燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)怠速啟?？刂蒲芯?/h1>
2021-03-07 02:29:12李正輝贠海濤魏永琪
電源技術(shù) 2021年2期 關(guān)鍵詞：系統(tǒng)
李正輝， 贠海濤，胡 帥， 魏永琪
(青島理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，山東青島266520)
化石燃料對環(huán)境的影響促使人們致力于開發(fā)一種可替代的清潔和可持續(xù)的能源，近年來，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)由于改進了轉(zhuǎn)換效率、生態(tài)友好、靜音操作和靈活，逐漸取代了其他傳統(tǒng)的燃料電池[1]。隨著燃料電池汽車技術(shù)的興起，燃料電池汽車被認(rèn)為是21 世紀(jì)最有前途的新能源清潔型汽車，世界各國的汽車廠商正竟相研究開發(fā)[2]。怠速及啟停等工況是影響燃料電池壽命及其耐久性、燃料電池系統(tǒng)經(jīng)濟性及其商業(yè)化等的主要技術(shù)難題。
袁弘勛等建立了燃料電池三維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型并進行了車用怠速工況下的仿真研究，獲得了使燃料電池保持在較優(yōu)怠速工況下的最優(yōu)參數(shù)水平組合，及其對燃料電池性能影響的主次因素[3]。衣寶廉等提出燃料電池在啟動、停車、怠速以及帶有高電位的動態(tài)循環(huán)過程中，會導(dǎo)致材料性能加速衰減，如催化劑的溶解與聚集、聚合物膜降解等[4]。此外，美國UTC 公司在專利中闡述了怠速限電位的方法，提出通過調(diào)小空氣量同時循環(huán)尾排空氣、降低氧濃度的辦法，達到抑制電位過高的目的[5]。趙勇等對于燃料電池汽車在頻繁變載、啟停、連續(xù)低載和怠速工況下導(dǎo)致的燃料電池壽命衰減問題，設(shè)計了基于模糊控制與開關(guān)控制的滑動平均濾波復(fù)合能量管理策略。仿真結(jié)果表明，該策略在保證蓄電池安全性的情況下，減少了燃料電池壽命衰減的工況并且提升了其耐久性[6]。
目前，大多文獻都對燃料電池的模型與內(nèi)部特性以及燃料電池系統(tǒng)壓力溫度控制等進行了研究，涉及燃料電池混合動力系統(tǒng)的怠速啟?？刂婆c流程相關(guān)的研究文獻較少。故本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對某燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)，提出了適用于車用質(zhì)子交換膜燃料電池混合動力系統(tǒng)的怠速啟?？刂撇呗?，經(jīng)實驗分析，整車功率需求能夠滿足燃料電池汽車怠速啟停需求功率輸出，實現(xiàn)了燃料的高效利用。
1 燃料電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
對燃料電池的陽極供應(yīng)燃料氣體氫氣，對陰極供應(yīng)氧化劑氣體空氣，則電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而發(fā)電，只生成無害的水。因此從對環(huán)境的影響來說，燃料電池作為汽車動力源也是優(yōu)選。怠速工況與整車系統(tǒng)的工作過程關(guān)系密切，本文針對某燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)，對燃料電池怠速啟停控制進行研究分析，整車動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 燃料電池混和動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括燃料電池系統(tǒng)、單向DC/DC、氫鎳電池系統(tǒng)、超級電容、雙向DC/DC、電機以及控制器等，其中燃料電池作為動力系統(tǒng)的主動力源，氫鎳電池與超級電容作為輔助動力源。