有軌電車氫燃料電池混動控制策略研究

彭 敏

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 株洲 412001

0 引言

在軌道交通領(lǐng)域,傳統(tǒng)車型主要動力來源為接觸網(wǎng)供電或通過內(nèi)燃機發(fā)電進(jìn)行供電,存在能源轉(zhuǎn)型的需求[1]。目前,已經(jīng)有一部分列車用純動力電池作為動力源,如株洲電力機車研究所有限公司生產(chǎn)的虛擬軌道列車(ART),在首末站進(jìn)行快速充電,在運行過程中通過再生制動回收部分能量,續(xù)航里程可達(dá)到40 km;也有部分車輛采用超級電容作為動力源。又如淮安現(xiàn)代有軌電車?yán)猛Ｕ镜拈g隙,在站臺30 s內(nèi)完成充電,續(xù)航里程可以達(dá)到4 km,以支撐其到達(dá)下一個站點。但是,無論是純動力電池還是超級電容車輛,其單次充電的續(xù)航里程都還是偏低,僅適合于短線路里程或短站間距的線路應(yīng)用場景[2]。

為進(jìn)一步提高新能源列車的續(xù)航里程,拓寬新能源列車的應(yīng)用場景,本文提出采用氫燃料電池與動力電池混動供電的方案。氫燃料具有無污染、高效率的特點,是真正意義上的綠色動力來源,部分主機廠已經(jīng)開始探索將氫燃料電池應(yīng)用于軌道交通車輛[3]。但是,氫燃料電池動態(tài)響應(yīng)較為遲緩,無法直接滿足負(fù)載端劇烈變化的功率需求。為了避免加速時動力不足的問題,需要采用動力電池進(jìn)行混合供電。動力電池能夠滿足負(fù)載瞬時變化的需求,還能夠有效地回收有軌電車制動過程中產(chǎn)生的制動能量。

氫燃料電池和動力電池的混合動力系統(tǒng)能夠滿足軌道交通車輛的運行供電需求,更好地響應(yīng)綠色低碳交通裝備的新目標(biāo)。本文主要結(jié)合某型低地板有軌電車的應(yīng)用需求,提出氫燃料電池和動力電池混動控制架構(gòu)和控制策略。

1 方案分析

混合動力系統(tǒng)中,氫燃料電池作為主動力源,動力電池作為輔助動力源。氫燃料電池在運行過程中提供持續(xù)的功率輸出,動力電池在加速啟動和制動過程實現(xiàn)削峰填谷作用,以彌補氫燃料電池的動態(tài)響應(yīng)遲緩性,確保系統(tǒng)供電穩(wěn)定性[4]。

1.1 系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

以某項目有軌電車為例進(jìn)行研究,該車輛采用3節(jié)編組,“2動1拖”配置。在中間車輛配置1套氫燃料電池動力系統(tǒng),在兩頭的車輛各配置1套動力電池,整列車的動力源配置如圖1所示,其混合動力系統(tǒng)構(gòu)型如圖2所示。

圖1 動力源配置

圖2 混合動力系統(tǒng)構(gòu)型

儲氫系統(tǒng):提供壓縮氫氣,接受能量控制單元(ECU)對其氫氣溫度、氫氣壓力、氫氣泄露情況進(jìn)行監(jiān)視,接受ECU提供的硬線氫閥開閉指令,儲氫系統(tǒng)采用70 MPa儲氫瓶,總共可儲氫30 kg。

燃料電池:將氫氣轉(zhuǎn)換為電能,實時發(fā)布其輸出功率。燃料電池控制單元通過控制器局域網(wǎng)總線(CAN)與ECU相連。燃料電池可接受ECU的調(diào)度進(jìn)行功率輸出。單套燃料電池功率輸出為200 kW(由2個100 kW電堆組成)。

