氫燃料客車控制策略

王 昆，謝 晏，龔群英，翁康偉，廖磊磊

(江西博能上饒客車有限公司，江西 上饒 334000)

通常氫燃料客車包含兩套系統(tǒng)，分別是純電系統(tǒng)和氫燃料系統(tǒng)，兩系統(tǒng)的工作模式包括氫燃料系統(tǒng)啟動、運(yùn)行、停機(jī)、純電動模式以及混合工作模式等。相對于純電客車其電控策略有很大不同[1]。本文根據(jù)實(shí)車經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹氫燃料客車主要電控策略。

1 氫燃料系統(tǒng)啟動策略

氫燃料系統(tǒng)的啟動條件嚴(yán)苛，將綜合考慮電池狀態(tài)、整車狀態(tài)和氫燃料系統(tǒng)狀態(tài)[2]。氫燃料系統(tǒng)的停機(jī)條件也多，同時(shí)停機(jī)后需吹掃，時(shí)間比較長(6 min左右)，此時(shí)整車控制器一直工作，如果停機(jī)吹掃過程中重新上電，純電系統(tǒng)及整車系統(tǒng)控制會更復(fù)雜。

氫燃料系統(tǒng)由氫氣瓶組、升壓DC/DC、氫堆三個(gè)部分組成。當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)處于ON擋時(shí)，整車控制器控制這三個(gè)部分。儀表臺上設(shè)立單獨(dú)的純電/混動按鈕。按鈕切換到混動模式時(shí)，當(dāng)滿足以下所有條件后才可啟動氫燃料系統(tǒng)，并對其實(shí)時(shí)監(jiān)測：

1)動力電池SOC<80%，氫剩余量≥10%。

2)氫堆冷卻系統(tǒng)冷卻水水位正常。

3)氫氣瓶組及氫堆系統(tǒng)故障狀態(tài)正常。

4)氫堆系統(tǒng)模式反饋信號為待機(jī)。

如果上述條件任一不滿足，維持ON擋狀態(tài)；如第4)條在一定時(shí)間內(nèi)不滿足要求，進(jìn)入啟動故障狀態(tài)，VCU發(fā)出待機(jī)命令和發(fā)通訊故障碼[3]。

VCU發(fā)啟動命令狀態(tài)下，須同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件，VCU發(fā)送預(yù)充繼電器閉合命令：

1)氫堆系統(tǒng)模式反饋信號基本模式為啟動。

2)氫堆系統(tǒng)主正繼電器狀態(tài)為斷開。

如果上述條件任一不滿足，VCU進(jìn)入啟動故障狀態(tài)。

VCU發(fā)送預(yù)充繼電器閉合命令狀態(tài)下，實(shí)時(shí)檢測預(yù)充繼電器后部電壓是否≥90%電池總電壓。如果條件滿足，進(jìn)入VCU發(fā)送主正繼電器閉合命令狀態(tài)，否則進(jìn)入預(yù)充故障狀態(tài)。預(yù)充故障狀態(tài)下VCU發(fā)送預(yù)充、主正繼電器斷開命令[4]。

VCU發(fā)送主正繼電器閉合命令狀態(tài)下，實(shí)時(shí)檢測主正繼電器是否閉合。如果條件滿足，進(jìn)入VCU發(fā)送預(yù)充繼電器斷開命令狀態(tài)；如條件在一定時(shí)間內(nèi)不滿足，VCU進(jìn)入預(yù)充故障狀態(tài)。

VCU發(fā)送預(yù)充繼電器斷開命令狀態(tài)下，須同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件，VCU才發(fā)送氫堆運(yùn)行使能命令：

