氫燃料電池電電混合城市客車示范運(yùn)營整車能量控制策略

楊 琨， 董德寶， 彭 程， 嚴(yán)國剛， 鞠杜虎， 熊金峰

(金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司， 江蘇 蘇州 215026)

本文研究的氫燃料客車為試運(yùn)營車輛，采用日本豐田氫燃料電池系統(tǒng)，由金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司對整車動力系統(tǒng)及能量控制策略進(jìn)行適配性設(shè)計。通過分析示范運(yùn)營6月余的整車及動力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，從燃料電池系統(tǒng)輸出功率分布、啟停次數(shù)和變載頻率/速率等角度對整車能量控制策略進(jìn)行評估和驗證，并提出下一步優(yōu)化方向。

1 整車參數(shù)、動力系統(tǒng)參數(shù)及控制策略

由于氫燃料電池(FC)電能來自于氧還原催化反應(yīng)，輸出偏軟[1]，因此常采用動力電池(B)或超級電容(SC)作為輔助電源，對氫燃料電池輸出功率“削峰填谷”[2]。常見的動力系統(tǒng)組合形式包括：FC+B、FC+SC、FC+B+SC，其中以FC+B最為常見，稱之為電電混合動力系統(tǒng)[3]。

1.1 整車參數(shù)及動力系統(tǒng)配置

根據(jù)客戶需求，整車尺寸為10.5 m×2.5 m×3.5 m，最大允許總質(zhì)量17 000 kg，最高設(shè)計時速69 km/h。配合整車運(yùn)行工況，驅(qū)動電機(jī)額定功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別為110 kW、900 r/min和1 100 N·m，對應(yīng)峰值參數(shù)分別為220 kW、2 700 r/min和2 400 N·m。

根據(jù)國家燃料電池補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)及要求，分別從電機(jī)比功率、純氫續(xù)駛里程、電堆效率及能量密度等方面考量，對電電混合動力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。最終鎖定動力系統(tǒng)配置：燃料電池系統(tǒng)額定功率60 kW、峰值功率92 kW，動力電池電壓525 V、容量50 kW·h。

燃料電池系統(tǒng)主要由電堆系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)(包括空濾系統(tǒng)、進(jìn)氣消音、中冷等)、燃料供給系統(tǒng)(包括氫循環(huán)系統(tǒng))、冷卻系統(tǒng)、尾排系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)，以及配套的控制和通訊系統(tǒng)組成[4]。所采用的豐田氫燃料電池系統(tǒng)可以在-30 ℃低溫冷啟動，并于30 s內(nèi)恢復(fù)系統(tǒng)額定功率正常輸出。系統(tǒng)還具有針對5 ℃以下環(huán)境溫度的駐車自動吹掃功能，可以有效減弱由于系統(tǒng)關(guān)機(jī)吹掃不完全而導(dǎo)致的電堆內(nèi)水分聚集、結(jié)冰現(xiàn)象，從而降低低溫對電堆內(nèi)部造成的傷害。

燃料電池系統(tǒng)控制器和整車控制器進(jìn)行控制信號交互，遠(yuǎn)程監(jiān)測單元通過整車通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的交互，各電子控制單元通過信號接收/發(fā)送和數(shù)據(jù)處理，完成各單元間的通訊與控制。電電混合燃料電池動力系統(tǒng)的電氣原理和整車通訊邏輯分別如圖1和圖2所示。

圖1 電電混合燃料電池動力系統(tǒng)電氣原理圖

圖2 整車通訊邏輯結(jié)構(gòu)

1.2 整車能量控制策略制定及仿真計算

良好的整車能量控制策略既需要滿足整車動力需求，又要實現(xiàn)動力系統(tǒng)的高效、長壽命、低能耗、高穩(wěn)定性等[5]。此外，燃料電池系統(tǒng)的變載頻率/速率、啟停堆次數(shù)等對電堆壽命也有非常重要的影響，而這些同樣受整車能量控制策略的影響。針對此次示范運(yùn)營車輛所搭載豐田燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品的功率及衰減特性，定義整車能量控制策略設(shè)計邊界：變載頻率≤6次/h，變載速率≤0.2 kW/s，動力電池SOC范圍在40%～90%，啟停電堆≤10次/天。

