氫燃料電池商用汽車控制研究

楊志超，張學鋒，王 卓

（大運汽車股份有限公司技術中心，山西 運城 044000）

氫燃料電池汽車整車控制策略作為燃料電池汽車核心控制技術，影響整車的安全可靠性、動力性、經(jīng)濟性及燃料電池使用壽命和效率。整車控制策略包括整車上下高壓管理、故障管理、能量管理、附件控制等多個環(huán)節(jié)。成熟可靠的整車控制策略對燃料電池汽車整車安全穩(wěn)定運行，及燃料電池使用效率和壽命有極為關鍵的作用。為推動中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康、科學有序的發(fā)展，2020年9月16日，國家各部委聯(lián)合發(fā)布了《關于展開燃料電池汽車示范應用的通知》，在支持燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)應用的同時，重點支持重型燃料電池商用車的應用，將其作為純電動重卡的續(xù)駛里程不足補充，帶動新能源商用車關鍵技術的創(chuàng)新突破。

氫燃料電池汽車的整車控制系統(tǒng)是整車匹配研發(fā)設計過程中的關鍵。基于整車層面來看，整車啟停 （純電及燃料電池系統(tǒng)上下電控制）、燃料電池系統(tǒng)的能量分配管理是最為重要的環(huán)節(jié)。

1 氫燃料商用車整車控制架構

氫燃料電池商用車控制系統(tǒng)主要包括：整車控制器 （簡稱VCU）、氫燃料電池及其控制器 （簡稱FCU）、儲氫系統(tǒng)及其控制器 （簡稱HCU）、升壓DCDC等系統(tǒng)及其附件。

1.1 行業(yè)現(xiàn)有控制架構方案

根據(jù)控制對象不同，新能源氫燃料電池商用車氫系統(tǒng)存在各種不同的控制方法。

1） 方案1：儲氫系統(tǒng)及控制器HCU、升壓DCDC由氫燃料電池系統(tǒng)供應商集成，HCU和升壓DCDC由FCU控制，具體見圖1。這種控制方案的優(yōu)點：HCU和升壓DCDC由FCU控制，整車控制相對容易，VCU工作量小。缺點：儲氫系統(tǒng)及控制器HCU、升壓DCDC由氫燃料電池系統(tǒng)供應商集成，不利于主機廠自主選型儲氫系統(tǒng)及控制器HCU、升壓DCDC。VCU不能直接控制HCU和升壓DCDC，必須經(jīng)過FCU才能控制，影響HCU和升壓DCDC控制的動態(tài)響應。

圖1 控制方案1

2） 方案2：升壓DCDC由氫燃料電池系統(tǒng)供應商集成，F(xiàn)CU控制升壓DCDC，具體見圖2。儲氫系統(tǒng)及控制器HCU作為獨立系統(tǒng)，由主機廠集成和采購，HCU由VCU控制。這種控制方案的優(yōu)點：FCU控制升壓DCDC，減少了VCU的工作量，儲氫系統(tǒng)及HCU由主機廠選型配套，提高主機廠選型的靈活性。缺點：升壓DCDC由FCU集成，不利于主機廠自主選型升壓DCDC。VCU不能直接控制升壓DCDC，影響控制的動態(tài)響應。為了氫燃料電池系統(tǒng)的安全，部分氫燃料電池系統(tǒng)供應商將FCU和升壓DCDC集成在一起出售。

圖2 控制方案2

3） 方案3：VCU集成FCU功能，氫燃料電池內(nèi)部各系統(tǒng)直接由VCU負責控制。升壓DCDC和HCU作為獨立系統(tǒng)，由VCU控制，具體見圖3。該方案的優(yōu)點：整車集成度高，氫系統(tǒng)全部都由主機廠選擇。缺點：氫燃料電池控制專業(yè)性強，控制難度大，主機廠必須有專業(yè)的燃料電池控制人員。目前國內(nèi)極少數(shù)技術實力很強的主機廠采用這種方案。

圖3 控制方案3

1.2 新的控制架構

方案1和方案2存在的主要問題是，因為主機廠缺乏HCU和升壓DCDC控制技術，儲氫系統(tǒng)及HCU、升壓DCDC由氫燃料電池系統(tǒng)供應商集成，主機廠不能對儲氫系統(tǒng)及HCU、升壓DCDC自主選型。VCU不能直接控制HCU和升壓DCDC，影響HCU和升壓DCDC控制的動態(tài)響應時間。方案3存在的問題是：氫燃料電池內(nèi)部各系統(tǒng)控制難度很大，必須有專業(yè)的研發(fā)團隊和設備。VCU集成FCU功能，增加VCU的軟硬件配置，造成VCU軟硬件復雜，控制難度大。