1)氫堆系統(tǒng)模式反饋信號基本模式為啟動。

2)氫堆系統(tǒng)主正繼電器狀態(tài)為閉合。

如果上述條件任一不滿足，VCU進(jìn)入發(fā)送氫堆正常停機(jī)命令狀態(tài)。

VCU發(fā)送氫堆運(yùn)行使能命令狀態(tài)下，須滿足以下任一條件，VCU才發(fā)送氫堆緊急停機(jī)命令：

1)有緊急停機(jī)請求。

2)有系統(tǒng)氫氣濃度超限信號。

如果兩個(gè)條件均不滿足，保持原狀態(tài)。

然后，以下任一條件滿足，VCU進(jìn)入發(fā)送氫堆正常停機(jī)命令：

1)純電/混動按鈕處于純電模式。

2)動力電池SOC≥90%，氫剩余量≤8%。

3)點(diǎn)火開關(guān)為OFF擋。

4)有燃料電池系統(tǒng)故障代碼(除氫氣濃度超限信號代碼外)。

若上述條件均不滿足，VCU保持原狀態(tài)。

VCU發(fā)出氫堆緊急停機(jī)命令、正常停機(jī)命令狀態(tài)下，實(shí)時(shí)檢測氫堆系統(tǒng)模式反饋信號基本模式是否為緊急停機(jī)或待機(jī)，同時(shí)檢測氫堆系統(tǒng)主正繼電器狀態(tài)是否為斷開。若滿足條件，VCU進(jìn)入發(fā)送主正繼電器斷開命令狀態(tài)，然后結(jié)束整個(gè)流程；若不滿足條件，VCU維持原有狀態(tài)一定時(shí)間(這個(gè)時(shí)間比較長，通常為6 min，為整個(gè)氫堆系統(tǒng)吹掃過程預(yù)留時(shí)間)后，VCU進(jìn)入發(fā)送主正繼電器斷開命令狀態(tài)，結(jié)束整個(gè)流程[5]。

2 氫堆運(yùn)行策略

氫堆滿足啟動條件后即可運(yùn)行。氫堆運(yùn)行狀態(tài)，開始進(jìn)入初始模式，VCU發(fā)送目標(biāo)功率0，并實(shí)時(shí)檢測關(guān)聯(lián)信號氫堆系統(tǒng)模式反饋信號基本模式是否為正常運(yùn)行。如果正常運(yùn)行條件滿足，進(jìn)入正常運(yùn)行模式，VCU發(fā)送目標(biāo)功率為定值；若正常運(yùn)行條件不滿足，維持原有狀態(tài)。正常運(yùn)行模式下，實(shí)時(shí)檢測關(guān)聯(lián)信號氫堆系統(tǒng)模式反饋信號基本模式是否為限功率運(yùn)行。如果條件滿足，進(jìn)入限功率模式，VCU發(fā)送限制的目標(biāo)功率；若條件不滿足，維持原有狀態(tài)。滿足以下任一條件，進(jìn)入故障模式，VCU發(fā)送目標(biāo)功率為0：

1)動力電池SOC≥85%[6]，或氫剩余量≤8%。

2)氫堆系統(tǒng)或氫瓶組有故障。

若上述條件均不滿足，維持原有狀態(tài)。限功率模式下，如果滿足進(jìn)入故障模式的條件，也會進(jìn)入故障模式[7]。

3 氫堆和純電系統(tǒng)高壓配電策略

氫堆系統(tǒng)和純電系統(tǒng)的高壓配電是兩套獨(dú)立系統(tǒng)并聯(lián)在一起，如圖1所示，以滿足氫堆系統(tǒng)和純電系統(tǒng)既能同時(shí)運(yùn)行，又能分開單獨(dú)運(yùn)行。純電系統(tǒng)高壓配電集成在五合一中，有主驅(qū)預(yù)充、輔驅(qū)(DC/DC、氣泵控制器、油泵控制器)、空調(diào)、除霜、暖風(fēng)5個(gè)回路，VCU發(fā)送命令閉合、斷開各個(gè)回路繼電器，五合一內(nèi)高壓配電控制器具體執(zhí)行VCU命令讓繼電器閉合、斷開。氫燃料系統(tǒng)高壓配電，新增一個(gè)單獨(dú)配電盒，設(shè)計(jì)和升壓DC/DC連接的預(yù)充回路，以及給氫堆供電的24 V回路。因?yàn)闅涠阉?4 V的供電功率比較大，所以其回路單獨(dú)配降壓DC/DC[8]。

圖1 氫燃料客車高壓配電原理

4 低溫情況下運(yùn)行及充電策略

車輛動力電池單體最低溫度<0 ℃時(shí)，不允許給動力電池充電，此時(shí)若啟動氫堆給動力電池充電，會導(dǎo)致氫堆系統(tǒng)內(nèi)的升壓DC/DC持續(xù)性升壓，從而可能損壞升壓DC/DC。除此之外，動力電池若在0 ℃以下充電會大大降低其使用壽命。當(dāng)動力電池BMS發(fā)出的最大充電電流限值為0時(shí)，禁止啟動氫堆；當(dāng)最大充電電流限值大于0時(shí)，允許啟動氫堆。啟動、運(yùn)行氫堆后，VCU根據(jù)BMS發(fā)出的最大充電電流限值以及動力電池額定電壓確定發(fā)給氫堆的目標(biāo)功率[9]。