1.2.1 整車能量控制策略設(shè)計準(zhǔn)備

在設(shè)計整車能量控制策略前，通過實車路采方式獲得實際整車動力(電機(jī)及輔助系統(tǒng))需求數(shù)據(jù)，并將其作為設(shè)計重要依據(jù)之一，同時作為仿真分析電機(jī)動力需求數(shù)據(jù)的輸入。

選用除動力系統(tǒng)不同，其余皆相同的純電動客車，采集實際運(yùn)營工況條件下整車需求功率，如圖3所示。與實際運(yùn)營工況一致，是指包括運(yùn)營線路、線路站數(shù)、站間隔、停車時間、換班頻率和休息時間等信息全部相同。

圖3 純電動城市客車實際工況路采數(shù)據(jù)

分析圖3整車需求功率可得其功率分布特征：20～25 kW占比38%，0～35 kW占比67%。即對于額定功率為60 kW的燃料電池系統(tǒng)，低于35 kW的中低功率區(qū)間是其主要工作范圍。

圖3所示的整車動力需求數(shù)據(jù)和本文所開發(fā)客車的燃料電池系統(tǒng)功率及效率特征是整車能量控制策略制定的重要依據(jù)。

1.2.2 能量控制策略制定

制定電電混合氫燃料電池客車動力系統(tǒng)的能量控制策略時，一方面要使氫燃料系統(tǒng)盡量工作在高效運(yùn)行功率區(qū)間，該區(qū)間受環(huán)境溫度、電堆效率、輔助子系統(tǒng)效率、電機(jī)效率、DC/DC效率、駕駛習(xí)慣等因素的影響；而能量控制策略又影響到燃料電池系統(tǒng)的啟停頻率、變載頻率/速率，從而影響系統(tǒng)的壽命和性能的穩(wěn)定性[6-7]。另一方面應(yīng)合理發(fā)揮作為輔助動力源的動力電池的作用，其服役條件(工作溫度、常用SOC區(qū)間、功率吞吐量、充放電倍率等)對其能量密度、功率/容量損失存在重要影響。

此示范車在中午會怠速停車約40 min，但燃料電池系統(tǒng)會持續(xù)工作發(fā)電。此期間燃料電池系統(tǒng)輸出功率將完全轉(zhuǎn)化為電能儲存在動力電池中，若燃料電池持續(xù)運(yùn)行在較高功率點，則動力電池有可能出現(xiàn)因充電SOC過高而對燃料電池系統(tǒng)發(fā)關(guān)機(jī)指令的情況，而頻繁開關(guān)機(jī)會嚴(yán)重影響電堆壽命。因此，在燃料電池系統(tǒng)主要工作范圍(≤35 kW)基礎(chǔ)上，將常用功率的上限降低為25 kW，對小于該上限的功率范圍區(qū)間盡可能細(xì)分，并制定相應(yīng)控制策略，通過對系統(tǒng)目標(biāo)功率控制，使燃料電池系統(tǒng)輸出功率更加精準(zhǔn)，保證氫燃料電池對整車動力需求的滿足。此外，從壽命考慮，燃料電池系統(tǒng)最好能穩(wěn)定持續(xù)輸出能量，但由于氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率是由動力電池SOC狀態(tài)決定的，車輛的急加/減速、制動、爬坡、持續(xù)高速、停車等工況極易導(dǎo)致SOC的往復(fù)變化，從而使燃料電池系統(tǒng)頻繁變載。為避免此類變載情況產(chǎn)生，須設(shè)計相應(yīng)的燃料電池功率滯回區(qū)間，即在動力電池SOC單調(diào)升/降過程中，在動力電池一定容量范圍內(nèi)偶發(fā)的SOC降/升波動，不會導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)輸出功率的跟隨變化。

