氫燃料電池冷藏車制冷機(jī)組預(yù)充電路故障分析

摘要：近年來，在世界各國(guó)推動(dòng)碳減排與碳交易的國(guó)際壓力下，氫燃料電池技術(shù)所具備的清潔、高效、續(xù)航里程長(zhǎng)等特點(diǎn)已經(jīng)促使氫燃料電池汽車逐步在國(guó)內(nèi)外投入商業(yè)示范運(yùn)行。高壓預(yù)充電是電動(dòng)汽車高壓部件上電過程中必不可少的一部分，結(jié)合氫燃料電池電動(dòng)冷藏車示范項(xiàng)目調(diào)試過程中出現(xiàn)的上裝制冷機(jī)組預(yù)充電路故障問題進(jìn)行診斷分析驗(yàn)證了預(yù)充電設(shè)計(jì)的重要性。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池；電動(dòng)汽車；制冷機(jī)組；預(yù)充電路故障；診斷分析

中圖分類號(hào)：U469.72文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492 （ 2022 ） S1-0025-04

Fault Analysis of Precharge Circuit of Refrigerating Unit of Hydrogen Fuel Cell Refrigerating Truck

Mo Wenjie

（Xiongchuan Hydrogen Energy Technology （Guangzhou） Co.， Ltd.， Guangzhou 510535， China）

Abstract： In recent years， under the international pressure of promoting carbon emission reduction and carbon trading， hydrogen fuel cell technology has the characteristics of clean， efficient， long range and so on， which has prompted hydrogen fuel cell vehicles to put into commercial demonstration operation at home and abroad. High-voltage precharging is an indispensable part of the high-voltage parts of electric vehicles in the power-up process. In this paper， the importance of the precharging design is verified by the diagnosis and analysis of the precharging circuit fault of the installed refrigeration unit in the commissioning process of the hydrogen fuel cell electric refrigerator vehicle demonstration project.

Key words： hydrogen fuel cell； electric vehicles； refrigeration unit； pre-charging circuit failure； diagnostic analysis

0引言

氫能是以氫氣作為能源載體，通過燃料電池等清潔發(fā)電技術(shù)，將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能并加以利用的新型能源。氫能源的利用，不僅效率高，使用階段清潔無污染，而且二氧化碳的捕集和封存技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了氫氣生產(chǎn)過程中的零排放。因此，氫能被視為解決能源和環(huán)境危機(jī)的最有潛力的清潔能源。據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)計(jì)，到2050年，氫能將承擔(dān)全球18%的能源終端需求，可能創(chuàng)造超過2.5萬億美元的市場(chǎng)價(jià)值，減少60億噸CO2排放，燃料電池汽車將占據(jù)全球車輛的20%～25%，屆時(shí)將成為與汽油、柴油并列的終端能源體系消費(fèi)主體[1]。在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況下，居民生活消費(fèi)水平在不斷地提高，其對(duì)生鮮食品的需求也在逐漸的增多，對(duì)于生鮮食品的質(zhì)量也越來越看重，由此冷藏技術(shù)得到了較快的發(fā)展，并且迅速的擴(kuò)展到人民生活的方方面面。在當(dāng)今冷藏市場(chǎng)中，冷藏車是公路冷藏運(yùn)輸?shù)闹饕\(yùn)輸工具，適用于長(zhǎng)距離冷藏運(yùn)輸以及環(huán)境溫度變化范圍大的場(chǎng)合[2]。但柴油冷藏車存在空氣污染、噪聲大等問題。氫燃料電池冷藏車因其能量密度高、零排放、續(xù)航里程長(zhǎng)、高效率等優(yōu)勢(shì)而具有示范運(yùn)用推廣價(jià)值。

1氫燃料電池冷藏車電氣系統(tǒng)

