氫燃料電池物流車整車控制策略研究

高順來， 李 陽， 田建國， 翁福建， 劉忠明

（聊城中通輕型客車有限公司， 山東 聊城252000）

氫燃料電池是一種將氫氣作為燃料，通過電解水的逆反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池。隨著國家對(duì)氫燃料電池［1］技術(shù)的大力投入，以氫氣作為汽車新燃料成為目前新一代汽車行業(yè)的趨勢(shì)，氫燃料電池以高效、節(jié)能、環(huán)保、低噪音等明顯優(yōu)勢(shì)［2］逐步受到國內(nèi)外汽車行業(yè)的關(guān)注。

基于氫燃料電池汽車固有特性，對(duì)某款9噸氫燃料電池物流車進(jìn)行研究。本方案整車采用燃料電池系統(tǒng)與動(dòng)力電池組成的混合動(dòng)力作為動(dòng)力源，額定60kW，峰值120kW兩擋電機(jī)，錳酸鋰動(dòng)力電池系統(tǒng)。能量管理控制策略設(shè)計(jì)總原則：①在不影響整車行駛安全的情況下，盡量避免燃料電池頻繁啟停和燃料電池負(fù)載突變，以延長燃料電池使用壽命；②燃料電池啟動(dòng)后工作在高效區(qū)，最大限度增加整車?yán)m(xù)航里程。針對(duì)此車配置對(duì)其整車上下電流程、能量分配策略等進(jìn)行研究。

1 整車動(dòng)力總成

以燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的混合動(dòng)力［3-4］車輛組合方式有很多，本次設(shè)計(jì)是以燃料電池與動(dòng)力電池并聯(lián)方式設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力氫燃料電池物流車，如圖1所示，動(dòng)力電池與燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)共同作為動(dòng)力源為電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)能量［5］，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出電壓150～300V，由于輸出電壓平臺(tái)比較低，則需要通過大功率DCDC模塊將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓直流電，然后通過高壓配電盒輸送到電機(jī)控制器，電機(jī)控制器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電輸送到驅(qū)動(dòng)電機(jī)。動(dòng)力電池系統(tǒng)既可作為整車的動(dòng)力源，也可作為燃料電池剩余能量存儲(chǔ)和整車制動(dòng)能量回收的載體。整車控制器作為整車系統(tǒng)控制、駕駛行為信息收集以及能量分配的大腦，通過收集整車駕駛行為信息（如：制動(dòng)踏板信號(hào)、油門踏板深度信號(hào)） 對(duì)燃料電池及動(dòng)力電池動(dòng)力源進(jìn)行能量分配，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，達(dá)到整車高效、節(jié)能的設(shè)計(jì)目的。

圖1 9噸氫燃料電池物流車動(dòng)力總成

2 整車控制策略

2.1 整車上下電流程

氫燃料電池關(guān)機(jī)特性：氫燃料電池停機(jī)時(shí)，電堆內(nèi)部需要進(jìn)行吹掃［6］，排空電堆內(nèi)部的水和未反應(yīng)的氣體，避免氫燃料電池內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的水聚積導(dǎo)致出現(xiàn)水淹情況，影響電堆反應(yīng)效率，損壞氫燃料電池性能和壽命，因此針對(duì)此特性制定上下電流程圖（圖2），保證整個(gè)氫燃料系統(tǒng)平穩(wěn)下電。

圖2 上下電流程圖

2.1.1 上電關(guān)鍵控制策略

整車控制器作為整車控制中樞，需要控制整個(gè)上下電流程完整性和安全性。當(dāng)鑰匙打到ON擋，整車控制器ON擋喚醒后，整車控制器控制喚醒電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、燃料電池控制器，各控制模塊喚醒后無故障，電池管理系統(tǒng)控制閉合主負(fù)接觸器，整車收到START信號(hào)后，整車控制器發(fā)送上電指令并控制完成高壓上電，整車高壓上電完成。如此時(shí)整車處于純電模式，氫燃料系統(tǒng)不開啟電堆，只有動(dòng)力電池作為動(dòng)力源。如此時(shí)整車處于混動(dòng)模式，達(dá)到電堆開啟條件后，整車控制器發(fā)送開機(jī)指令，燃料電池開始工作，逐漸加載至整車需求功率。

2.1.2 下電關(guān)鍵控制策略

鑰匙由ON擋打到OFF擋時(shí)，整車控制器ON擋信號(hào)丟失，整車進(jìn)入下電流程，整車控制器依然保持電池管理系統(tǒng)［7-8］、電機(jī)控制器［9］，燃料電池控制器喚醒電源不丟失并發(fā)送下電指令，整車控制器待電機(jī)控制器快速放電完成后，斷開電機(jī)控制器喚醒電源，電機(jī)控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)。氫燃料電池系統(tǒng)則進(jìn)行降載，當(dāng)電堆功率降到0kW后進(jìn)行掃吹，掃吹時(shí)間因環(huán)境溫度不同而掃吹時(shí)間不同，最長時(shí)間不超過20min。在整個(gè)掃吹過程中不僅高壓回路不可斷開，整個(gè)低壓回路也不能斷開，因此做了如圖3中設(shè)計(jì)原理，整車控制器可延長休眠時(shí)間，待氫系統(tǒng)關(guān)機(jī)后，斷開氫系統(tǒng)繼電器和燃料電池系統(tǒng)喚醒電源，請(qǐng)求電池管理系統(tǒng)斷開總負(fù)繼電器，最后斷開電池管理系統(tǒng)喚醒電源，整車控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)，整車下電完成。