DC/DC:將燃料電池輸出電壓轉(zhuǎn)換為牽引和輔助系統(tǒng)所需的工作電壓,通過CAN與ECU相連。

動力電池:提供動力電池輸出,實時發(fā)布動力電池所能允許的最大充放電能力給ECU。動力電池控制單元通過CAN與ECU相連。動力電池的額定輸出電壓為600 V,額定容量為240 kW·h。支持最大3C的瞬時充電和瞬時放電,以滿足急加速和急減速的功率充放需求。

牽引系統(tǒng):根據(jù)ECU提供的動力系統(tǒng)最大的功率輸出/吸收能力,發(fā)揮合適的牽引/制動力。尤其在制動時,盡量考慮通過動力電池吸收一部分回饋能量。

輔助系統(tǒng):提供整車輔助負(fù)載供電,并實時發(fā)布附件消耗功率。

ECU:實現(xiàn)對整個混合動力系統(tǒng)各個設(shè)備的監(jiān)視和控制功能。對氫動力系統(tǒng)以及動力電池輸出功率進(jìn)行分配控制以滿足車輛運行所需功率;實現(xiàn)燃料電池的啟?？刂坪凸β士刂?實時發(fā)布動力系統(tǒng)的最大組合允許功率,該值提供給牽引系統(tǒng),牽引系統(tǒng)的實時功率須低于該值,同時牽引功率增長斜率須低于組合允許功率的斜率增長。

列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS):實現(xiàn)整車通信控制。

1.2 整車運行工況

在不同的工況下,燃料電池和動力電池的投入程度也不一樣,基于有軌電車運行場景和2種動力源的特性,規(guī)劃典型的運行工況,如圖3所示。

0～10 s:車速為0 km/h,整車處于停車狀態(tài),燃料電池輸出在一個較低水平保證整車輔件系統(tǒng)能量消耗,動力電池基本不對外進(jìn)行電流輸出。

0～50 s:車速開始由0 km/h提高至50 km/h,燃料電池根據(jù)整車需求提高自身輸出能力至200 kW左右,此時動力電池開始對外輸出電流以滿足整車的需求。

50～90 s:車速保持在50 km/h,整車對功率需求下降,燃料電池功率也隨之下降,燃料電池和整車的需求基本持平,動力電池基本不對外進(jìn)行電流輸出,如果剩余電量(state of charge,SOC)過低,且整車需求功率小于對應(yīng)SOC下燃料電池靜態(tài)輸出功率,燃料電池給動力電池充電,盡可能讓動力電池?fù)碛泻线m的電量。

90～130 s:車速由50 km/h減速到0 km/h,整車進(jìn)行動能回饋,燃料電池功率下降到最低以避免過流,動力電池進(jìn)行充電將動能回收。

130～140 s:車速為0 km/h,整車處于停車狀態(tài),此時燃料電池會根據(jù)SOC進(jìn)行輸出給動力電池充電,如果SOC超過65,燃料電池輸出在一個較低水平來保證整車輔件系統(tǒng)能量消耗,動力電池基本不對外進(jìn)行電流輸出。

140～280 s:重復(fù)之前的工況。

綜上,可以看出,在加速階段,以動力電池為主提供牽引所需瞬時大功率需求;在巡航階段,以燃料電池為主提供牽引所需穩(wěn)定的功率;在減速階段,以動力電池消納牽引系統(tǒng)反饋的電制動功率。即由氫燃料電池和動力電池共同組成穩(wěn)定的動力源[5]。

圖3 運行工況曲線

2 能量控制方案

能量控制主要是指電源端的氫燃料電池輸出控制,以及負(fù)載端的牽引或電制動功率限值控制。而動力電池是非受控電源,只能根據(jù)外部的負(fù)載和電壓波動情況,自行進(jìn)行功率輸出或功率輸入[6]。