氫燃料電池冷藏車總質(zhì)量為9 000 kg，續(xù)航里程約350 km，燃料電池系統(tǒng)額定功率為60 kW，驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定/峰值功率為60 kW/120 kW，加裝了制冷設(shè)備和保溫（隔熱）廂體的車輛，廂內(nèi)溫度調(diào)節(jié)下限可達(dá)到-20℃，屬于F級(jí)冷藏車。其整車電氣系統(tǒng)主要由燃料電池系統(tǒng)、車載供氫系統(tǒng)、汽車底盤、保溫（隔熱）廂體、制冷機(jī)組及附件組成、動(dòng)力電池組、DCDC變換器、多合一集成控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部分組成。氫燃料電池電動(dòng)冷藏車以氫能作為燃料，通過燃料電池發(fā)電系統(tǒng)輸出電能，經(jīng)DCDC升壓與動(dòng)力電池高壓共同為整車提供電能保障。氫電混合動(dòng)力是傳統(tǒng)Plug—in混合動(dòng)力模式的延伸。在正常速度行駛狀態(tài)由燃料電池供應(yīng)電能，在加速時(shí)讓動(dòng)力電池補(bǔ)充電能，而在減速或怠速狀態(tài)燃料電池給動(dòng)力電池充電。其優(yōu)點(diǎn)是，讓燃料電池始終保持在恒定輸出功率狀態(tài)下運(yùn)行，避免負(fù)載響應(yīng)過度，可提高其運(yùn)行壽命；同時(shí)，動(dòng)力電池可以確保加速所需要的高功率放電要求，也可以回收減速和怠速狀態(tài)的燃料電池輸出能量[3]。這是一種多學(xué)科技術(shù)交叉高度集成化的電氣系統(tǒng)，各個(gè)部件之間的耦合性很強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車多個(gè)能源之間的能量分配。圖1為氫燃料電池電動(dòng)冷藏車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，圖2為氫燃料電池電動(dòng)冷藏車高壓配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2氫燃料電池電動(dòng)汽車主要電氣安全標(biāo)準(zhǔn)

燃料電池汽車作為電化學(xué)、電動(dòng)汽車、電力拖動(dòng)、功率電子、自動(dòng)控制等高新技術(shù)集成產(chǎn)物，上電防瞬態(tài)沖擊設(shè)計(jì)在氫燃料電池電動(dòng)汽車系統(tǒng)高壓安全設(shè)計(jì)中屬于重要的一部分，涉及高壓供電、負(fù)載運(yùn)行及主正負(fù)接觸器安全運(yùn)行[4]。根據(jù)GB18384-2020《電動(dòng)汽車安全要求》有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條款[5]，電動(dòng)汽車整車絕緣電阻除以動(dòng)力電池的額定電壓至少應(yīng)該大于1 000Ω/V，且最好是能夠確保大于500Ω/V。對(duì)于高于60 V的高壓系統(tǒng)的上電過程至少需要100 ms，在整車上高壓電過程中應(yīng)該采用預(yù)充電過程來避免高壓沖擊。因此，為了避免新能源汽車高電壓對(duì)電路接觸器接觸時(shí)引起拉火弧等安全問題，降低操作人員觸電風(fēng)險(xiǎn)，增加產(chǎn)品安全性，預(yù)充電管理是新能源汽車中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

3氫燃料電池電動(dòng)冷藏車啟動(dòng)上電控制策略

將氫燃料電池電動(dòng)汽車鑰匙打到ON檔，整車控制器接收鑰匙ON檔電，輸出受控電源控制信號(hào)，控制BMS、氫系統(tǒng)FCU、儀表激活，系統(tǒng)開始自檢，各系統(tǒng)無故障，VCU接收到ST信號(hào)后，開始上執(zhí)行上高壓流程，BMS閉合總負(fù)（具體按照動(dòng)力電池上下電策略執(zhí)行），VCU報(bào)文控制多合一閉合預(yù)充、主接，上高壓完成后發(fā)送READY信號(hào)并發(fā)送輔驅(qū)接觸器吸合指令[6]。上高壓完成后，油泵，氣泵，DCDC等附件根據(jù)附件控制策略開始工作，同時(shí)整車控制器根據(jù)駕駛室員操作指令及當(dāng)前SOC決定啟動(dòng)燃料電池（燃料系統(tǒng)與整車電驅(qū)系統(tǒng)共用預(yù)充、主接），下發(fā)燃料系統(tǒng)工作指令（啟動(dòng)/運(yùn)行）。在此期間，BMS會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電氣系統(tǒng)狀況，如發(fā)生絕緣、高壓互鎖、氫氣泄漏等嚴(yán)重故障時(shí)，控制正負(fù)極接觸器斷開，停止上高壓電。圖3為燃料電池電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)構(gòu)架。