綜合以上因素，制定整車能量控制策略如下：氫燃料電池系統(tǒng)全程處于功率輸出狀態(tài)，輸出功率由動力電池SOC決定。在整車需求功率大于氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率情況(如加速、爬坡)下，動力電池提供額外需求功率；反之則動力電池儲存燃料電池多余的能量(如在制動能量回收、勻速駕駛情況下)。設(shè)計系統(tǒng)響應(yīng)功率點8個(不含怠速“零”凈功率輸出點)，分別是43 kW、27 kW、23 kW、18 kW、16 kW、13 kW、7 kW和5 kW，對應(yīng)動力電池SOC區(qū)間設(shè)置為[0,85%]，滯回區(qū)間設(shè)置為±2%SOC。具體能量控制策略如圖4所示?？刂撇呗灾腥剂想姵氐淖畲蠊β庶c為43 kW，但根據(jù)國家補(bǔ)貼政策，需要選型產(chǎn)品的功率應(yīng)大得多。

圖4 整車能量控制策略及響應(yīng)曲線

車輛啟動后，獲取動力電池SOC狀態(tài)SOCn，在控制策略中燃料電池系統(tǒng)以對應(yīng)的輸出功率Pn恒定輸出。車輛運(yùn)行中，若動力電池SOC從SOCn升高到SOCn+1(滯回區(qū)間除外)，則觸發(fā)燃料電池系統(tǒng)輸出功率變化，從Pn降為Pn-1，反之，則相反，以保持動力電池SOC基本穩(wěn)定。另外，整車設(shè)有動力模式切換開關(guān)，用于特殊工況下純電和混合動力模式的人工切換。一般在進(jìn)入加氫站或者停車場前會通過切換開關(guān)將車輛調(diào)整至純電模式，以保障加氫安全和燃料電池系統(tǒng)吹掃過程的完整；待駛離加氫站或車輛再次運(yùn)營前，須將切換開關(guān)恢復(fù)至混合動力模式。該種人為導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)關(guān)機(jī)的情況不包含在本文的分析數(shù)據(jù)樣本中。

1.2.3 能量控制策略仿真計算

在MATLAB/Simulink軟件內(nèi)建模，對1.2.2整車能量控制策略的效果進(jìn)行仿真計算[8-10]，以預(yù)測燃料電池系統(tǒng)輸出動力性是否滿足整車需求，并計算整車氫耗。

1) 燃料電池及動力電池性能仿真分析。仿真計算該電電混合燃料電池客車1.2.2整車能量控制策略下氫燃料電池系統(tǒng)和動力電池運(yùn)行情況，可以發(fā)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)輸出功率主要集中在8～24 kW，其中在15 kW以下的運(yùn)行時間占總服役時間的72.4%；燃料電池系統(tǒng)輸出功率最高變載頻率為5次/h，變載速率≤0.2 kW/s，電堆啟停1次，動力電池SOC區(qū)間在40%～85%。

2) 整車氫耗仿真分析。氫電能量轉(zhuǎn)換系數(shù)用于描述氫燃料電池汽車運(yùn)行期間整車氫氣消耗量與整車功率(或能量)消耗之間的線性關(guān)系，目的是在氫耗(kg)、動力電池消耗/儲存電量(kW·h)和整車需求功率(kW)之間建立一種可換算關(guān)系，便于仿真計算，用μ表示。從能量守恒角度考慮，氫燃料電池消耗氫氣產(chǎn)生的電能，最終體現(xiàn)在動力電池SOC的變化，即將整車運(yùn)行期間驅(qū)動電機(jī)的需求功率減掉動力電池儲能的變化量，就為消耗氫氣產(chǎn)生的能量。本文氫電能量轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定主要借鑒公司2018年交付示范運(yùn)營的UA5型電電混合氫燃料電池客車的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過下述公式得到：

Pv=PBO-ΔPSC,ΔPSC=ΔSOC×QB，μ=Pv/MH2

式中：Pv為整車需求功率；PBO為動力電池總輸出功率；△PSC為動力電池所儲存能量(可用功率)的變化量；QB為動力電池的總能量(總可用功率)；MH2為氫氣消耗量。

最終計算得到UA5車型的氫電能量轉(zhuǎn)換系數(shù)μ=14.67 kW/kg。

將1.2.2中整車能量控制策略帶入Simulink整車氫耗計算模型(圖5)，同時代入氫電能量轉(zhuǎn)換系數(shù)μ，動力電池初始容量參考本節(jié)1)的仿真結(jié)果40%～85%，具體分別設(shè)置為40%、55%、70%、85%，可得整車百公里氫耗分別為4.80 kg、4.89 kg、4.92 kg和4.94 kg。