針對現(xiàn)有新能源氫燃料電池商用車氫系統(tǒng)控制方法存在的問題，為實現(xiàn)VCU控制HCU、升壓DCDC、FCU，實現(xiàn)主機廠對儲氫系統(tǒng)及HCU、升壓DCDC、FCU集成和選型。經(jīng)過研究分析開發(fā)一種新的控制架構。

1） 新的控制架構由主機廠選擇獨立的儲氫系統(tǒng)及控制器HCU、獨立的升壓DCDC進行集成和控制，具體見圖4。主機廠制定整車CAN通信網(wǎng)絡拓撲，編制FCU、HCU、升壓DCDC與VCU的通信協(xié)議和電氣接口。實現(xiàn)主機廠對氫燃料電池及FCU、儲氫系統(tǒng)及HCU、升壓DCDC的集成、匹配選型。

圖4 新控制架構

2） 針對新的控制架構，主機廠開發(fā)升壓DCDC、HCU、FCU的控制策略和相應的VCU控制程序，滿足整車需求和FCU控制的需求。控制策略制定完成后，通過VCU實施。

2 新控制架構控制方法

上述新控制架構適合現(xiàn)階段各主機廠的整車控制開發(fā)模式，本文對新控制架構的整車啟?？刂萍斑\行過程中的能量管理控制進行具體論述。

2.1 燃料電池啟動控制

氫燃料電池車型可以在純電模式下運行，純電部分啟停功能獨立于燃料電池系統(tǒng)，主要功能為結合駕駛員意圖，BMS、氫燃料電池和多合一控制器的反饋狀態(tài)，控制整車高壓回路繼電器的開閉，以實現(xiàn)整車純電系統(tǒng)正常上下高壓。純電系統(tǒng)啟?？刂剖袌鰬靡殉墒毂疚牟辉僬撌?。

2.1.1 燃料電池系統(tǒng)喚醒待機條件

1） 整車低壓上電完成，整車各控制器自檢完成。

2） 整車純電系統(tǒng)上電完成處于wait狀態(tài)。

3） VCU給HCU發(fā)送開氫瓶閥指令，HCU打開氫氣瓶閥并自檢，無報警信息后保持瓶閥打開狀態(tài)并向VCU反饋瓶閥狀態(tài)和氫氣壓力。

4） FCU判斷高壓上電狀態(tài)及內(nèi)部氫氣壓力狀態(tài)滿足要求進入待機狀態(tài)。

注：在以上過程中若FCU或HCU檢測到故障則上報故障給VCU，VCU則停止喚醒流程。

2.1.2 燃料電池系統(tǒng)啟動運行流程

1） VCU判斷以下條件同時滿足向氫燃料電池控制器發(fā)送開機命令：①整車未處于充電狀態(tài)；②整車狀態(tài)為Ready；③燃料電池系統(tǒng)處于喚醒待機狀態(tài)；④燃料系統(tǒng)開啟開關信號有效；⑤VCU判斷SOC及整車功率需求滿足燃料電池啟動條件。

2） FCU啟動后，VCU根據(jù)動力電池SOC值和整車需求功率確定目標功率，再將目標功率發(fā)送給FCU，燃料電池系統(tǒng)進入運行狀態(tài)。

3） FCU根據(jù)目標功率和燃料電池當前可輸出功率給VCU反饋燃料電池預測功率，VCU將預測功率發(fā)送給升壓DCDC。

4） 升壓DCDC將預測功率輸出給整車。

2.1.3 燃料電池啟動流程圖

燃料電池啟動流程圖見圖5。

2.2 燃料電池系統(tǒng)停機控制

整車停機控制分為正常關機控制和故障關機控制，正常關機是指車輛正常工作完成后，正常停機所執(zhí)行的關機控制流程，故障關機是指整車在運行過程出現(xiàn)3級故障后需執(zhí)行的關機控制流程。

2.2.1 燃料電池正常關機

1） VCU根據(jù)ON擋信號或FC信號狀態(tài)給FCU發(fā)送關機指令。

2） FCU收到關機指令，按照流程關機，此階段不能關斷低壓電源和高壓電源。

圖5 燃料電池啟動流程圖

3） 燃料電池關機完成進入待機狀態(tài)，若燃料電池故障則進入故障狀態(tài)，并將狀態(tài)反饋給VCU。

4） VCU給HCU發(fā)送關閉瓶閥指令，HCU關閉瓶閥。

2.2.2 燃料電池系統(tǒng)故障關機

1） 整車出現(xiàn)3級故障時，VCU給FCU發(fā)送關機指令，F(xiàn)CU收到關機指令，按照流程關機，此階段不能關斷低壓電源和高壓電源。如果動力電池發(fā)生極限電壓、極限過溫、火災報警，則由BMS主動斷開高壓連接。