4故障現(xiàn)象及診斷分析

4.1故障現(xiàn)象

氫燃料電池電動(dòng)冷藏車項(xiàng)目于廣州市黃埔區(qū)進(jìn)行整車電控系統(tǒng)與上裝制冷機(jī)組聯(lián)合調(diào)試。在調(diào)試過程中，制冷機(jī)組啟動(dòng)后整車多次出現(xiàn)整車異常下高壓故障，嚴(yán)重影響項(xiàng)目開展進(jìn)度。斷開整車電源開關(guān)和動(dòng)力電池保險(xiǎn)開關(guān)后，檢查上裝制冷機(jī)組，診斷發(fā)現(xiàn)D3整流控制模塊燒壞。經(jīng)拆開多合一集成控制器殼體發(fā)現(xiàn)有電弧灼燒跡象，同時(shí)采用Fluke萬用表對(duì)多合一集成控制器線路各熔斷器測(cè)試導(dǎo)通情況，診斷發(fā)現(xiàn)F11熔斷器燒斷，如圖4所示。

4.2診斷分析

（1）電氣線路設(shè)計(jì)基本情況

在氫燃料電池電動(dòng)冷藏車示范項(xiàng)目上，整車額定高壓為600 V，屬于電動(dòng)汽車B級(jí)電壓電路。制冷機(jī)組壓縮機(jī)組額定功率約7 500 W。制冷機(jī)組從多合一集成控制器高壓正線獲取高壓電，并加裝F11熔斷器（規(guī)格為32 A），該線路與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)、PTC等線路并聯(lián)。針對(duì)氫燃料電池電動(dòng)冷藏汽車高壓電系統(tǒng)的配置，除高壓電系統(tǒng)故障可以分為動(dòng)力蓄電池組故障、上電故障、電壓故障、短路故障、絕緣故障、高壓環(huán)路互鎖故障及交通事故導(dǎo)致上述故障等7類外[7]，還存在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)高壓故障和上裝制冷機(jī)組高壓故障，其中任何一類問題都是電動(dòng)汽車的安全隱患。

（2）整車運(yùn)行狀態(tài)分析

從整車CAN報(bào)文分析、電控上位機(jī)及BMS管理軟件發(fā)現(xiàn)，整車key on至整車上高壓Ready和啟動(dòng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)后，BMS和VCU傳輸信號(hào)均處于正常運(yùn)行狀態(tài)，但制冷機(jī)組啟動(dòng)后即出現(xiàn)整車掉高壓現(xiàn)象，初步排除動(dòng)力蓄電池組故障、短路故障、、高壓環(huán)路互鎖故障、多合一集成控制器預(yù)充接觸器電源等故障。

（3）絕緣值測(cè)試

根據(jù)不含電源的B級(jí)電壓負(fù)載絕緣電阻測(cè)量方法[5]，將電壓負(fù)載與所有電源斷開連接。采用Fluke絕緣測(cè)試儀對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)UVW三相線、動(dòng)力電池主正與主負(fù)、燃料電池系統(tǒng)輸出正負(fù)線及制冷機(jī)組高壓線等主要端口對(duì)接地點(diǎn)的絕緣值進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)測(cè)試值均大于500Ω/V，排除設(shè)備進(jìn)水導(dǎo)致短路過載可能性。同時(shí)采用電導(dǎo)率測(cè)試儀對(duì)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的去離子水電導(dǎo)率測(cè)試值為2.4μs/cm，符合燃料電池系統(tǒng)去離子水電導(dǎo)率0～5μs/cm范圍要求，排除燃料電池發(fā)電系統(tǒng)絕緣低可能性。表1所示為采用Fluke絕緣測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果。圖5所示為多合一集成控制器絕緣值測(cè)試。

