǒng)加載時(shí)從環(huán)境穩(wěn)定24 ℃進(jìn)行系統(tǒng)升溫，升溫過(guò)程中加載電流不超過(guò)90 A（功率為13 kW）.且系統(tǒng)電流的加載速度小于等于5 A/s.在系統(tǒng)加載過(guò)程中動(dòng)態(tài)響應(yīng)符合廠商設(shè)定要求，系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定，其額定功率實(shí)際測(cè)試為30.8 kW左右，長(zhǎng)時(shí)間額定功率輸出穩(wěn)定，溫度控制和氫氣輸出突變很小符合系統(tǒng)需求.按照廠商規(guī)定的過(guò)載要求，系統(tǒng)在過(guò)載為15%，達(dá)到燃料電池的峰值功率36 kW，電流大小為256 A，最終溫度上升為82 ℃，未達(dá)到過(guò)溫保護(hù)值（85 ℃）.系統(tǒng)在減載后溫度下降，氫氣量消耗降低，功率輸出到達(dá)負(fù)荷值，保持穩(wěn)定.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論：燃料電池系統(tǒng)按照規(guī)定要求測(cè)試時(shí)，其電堆單片平局電壓，進(jìn)氣量，系統(tǒng)溫度，輸出功率等，能夠保持在設(shè)定要求內(nèi)，其發(fā)電系統(tǒng)滿足系統(tǒng)需求.

5? ? 總結(jié)

本文以燃料電池汽車為研究對(duì)象，在考慮了燃料電池汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的前提下，設(shè)計(jì)燃料電池汽車最關(guān)鍵部分的混合動(dòng)力系統(tǒng)，分析氫燃料電池客車用的電氣系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)的優(yōu)劣勢(shì)，合理地選擇燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu).正確配置車輛整體性能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各主要裝置性能的參數(shù).文章研究了基于升壓DC/DC調(diào)控的氫燃料電池驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)控制策略，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力系統(tǒng)的能量?jī)?yōu)化，極大的延長(zhǎng)了燃料電池的壽命，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了氫燃料電池電動(dòng)客車可實(shí)現(xiàn)的電氣架構(gòu)方案和客車各系統(tǒng)功能的完整性和可用性.研究表明氫燃料電池客車的設(shè)計(jì)方案可以進(jìn)一步升級(jí)和拓展，為氫燃料電池客車的批量式生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).它將在推動(dòng)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)造清潔環(huán)境，確保能源安全方面發(fā)揮積極作用[12].

參考文獻(xiàn)

[1]? ? ?陶西孟，張景濤，張禮憲，等.氫燃料電池城市客車動(dòng)力系統(tǒng)控制策略研究[J].客車技術(shù)與研究，2018（3）：31-33.

[2]? ? ?王澤平.8.5 m氫燃料電池城市客車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[J].客車技術(shù)與研究，2018（3）：24-26.

[3]? ? ?毛永佳.XML6809氫燃料電池城市客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2018（2）：82-85.

[4]? ? ?于海芳.混合動(dòng)力汽車復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)匹配與控制策略研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[5]? ? ?楊坤，王杰，肖軍生，等.某B級(jí)燃料電池電動(dòng)汽車匹配設(shè)計(jì)研究[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2018，8（6）：399-406.

[6]? ? ?孫緒旗.氫燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建模仿真[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[7]? ? ?李惠林，周凱，何鋒，等.燃料電池城市客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配與仿真研究[J].現(xiàn)代機(jī)械，2018（3）：13-17.

[8]? ? ?余志生.汽車?yán)碚揫M].4版.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[9]? ? ?張斌，張彥會(huì)，史維瑋，等.基于純電動(dòng)汽車的雙輸入雙向DC/DC變換器設(shè)計(jì)[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，25（4）：67-71.

[10]? ?孫家文，劉勝永，王建超，等.基于轉(zhuǎn)矩分配的混合動(dòng)力汽車控制策略的優(yōu)化研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，28（1）： 29-34.

[11]? ?全國(guó)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 342）.客車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試方法：GB/T 28183-2011[S/OL].[2011-12-30]（2019-03-15）.http：//183.61.19.162/stdpool/GBT%2028183-2011%.

[12]? ?黃先國(guó).燃料電池汽車動(dòng)力參數(shù)匹配與試驗(yàn)技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

Matching design of a hydrogen fuel cell bus system

LIU Decheng1， BIN Yang*1，2， LUO Wenguang1， WANG Zhaojie1

（1. School of Electrical and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China;

2. Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment， Ministry of Education， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China）

Abstract： Buses designed on the basis of efficient and pure hydrogen fuel cells are hotspots in the field of new energy vehicles in recent years. Combined with the road traffic conditions of the intercity/city bus and the actual needs of the project， this paper developed a 30 kW hydrogen fuel cell and power? ? battery parallel type electric and electric weak hybrid system. The design of the system firstly analyzes the advantages and disadvantages of various electrical topology architecture combinations. According to the theoretical calculation and existing resources， the parameters matching each subsystem are? ? ? ? selected， and the measurement and control software of the system is developed. On this basis， the power distribution controller is designed using a current-adjustable step-up DC/DC converter to realize the continuously adjustable function of the hydrogen fuel cell output power. Finally， a full-scale test bench of the system was built and some experiments were carried out. The experimental results show that the system meets the actual functional requirements.

Key words： hydrogen fuel cell; hybrid system; power distribution controller; test bench

（責(zé)任編輯：黎? ?婭）