5 制動打氣泵電控策略

氫堆系統(tǒng)停機(jī)，需對供氫管路進(jìn)行吹掃，并保證管路內(nèi)的氫氣被吹掃干凈，吹掃干凈才可以下電。為此，VCU需延遲一定時(shí)間發(fā)送氫堆系統(tǒng)下電命令，附帶而來是需重新設(shè)計(jì)制動打氣泵的控制策略。

原控制策略：點(diǎn)火開關(guān)點(diǎn)火啟動后，VCU先發(fā)送打氣泵工作命令0(停機(jī))，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測整車是否上高壓或是否處于Ready狀態(tài)，以及前、后橋制動儲氣筒氣壓信號是否有任一個(gè)小于最小規(guī)定值(如0.65 MPa)。如果以上條件均滿足，則VCU再發(fā)送打氣泵工作命令1，打氣泵進(jìn)入啟動模式1，立即啟動；若以上條件任一不滿足，則VCU發(fā)送打氣泵工作命令0，打氣泵進(jìn)入停機(jī)模式0，維持原停機(jī)狀態(tài)。打氣泵處于啟動模式1后，若前、后橋制動儲氣筒氣壓信號均大于最大規(guī)定值(如1 MPa)，則VCU延遲30 s發(fā)送打氣泵工作命令0，打氣泵停機(jī)。

原控制策略存在的問題：當(dāng)整車熄火(START→ON→ACC→OFF)下高壓電后，前、后橋制動儲氣筒氣壓信號將歸0，并傳遞給VCU,但為保證供氫管路吹掃，VCU需要延遲一段時(shí)間再下電，期間點(diǎn)火開關(guān)重新點(diǎn)火啟動，VCU接收到整車已上高壓并處于Ready狀態(tài)，且之前已接收到前、后橋制動儲氣筒氣壓信號0小于最小規(guī)定值的信號，滿足打氣泵啟動條件，又因打氣泵滯環(huán)控制，打氣泵會一直工作到符合停機(jī)條件而停機(jī)，從而導(dǎo)致在VCU延遲下電期間打氣泵不必要的啟動工作，浪費(fèi)動力電池能量，且打氣泵噪聲大導(dǎo)致舒適性體驗(yàn)不好。

針對以上問題，在原控制策略模塊基礎(chǔ)上，新增以下控制策略模塊：實(shí)時(shí)監(jiān)測原控制策略模塊中的制動打氣泵工作命令信號，若為0或1，則無條件進(jìn)入以下新增控制策略內(nèi)容1：VCU發(fā)送打氣泵工作命令1，并設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)時(shí)間，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測計(jì)時(shí)是否達(dá)到規(guī)定時(shí)間以及前、后橋制動儲氣筒氣壓信號是否均小于0.8倍最大規(guī)定值。如果以上條件均滿足，則進(jìn)入新增控制策略內(nèi)容2：VCU按原控制策略給打氣泵發(fā)送工作命令0或1，并實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)火開關(guān)是否非ON擋，如果是則返回新增控制策略內(nèi)容1，否則保持打氣泵原狀態(tài)。若新增控制策略1中的任一條件不滿足，則進(jìn)入新增控制策略內(nèi)容3：VCU發(fā)送打氣泵工作命令0，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測前、后橋制動儲氣筒氣壓信號是否有任一個(gè)小于最小規(guī)定值，如果小于則進(jìn)入新增控制策略內(nèi)容4：VCU按原控制策略給打氣泵發(fā)送工作命令0或1，并實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)火開關(guān)是否非ON擋，如果是則返回新增控制策略內(nèi)容1，否則保持打氣泵原狀態(tài)；若不小于，則實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)火開關(guān)是否非ON擋，如果是則返回新增控制策略內(nèi)容1，否則保持打氣泵原狀態(tài)。

6 結(jié)束語

近年氫燃料客車在市場上應(yīng)用越來越多，也越來越受到客車企業(yè)重視。氫燃料客車電控策略相對于純電客車更為復(fù)雜，本文詳細(xì)介紹了氫燃料客車氫堆啟動、運(yùn)行、高壓配電、低溫條件下的氫堆運(yùn)行及充電策略以及制動打氣泵控制策略。經(jīng)過批量實(shí)車運(yùn)行測試，該策略可滿足實(shí)車運(yùn)行需求[10]。