圖5 Simulink氫耗計算模型

2 車輛運(yùn)營及控制策略實施情況

車輛運(yùn)營工況為城市公交工況，運(yùn)營路線為環(huán)線，單程約21 km，每日運(yùn)營往返6趟/輛，日運(yùn)行時長12 h，單車每日運(yùn)行里程120～150 km。本次共交付氫燃料電池城市客車21輛，按抽樣比例20%(4輛)對車輛的整車能量控制策略實施情況進(jìn)行考察與分析。

2.1 動力情況

重點考察動力電池SOC變化、燃料電池系統(tǒng)輸出功率及功率分布等基本數(shù)據(jù)。按照出廠編號分散取樣，定義抽取車輛編號為A、B、C、D。對后臺數(shù)據(jù)整理得到4輛車的運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中A車的運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖6所示，B、C、D車的運(yùn)行數(shù)據(jù)與圖6相似。

圖6 A車實際運(yùn)行數(shù)據(jù)圖

分析4輛樣車實際運(yùn)行數(shù)據(jù)可知：整車全天沒有因動力電池SOC過高而向燃料電池系統(tǒng)發(fā)送關(guān)堆指令的情況出現(xiàn)，燃料電池系統(tǒng)目標(biāo)功率最大變載頻率5次/h，動力電池SOC區(qū)間60%～80%，電堆輸出功率15 kW以下占比25.6%，15～25 kW占比56.3%，25 kW以上占比18.1%。參考豐田燃料電池系統(tǒng)輸出功率與效率圖譜[11]，此功率分布范圍中80%以上的系統(tǒng)輸出功率點對應(yīng)系統(tǒng)效率都高于60%。

對比1.2.3仿真結(jié)果，燃料電池目標(biāo)功率的預(yù)測與實際情況存在一定偏差，偏差主要發(fā)生在15 kW以下。分析偏差原因，主要是由于仿真模型中的低功率區(qū)間燃料電池系統(tǒng)效率參數(shù)準(zhǔn)確性不高導(dǎo)致，模型中15 kW及以下功率點效率選取63.7%[11]，而實際效率可能受滲氫損耗影響而比選取值低。效率參數(shù)影響了能量流傳遞精度，使仿真計算所得目標(biāo)功率分布狀態(tài)出現(xiàn)偏差[12-13]。

2.2 氫耗情況

根據(jù)試運(yùn)行期間燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)實際輸出的電流和電壓，分別參考國標(biāo)GB/T 35178—2017和歐標(biāo)GTR13的計算方法，得到的氫耗數(shù)據(jù)見表1，其平均值與1.2.3中氫耗仿真結(jié)果的吻合度較高。根據(jù)抽取車輛1—6月份的實際加氫量計算得到的平均氫耗為4.78 kg，與仿真結(jié)果吻合度也比較高。

表1 每百公里氫氣消耗數(shù)據(jù) kg

整體來看，整車氫氣消耗處于行業(yè)較低水平。分析原因：一方面是豐田燃料電池產(chǎn)品在全功率區(qū)間上整體效率較高；另一方面是整車能量控制策略對燃料電池系統(tǒng)目標(biāo)功率的精準(zhǔn)控制，在保證整車動力需求基礎(chǔ)上，讓燃料電池系統(tǒng)始終保持高效功率點輸出。

3 結(jié)束語

本文研究對象為搭載日本豐田燃料電池系統(tǒng)的氫燃料電池客車。研究結(jié)論如下：基于實際路譜和整車動力需求設(shè)計的整車能量控制策略可以滿足整車動力、燃料電池系統(tǒng)和動力電池啟停頻率、變載速率/頻率等要求；燃料電池系統(tǒng)目標(biāo)功率分布中，中低輸出功率占比最高，可能會對燃料電池發(fā)動機(jī)壽命造成不可逆損傷。下一步將開展如下研究工作：降低燃料電池系統(tǒng)低功率區(qū)間占比，以減少高電位對燃料電池電堆造成損傷；進(jìn)一步縮小動力電池SOC范圍，提高控制精度；進(jìn)一步降低燃料電池系統(tǒng)變載頻率/速率。