基于上述不同的工況,制定氫燃料混動系統(tǒng)的能量控制方案,如圖4所示。

2.1 基本算法

對于整車的系統(tǒng)功率有:Pfuel+Pbat=Pm+Paux

各參數(shù)的說明如表1所示。

圖4 系統(tǒng)能量流示意圖

表1 參數(shù)說明

2.2 目標(biāo)功率計算和分配

1)ECU通過TCMS獲取牽引需求功率Prequest,其中Prequest=Pm+Paux,Pm根據(jù)中間電流和中間電壓之積進(jìn)行計算。

2)ECU通過動力電池管理系統(tǒng)BMS獲取動力電池SOC和Pbat-allow;通過TCMS獲取車輛速度,并根據(jù)速度判斷模式(分為動態(tài)運行和靜態(tài)模式)。

3)燃料電池系統(tǒng)包含2個獨立的電堆,當(dāng)2個電堆均正常工作時,平均分配目標(biāo)功率給2個電堆;當(dāng)其中一臺故障時,將部分或者全部的功率需求轉(zhuǎn)移給另外一臺燃料電池。

4)當(dāng)Prequest小于等于Pfuel-allow時,將Prequest直接賦值給Pfuel-set,作為燃料電池的功率輸出進(jìn)行控制。燃料電池加載過程中,瞬時的功率缺口由動力電池補足。

5)當(dāng)Prequest大于Pfuel-allow時,將Pfuel-allow賦值給Pfuel-set,即燃料電池按照最大功率進(jìn)行輸出。期間,系統(tǒng)的功率缺口由動力電池補足。

2.3 燃料電池輸出功率控制策略

基于車輛獨享路權(quán),規(guī)律性的加急速、緩加速、勻速、按計劃制動等運行工況,采取“跟隨運行工況,實施調(diào)節(jié)”的燃料電池輸出控制模式[7]。此時,燃料電池輸出主要參考車輛運行狀態(tài)和電池SOC。其中車輛運行狀態(tài)包括靜態(tài)模式、動態(tài)模式,動態(tài)模式又包括急加速、緩加速、勻速及制動模式。

不同SOC和運行模式下,燃料電池目標(biāo)功率Pfuel-set的計算策略如表2所示。

表2 車輛正常運行控制策略

續(xù)表

1)任何情況下,調(diào)整FCU的輸出功率,均須在燃料電池的的升降載曲線包絡(luò)線內(nèi)執(zhí)行。

2)任何模式下,SOC大于85%時,立刻關(guān)閉燃料電池。

2.4 燃料電池功率分配策略

1)2套燃料電池正?；驁?級、3級故障時,平均分配給2個燃料電池電堆。

2)某單一的電堆報1級故障時,該套FCU無輸出,功率全部分配給另外一臺燃料電池。

3 能量控制防護(hù)策略

采用混合動力系統(tǒng)車輛,為了確保母線電壓平穩(wěn)和各系統(tǒng)正常工作,需要進(jìn)行相關(guān)功率限制。

3.1 牽引工況時牽引功率限制

1)在牽引時,整車功率由燃料電池與動力電池共同提供。此時,整車牽引系統(tǒng)的最大牽引功率須滿足:

Pm≤Pfuel+Pbat-allow-Paux=Pfuel+Vbat×Ibat-allowout-Paux

2)在上式中,Pfuel使用2臺FCU實時提供的數(shù)據(jù)之和。Vbat、Ibat-allowout使用BMS通過CAN網(wǎng)絡(luò)提供的實時數(shù)據(jù),而Paux則使用之前TCMS提供的數(shù)值。

3)牽引對手柄信號和該牽引功率限制取最小值進(jìn)行控制,以保證動力電池以及燃料電池處于正常工作狀態(tài)。

3.2 制動工況電制動功率限制

在制動時,整車功率由燃料電池與牽引系統(tǒng)再生制動回饋的能量共同提供,動力電池和輔助系統(tǒng)負(fù)責(zé)消耗該能量。此時,各個器件的功率須滿足:

Pm≤Pbat-allow+Paux-Pfuel=Vbat×Ibat-allowin+Paux-Pfuel

即通過控制再生制動產(chǎn)生的能量,以保證中間電壓不過壓,動力電池不過充。

牽引對手柄信號和該制動功率限制取最小值進(jìn)行電制動控制,若該值不滿足整車制動要求,則剩余制動力由氣制動補充。

3.3 能量管理優(yōu)先級

優(yōu)稱級從高到低依次為:各部件安全(如防止電池過充)、整車動力性能、經(jīng)濟性(氫好、壽命)。

3.4 車輛故障運行模式控制

車輛故障運動模式控制如下所示:動力電池、TCMS、燃料電池三者都正常時,正?？刂? 動力電池和TCMS正常,燃料電池故障時,車輛以純電動方式運行,并由網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)功率和速度限制;動力電池或TCMS故障時,動力電池主接觸器斷開,車輛無法停止運行。

4 裝車測試

基于以上控制算法,進(jìn)行裝車后的測試。

4.1 燃料電池啟機測試

燃料電池啟機測試(見圖5)主要是完成動力系統(tǒng)開機、嘗試加載等步驟,測試啟動過程時序及耗時。

試驗結(jié)果表明,開機時序、開機耗時滿足混合動力系統(tǒng)設(shè)計要求;動力系統(tǒng)可以正常開機,開機過程和怠速狀態(tài)運行無故障。

4.2 恒定工況運行測試

恒定工況運行測試(見圖6)主要是驗證燃料電池穩(wěn)定輸出能力,試驗規(guī)定為(30±5) kW。

試驗結(jié)果表明,動力系統(tǒng)可以正常開機,并按照恒定的外部負(fù)載進(jìn)行工作,且整個過程無故障。

圖5 燃料電池開機測試曲線

圖6 恒定工況輸出測試

4.3 混動模式輸出測試

混動模式輸出測試主要測試基于有軌電車典型的運行曲線進(jìn)行實測運行,下載數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,運行過程中的有軌電車參數(shù)變化如圖7所示。

圖7 混動模式輸出測試

從圖7可以看出,運行過程中,燃料電池輸出平穩(wěn)、有規(guī)律,恒定工作區(qū)間在185 kW左右,居于經(jīng)濟、高效區(qū)間。動力電池SOC能夠維持在55%～65%,燃料電池和動力電池的輸出之和能夠滿足有軌電車運行所需功率,證明控制策略可行。符合上述整車運行工況的要求。

4.4 燃料電池緊急停機測試

燃料電池緊急停機測試見圖8,主要驗證燃料電池緊急關(guān)機功能。

圖8 燃料電池緊急停機測試

如圖8所示,燃料電池收到緊急停機指令后緊急停機,100 ms內(nèi)功率降為零。緊急停機后,斷電重啟,燃料電池正常啟動。

4.5 續(xù)航里程測試

在儲氫系統(tǒng)加滿動力電池情況下,進(jìn)行了續(xù)航里程測試,測試的結(jié)果如表4所示。

表4 續(xù)航里程測試數(shù)據(jù)

由表4可知,在滿氫滿電情況下,續(xù)航里程至少達(dá)到了290 km,相比純電池方案提升明顯。

4.6 試驗總結(jié)

本文對混合動力系統(tǒng)的各種典型運用場景進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明:系統(tǒng)控制方案合理,能夠適應(yīng)外部恒定或變化負(fù)載的應(yīng)用需求,控制過程中各系統(tǒng)均正常運行,尤其是燃料電池工作在經(jīng)濟、高效區(qū)間。

采用氫燃料混合動力系統(tǒng)的有軌電車?yán)m(xù)航里程,相比同編組形式的傳統(tǒng)車輛增長5～6倍,能夠有效拓寬其應(yīng)用場景,可納入更多線路規(guī)劃時的車輛方案選擇。

5 結(jié)束語

本文對氫燃料混合動力有軌電車的混動系統(tǒng)方案、控制策略進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并通過試驗對控制策略進(jìn)行了驗證,是軌道交通綠色能源轉(zhuǎn)型的探索和嘗試,并為氫燃料電池在軌道交通應(yīng)用提供了參考。