圖3 各系統(tǒng)低壓供電原理

2.2 整車能量分配策略

車輛在動(dòng)態(tài)過程中，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與蓄電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)需要仔細(xì)考慮，以達(dá)到最優(yōu)混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制效果。動(dòng)力電池SOC在動(dòng)態(tài)過程中瞬時(shí)不會(huì)存在過大的變化，并且可以響應(yīng)較大瞬時(shí)功率。而燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)通過氫氣和空氣在質(zhì)子交換膜表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，氫氣通過減壓閥到達(dá)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，穩(wěn)定輸入氫氣壓力，空氣通過空壓機(jī)、加濕器等進(jìn)入燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。在加載過程中，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)和空壓機(jī)動(dòng)態(tài)特性反應(yīng)速率存在滯后情況，因此基于以上情況，對(duì)燃料電池物流車能量分配策略如下。

1） 車輛起動(dòng)，整車上高壓，整車處于混動(dòng)模式下，當(dāng)動(dòng)力電池SOC低于設(shè)定值時(shí)，整車控制器發(fā)送開機(jī)指令，氫燃料電池系統(tǒng)開始工作。

2） 行車過程中，動(dòng)力電池SOC處于0%～90%之間時(shí)，整車控制器根據(jù)當(dāng)前動(dòng)力電池SOC值及氫燃料電池系統(tǒng)可輸出功率進(jìn)行功率請(qǐng)求，動(dòng)力電池SOC越低，整車控制器請(qǐng)求功率越大，動(dòng)力電池SOC越高，整車控制器請(qǐng)求功率越小。在不同SOC區(qū)間，燃料電池輸出穩(wěn)定功率作為整車的主動(dòng)力源，當(dāng)整車動(dòng)力性瞬時(shí)需求功率大于燃料電池輸出功率時(shí)，動(dòng)力電池對(duì)功率需求進(jìn)行彌補(bǔ)。當(dāng)整車功率需求小，燃料電池輸出功率大于整車動(dòng)力需求功率時(shí)，動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能裝置對(duì)燃料電池剩余功率進(jìn)行能量回收。

3） 行車過程中，整車處于混動(dòng)模式下，動(dòng)力電池SOC等于90%時(shí)， 整車控制器下發(fā)關(guān)機(jī)指令至燃料電池控制器，燃料電池系統(tǒng)開始進(jìn)行降載停機(jī)吹掃。

4） 車輛靜止過程中，整車處于混動(dòng)模式下，因動(dòng)力電池容量小，為避免動(dòng)力電池出現(xiàn)過充情況，降低整車控制器請(qǐng)求功率，使請(qǐng)求功率與動(dòng)力電池允許持續(xù)充電功率達(dá)到平衡。

3 路試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)車實(shí)驗(yàn)過程中，選擇同樣的車型、同樣的載荷和同樣的路試條件下進(jìn)行路試。本文選取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來自實(shí)車采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)前，提前編寫好DBC文件如圖4所示，通過CANalyzer軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)混動(dòng)模式下車輛靜止、車速在35～60km/h之間，不同SOC段整車控制器對(duì)功率請(qǐng)求進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 整車DBC文件

圖5顯示了整車能量分配實(shí)驗(yàn)路試結(jié)果，橫坐標(biāo)為時(shí)間（每1000s為一個(gè)周期），縱坐標(biāo)分別為動(dòng)力電池SOC (0-100%)，燃料電池輸出電流 （A），燃料電池輸出電壓(V)，整車控制器請(qǐng)求功率(kW），整車車速 （kW/h）。在混動(dòng)模式下，車輛由靜止到車速在35～60kW/h區(qū)間內(nèi)行駛，SOC初始值為61%，車輛車速為0kW/h狀態(tài)下，整車控制器請(qǐng)求功率為15kW，燃料電池輸出電壓為216V，燃料電池輸出電流為70A，燃料電池功率約15.1kW，滿足整車靜止?fàn)顟B(tài)下整車控制器功率請(qǐng)求。時(shí)間為815～850s時(shí)，車輛由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)，隨著車速的上升，整車控制器請(qǐng)求燃料電池輸出功率由15kW上升至30kW，燃料電池輸出電壓由216V減小至200V，電流由70A逐漸增大至150A，燃料電池輸出功率為30kW，滿足整車行駛過程中整車控制器功率請(qǐng)求。在行駛過程中，因?yàn)槿剂想姵剌敵龉β蚀笥谡囆枨蠊β剩虼苏麄€(gè)行駛過程中，動(dòng)力電池SOC呈逐漸上升趨勢(shì)，在下個(gè)時(shí)間周期的90s時(shí)，動(dòng)力電池SOC上升到65%，整車控制器請(qǐng)求燃料電池輸出功率由30kW降低至20kW，燃料電池輸出電壓由200V上升至225V，燃料電池輸出電流由150A降至90A，燃料電池輸出功率20.25kW，滿足整車隨著動(dòng)力電池SOC上升整車控制器降低功率請(qǐng)求。整個(gè)行駛過程直至動(dòng)力電池SOC為70%時(shí)車輛停止。

在整個(gè)過程中，車速在35～60kW/h區(qū)間，燃料電池輸出功率為20kW和30kW，動(dòng)力電池SOC緩慢上升，滿足9噸氫燃料物流車城市路況運(yùn)輸，符合整車設(shè)計(jì)要求。

圖5 路試結(jié)果

4 結(jié)束語

通過對(duì)9噸氫燃料電池物流車上下電流程設(shè)計(jì)、燃料電池能量分配策略測(cè)試及批量訂單車進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，避免了燃料電池內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的水聚積和功率頻繁變化，有效保護(hù)了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，并兼顧了動(dòng)力電池組功能。該策略目前已在批量車上運(yùn)行，目前市場(chǎng)累計(jì)運(yùn)行約360萬公里，為后續(xù)優(yōu)化提升工作提供了有力數(shù)據(jù)支撐。