超級電容具有快充快放的特點，滿足車輛突然加速等工況的瞬間大功率輸出要求；氫鎳電池可以穩(wěn)定系統(tǒng)的電機母線端電壓，彌補在超級電容電量不足時的功率輸出。在以這樣的燃料電池系統(tǒng)為動力源的燃料電池車輛中，如果在交通堵塞或者遇到紅燈等待時，通過判斷車輛系統(tǒng)的狀態(tài)，使燃料電池繼續(xù)進行怠速停止或發(fā)電的情況。當(dāng)整車系統(tǒng)有功率輸出，燃料電池系統(tǒng)正常工作，超級電容和氫鎳電池電量不足時，燃料電池系統(tǒng)自然會多輸出一部分功率來給兩大電源進行充電。本文重點討論的是當(dāng)整車系統(tǒng)無功率輸出時，混合動力系統(tǒng)通過判斷車輛狀態(tài)、超級電容和氫鎳電池的電量來使燃料電池系統(tǒng)進入到怠速狀態(tài)。
2 燃料電池混合動力系統(tǒng)怠速啟?？刂埔?/h2>
對于燃料電池混合動力系統(tǒng)和燃料電池的怠速控制的文獻較少，且燃料電池系統(tǒng)和混合動力系統(tǒng)大多分離進行研究，但燃料電池混合動力系統(tǒng)的怠速過程與燃料電池系統(tǒng)的狀態(tài)以及控制過程是密切相關(guān)的。二者的相關(guān)性體現(xiàn)在：(1)燃料電池系統(tǒng)進入怠速狀態(tài)的控制信號由整車系統(tǒng)提供，在控制架構(gòu)上整車VCU 控制器對燃料電池系統(tǒng)所起到的是上位機的作用；(2)整車系統(tǒng)VCU 會直接影響燃料電池系統(tǒng)的控制效果，因為燃料電池的輸出電流和功率是由整車系統(tǒng)直接進行控制的；(3)整車系統(tǒng)的優(yōu)化控制會影響燃料電池本身的性能，而燃料電池性能的提高也會促進整車系統(tǒng)的發(fā)展，二者都肩負(fù)整個系統(tǒng)的效率和使用壽命的任務(wù)，二者之間是相互影響相互促進的一種關(guān)系，要實現(xiàn)的功能效果都是一致的。
設(shè)計怠速策略時必須考慮兩點，怠速狀態(tài)設(shè)計時，除了要求滿足燃料電池的壽命要求外，還要滿足其快速拉載要求，以實現(xiàn)怠速狀態(tài)快速啟動，主要影響在于冷卻液溫度，在冷卻液溫度過低時不宜快速拉載。燃料電池壽命受影響存在兩種狀態(tài)：(1)單電池電壓過高，高于0.85～0.90 V 時會影響電堆壽命[4]。而燃料電池輸出功率越低，單電池電壓越高，最高到1 V，燃料電池在低功率時必然影響壽命。燃料電池怠速就是讓燃料電池工作在低功率狀態(tài)，因此如何降低燃料電池功率的同時降低單電池電壓也就是該問題的核心；(2)根據(jù)反向電流機理，燃料電池在啟動和停機的過程時，由于濃度作用導(dǎo)致陽極部分區(qū)域被陰極空氣占據(jù)，從而導(dǎo)致氧氣被還原，形成氫-空界面，最終導(dǎo)致陰極的電勢高達1.44 V，催化劑載體很容易發(fā)生氧化反應(yīng)使電堆性能發(fā)生永久性衰減[7]。在控制電堆啟停時應(yīng)該使這一過程盡可能地變短，從而提高燃料電池的輸出特性，減緩其性能的衰減以及提高電堆使用壽命，因此，燃料電池在怠速狀態(tài)時也同樣應(yīng)該避免或縮短這一過程。燃料電池系統(tǒng)在直接關(guān)機后，氫氣會被空氣路殘余氧氣消耗，最后氫氣路氣壓低，氧氣會透過膜電極進入陽極，當(dāng)燃料電池陽極存在氫氣氧氣時，相對電勢可達1.4 V 會影響電堆壽命。
燃料電池的怠速應(yīng)該存在兩種狀態(tài)[8]：(1)怠速充電狀態(tài)：該狀態(tài)下，燃料電池發(fā)出一部分功率給超級電容或者氫鎳電池充電，這可以讓燃料電池存在一定的輸出功率，使電壓低于0.85 V，減少燃料電池壽命或者性能衰減；(2)怠速“關(guān)機”：首先并非直接關(guān)機，而是讓燃料電池低功率運行，僅保持自身輔助系統(tǒng)(BOP)功率消耗需求，或者更低的功率需求。同時產(chǎn)生一定熱量使冷卻液溫度不快速降低，滿足快速拉載要求。目前市場常見商用車系統(tǒng)由于配備電池功率較大，不存在怠速“關(guān)機”工況，但乘用車由于動力電池電量有限，必須考慮該工況。