（4）制冷機(jī)組設(shè)計(jì)問題排查

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，造成故障原因是由于制冷機(jī)組啟動(dòng)預(yù)充電路的充電電容與預(yù)充電阻、多合一集成控制器中F11熔斷器規(guī)格相對(duì)過小，同時(shí)制冷機(jī)組廠家采購(gòu)安裝的D3整流器控制模塊設(shè)計(jì)沒有充分驗(yàn)證，導(dǎo)致整車高壓對(duì)制冷機(jī)組啟動(dòng)瞬間大電流沖擊問題，因此急需重新優(yōu)化電氣線路設(shè)計(jì)方案。

5解決方案

根據(jù)上述故障原因，由制冷機(jī)組廠家基于預(yù)充電路電流和預(yù)充時(shí)間等模型計(jì)算驗(yàn)證，優(yōu)化高壓電箱電路設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠性。圖6所示的上裝制冷機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)圖中高壓電箱電路簡(jiǎn)化為圖7預(yù)充電路模型。其中，預(yù)充電阻R1（預(yù)充電阻R）為500Ω，充電電容C1、C2均為1 500μF，回路電阻約30 mΩ。若制冷機(jī)組無預(yù)充電路，由于串聯(lián)電容C1、C2直接與回路的正極繼電器K+、負(fù)極繼電器K-接通，則產(chǎn)生回路瞬間大電流I=600 V/0.03Ω=20 000 A，影響電氣線路安全運(yùn)行。

如設(shè)有預(yù)充電路，先正常吸合負(fù)極繼電器K-，后吸合預(yù)充電繼電器Kp。高壓電通過預(yù)充電阻R給電容充電，電容電壓UC隨充電過程越來越高，充電電流Ip逐漸變小。當(dāng)電容電壓UC達(dá)到高壓電UB的90%時(shí)，斷開預(yù)充繼電器Kp[8]。圖8為預(yù)充電波形示意圖。

綜上，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)上裝制冷機(jī)組電路后經(jīng)驗(yàn)證計(jì)算，結(jié)果符合氫燃料電池電動(dòng)冷藏車和制冷機(jī)組模塊的預(yù)充時(shí)間及預(yù)充電流有關(guān)要求。因此，為了該項(xiàng)目滿足正常投入使用要求，項(xiàng)目業(yè)主與制冷機(jī)組廠家、整車電控廠家等共同研討決定，第一步為優(yōu)化高壓電箱模塊，即更換上裝制冷機(jī)組預(yù)充電阻、充電電容及整流控制模塊D3；第二步為更換多合一集成控制器F11熔斷器為53 A規(guī)格熔斷器。經(jīng)過診斷和優(yōu)化改造，充分提高整車電氣控制和制冷機(jī)組模塊的可靠穩(wěn)定性，預(yù)充電路故障問題得到妥善解決。

6結(jié)論

當(dāng)前，世界氫燃料電池技術(shù)正處于一個(gè)純粹研發(fā)向商業(yè)化推進(jìn)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折期，國(guó)內(nèi)各大城市不斷推出氫能規(guī)劃等支持政策，局部氫能商業(yè)化產(chǎn)業(yè)化的時(shí)機(jī)已經(jīng)到來。本項(xiàng)目通過綜合分析解決氫燃料電池冷藏車項(xiàng)目預(yù)充電路故障案例，加深對(duì)氫燃料電池汽車電氣系統(tǒng)與上裝電氣裝置技術(shù)的理解和應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)氫燃料電池汽車在冷鏈物流領(lǐng)域示范應(yīng)用具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：莫文杰（1991-），男，大學(xué)本科，助理工程師，研究領(lǐng)域?yàn)闅淙剂想姵匕l(fā)電系統(tǒng)技術(shù)，已發(fā)表論文1篇。

（編輯：刁少華）