2） 如果燃料電池出現(xiàn)3級故障，VCU給FCU發(fā)關機指令，燃料電池出現(xiàn)1、2級故障，VCU不做處理。

3） 如果儲氫系統(tǒng) （HCU） 出現(xiàn)3級故障，VCU給FCU發(fā)關機指令，儲氫系統(tǒng) （HCU） 出現(xiàn)1、2級故障，VCU不做處理。

4） 燃料電池進入待機狀態(tài)，VCU給HCU發(fā)送關閉瓶閥指令，HCU關閉瓶閥。

2.3 整車能量管理控制

高效率低功耗是整車經(jīng)濟性的重要體現(xiàn)，在保證整車動力性的前提下，能量管理控制是整車控制的核心，現(xiàn)階段氫燃料電池能量控制策略基本采用3種方式，分別是On/Off控制策略、功率跟隨控制策略、瞬時優(yōu)化最佳能耗控制策略。On/Off控制策略中的燃料電池輸出目標功率單純以動力電池的SOC上下閾值為參考，只關聯(lián)和保證動力電池的SOC，沒有慮燃料電池的效率及需求，燃料電池頻繁啟停，效率較低。功率跟隨控制策略中，燃料電池系統(tǒng)輸出功率一直在變化，效率較低。瞬時優(yōu)化最佳能耗控制策略控制比較復雜，控制系統(tǒng)控制困難，難以實現(xiàn)且故障較高。

氫燃料車型整車能量平衡公式如下：

燃料電池輸出功率（PFCU）+動力電池輸出功率（PBAT）=驅(qū)動系統(tǒng)消耗功率（PMOT）+附件消耗功率（PAUX）

整車運行過程中，燃料電池可以輸出功率，即PFCU=PMOT+PAUX-PBAT，若PFCU＞（PMOT+PAUX），燃料電池輸出功率過剩，向動力電池充電，若PFCU＜（PMOT+PAUX），燃料電池輸出功率不足，由動力電池補償。

氫燃料車型能量管理策略不僅要實現(xiàn)燃料電池發(fā)動機和動力電池兩個動力源輸出功率平衡，還要解決運行過程中燃料電池頻繁啟動帶來的燃料電池壽命低、故障率高的問題及因為燃料電池輸出目標功率和整車需求功率實時關聯(lián)，造成車輛在加速、減速、制動等整車需求功率變化而導致燃料電池輸出目標功率大幅變化，從而影響燃料電池壽命，效率降低的問題。

為實現(xiàn)燃料電池輸出功率與動力電池SOC值、整車用功功率進行控制，將動力電池SOC劃分成N個SOC段，N＞3，將整車用功功率需求劃分成M個功率段，M＞3，N個SOC段和M個功率段構成N×M個燃料電池輸出目標功率段，控制每個目標功率段內(nèi)輸出功率不變化，段和段之間采用滯回控制，整車控制簡單，易于實現(xiàn)。每個整車用功功率段根據(jù)動力電池的荷電狀態(tài)SOC的不同，來進行控制；燃料電池的輸出目標功率同時關聯(lián)動力電池的SOC和整車功率需求；在整車功率需求相同的情況下，燃料電池的輸出目標功率根據(jù)動力電池SOC增加而減少；在動力電池SOC相同的情況下，燃料電池的輸出目標功率根據(jù)整車功率需求增加而增加。

以100kW燃料電池系統(tǒng)為例，VCU請求燃料電池系統(tǒng)輸出功率如表1所示。

3 結語

各主機廠在不同階段應采取適應該階段產(chǎn)品開發(fā)的控制架構，合適的控制架構不僅能使主機廠對關鍵零部件及系統(tǒng)進行自主選型，同時也能夠使其掌握整車開發(fā)的關鍵技術，對企業(yè)的長遠發(fā)展有著很大的幫助，為了保證整車的安全性、可靠性及經(jīng)濟性，主機廠在制定控制策略時要仔細、慎重，必須經(jīng)過反復多次的試驗驗證才能確認最終的技術狀態(tài)。

表1 VCU請求燃料電池系統(tǒng)輸出功率表kW