據(jù)以上考慮，本文的怠速控制過程如圖2 所示。整車VCU 控制器通過判斷氫鎳電池、超級電容和車輛狀態(tài)使燃料電池系統(tǒng)從正常運行進入到怠速過程，氫鎳電池或超級電容電量不足時，燃料電池系統(tǒng)發(fā)出一部分功率給其充電，充電完成后關(guān)閉燃料電池空氣系統(tǒng)，用DC 或者負(fù)載進行拉載消耗剩余氧氣，再進入怠速等待狀態(tài)(此時的怠速等待過程是指燃料電池空氣系統(tǒng)關(guān)閉，燃料電池電壓低于200 mV，氫氣系統(tǒng)并沒有關(guān)閉)。若車輛系統(tǒng)有功率需求再使燃料電池恢復(fù)正常運行輸出功率的狀態(tài)；若整車系統(tǒng)并無功率需求且等待時間較長，燃料電池系統(tǒng)將關(guān)閉進入到準(zhǔn)備啟動的狀態(tài)；如果燃料電池系統(tǒng)在怠速充電過程中并且整車對燃料電池系統(tǒng)有功率需求，這時燃料電池系統(tǒng)就會重新進入到正常運行的狀態(tài)。
圖2 燃料電池混合動力系統(tǒng)的怠速控制過程
3 燃料電池系統(tǒng)在混合動力系統(tǒng)中怠速啟停Simulink 控制流程模型
3.1 燃料電池怠速控制過程的Stateflow 模型及狀態(tài)
通過在燃料電池系統(tǒng)Simulink 控制過程中搭建其怠速控制過程的Stateflow 模型，并下載到控制器在實驗臺架應(yīng)用，如圖3 所示。燃料電池系統(tǒng)通過接收到整車VCU 的怠速控制信號進入怠速狀態(tài)。各狀態(tài)間的切換過程有燃料電池上電初始化、啟動過程、正常工作過程、故障停機過程、鑰匙關(guān)機、緊急停機過程、怠速停機和怠速等待過程。
圖3 燃料電池系統(tǒng)怠速啟停Stateflow控制流程模型
本文重點討論燃料電池系統(tǒng)在怠速狀態(tài)間的切換以及啟停過程。其中，燃料電池在進入怠速充電過程時，是通過判斷超級電容電壓和氫鎳電池SOC 的值來進行狀態(tài)切換，因為超級電容在放電過程中電量減小時，其電壓是在下降的；在從怠速等待過程進入燃料電池重新啟動時，可通過判斷燃料電池電壓、氫鎳電池SOC 值或者整車功率需求來進行狀態(tài)切換。
3.2 燃料電池怠速程序?qū)崿F(xiàn)過程
燃料電池系統(tǒng)在進入怠速時，其程序?qū)崿F(xiàn)過程如圖4 所示。燃料電池系統(tǒng)接到整車VCU 控制器的怠速停止信號時，通過判斷超級電容電壓、氫鎳電池的SOC 值和燃料電池電壓來使燃料電池系統(tǒng)進入到怠速狀態(tài)。進入怠速充電狀態(tài)時，若車輛在此有功率需求，燃料電池系統(tǒng)又會回到正常運行狀態(tài)，怠速充電本身就是燃料電池低功率狀態(tài)的正常運行狀態(tài)。系統(tǒng)在進入到怠速停止?fàn)顟B(tài)時，燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉空氣系統(tǒng)，使陽極氫氣消耗陰極氧氣，這時可用DC 變換器或者小型負(fù)載消耗此時產(chǎn)生的電流，防止燃料電池單體電壓過高，燃料電池性能衰減。燃料電池單體電壓小于200 mV 時就可以進入到怠速等待過程，此時再通過判斷超級電容電壓、氫鎳電池和車輛需求功率來使燃料電池系統(tǒng)重新啟動，若此時車輛沒有功率需求，超級電容和氫鎳電池也沒有輸出功率，通過時限使燃料電池氫氣系統(tǒng)關(guān)閉，進入準(zhǔn)備啟動狀態(tài)。
4 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析
本文通過臺架實驗，測試并記錄了混合動力系統(tǒng)在燃料電池開機工作狀態(tài)進入到怠速充電過程，再到怠速停止等待，最后再收到整車需求功率時，再重新恢復(fù)運行的工作狀態(tài)，其過程如圖4 所示。狀態(tài)碼值為4 表示燃料電池處于準(zhǔn)備啟動狀態(tài)，為1 表示燃料電池處于啟動狀態(tài)，為2 表示燃料電池處于正常運行狀態(tài)，為12 表示燃料電池處于怠速停止?fàn)顟B(tài)，為13 表示燃料電池處于怠速等待狀態(tài)，為5 表示燃料電池處于鑰匙停機狀態(tài)。
圖4 燃料電池怠速程序?qū)崿F(xiàn)
由圖5可以看到，燃料電池系統(tǒng)從準(zhǔn)備啟動狀態(tài)經(jīng)啟動過程到正常運行狀態(tài)，接到怠速信號時進行怠速充電，充電完成后又經(jīng)過怠速停機進入怠速等待狀態(tài)，接到重啟命令后又快速回到正常運行狀態(tài)的過程。在這個過程中，燃料電池混合動力系統(tǒng)各個電源的電流如圖6 所示，燃料電池系統(tǒng)和混合動力系統(tǒng)對燃料電池的功率需求的關(guān)系如圖7 所示。結(jié)合兩圖數(shù)據(jù)可以看出，混合動力系統(tǒng)在300 s附近時沒有功率輸出，此時燃料電池系統(tǒng)接收到怠速命令進入到怠速充電狀態(tài)。
圖6 燃料電池混合動力系統(tǒng)電流
圖7 燃料電池動力系統(tǒng)與燃料電池的功率關(guān)系
圖8 和圖9 分別描述了超級電容和氫鎳電池的SOC 值以及其電壓的變化過程，混合動力系統(tǒng)分別在數(shù)據(jù)記錄的開始和最后經(jīng)過兩次功率輸出，通過判斷兩個輔助電源的電量和整車系統(tǒng)的狀態(tài)，使燃料電池分別進入到相應(yīng)的狀態(tài)。從兩圖可以看出，燃料電池在800 s 左右時其狀態(tài)達到相應(yīng)限值進入到怠速等待狀態(tài)，當(dāng)車輛系統(tǒng)又進行功率輸出時，燃料電池快速重新啟動。
圖9 超級電容與燃料電池電壓
在整個測試過程中，記錄了部分燃料電池單體電壓的變化過程，如圖10 所示。在整車動力系統(tǒng)功率輸出即車輛在加速減速時，超級電容和氫鎳電池也會補充系統(tǒng)能量，燃料電池的功率在頻繁變化，其單體電壓也在波動。當(dāng)系統(tǒng)進入到怠速充電時，燃料電池以一定功率給兩個輔助電源充電，單體電壓的變化相對穩(wěn)定，基本在800 mV 左右波動。而在800～900 s 燃料電池關(guān)閉空氣系統(tǒng)進入到怠速等待狀態(tài)時，燃料電池單體電壓在升高，這是由于實驗條件限制，并沒有用負(fù)載來拉載燃料電池系統(tǒng)，若此時拉載燃料電池，其陰極氧氣將會被迅速消耗，燃料電池電壓將會快速降低。
圖10 燃料電池的單體電壓變化
圖11 混合動力系統(tǒng)各動力源輸出功率
圖11 為混合動力系統(tǒng)燃料電池、超級電容和氫鎳電池的輸出功率關(guān)系，其中氫鎳電池輸出功率為正表示其在充電，超級電容輸出功率為負(fù)表示其在放電，可以看出其趨勢變化與圖6 中電流的變化趨勢相吻合。超級電容的輸出功率變化較為頻繁，這是由于其快充快放的特性決定的。圖中經(jīng)過0～300 s 和800～1 000 s 時，是混合動力系統(tǒng)對外輸出功率的過程，結(jié)合圖7 可以看出，基本上能夠滿足混合動力系統(tǒng)的功率需求。而在300～800 s 過程中是混合動力系統(tǒng)的兩個輔助動力源的怠速充電過程，充電完成后進入怠速等待的狀態(tài)，在800 s 附近混合動力系統(tǒng)對燃料電池系統(tǒng)有功率需求時，又進行了重新啟動。
5 結(jié)論
本文研究了燃料電池混合動力系統(tǒng)的怠速起停控制效果，針對某燃料電池混合動力汽車提出了混合動力系統(tǒng)的怠速啟?？刂撇呗?。經(jīng)臺架實驗驗證分析可知：
(1)怠速控制過程可由輔助電源和車輛系統(tǒng)狀態(tài)來實現(xiàn)；
(2)燃料電池單體電壓在怠速過程中可用小型負(fù)載來使其降低；
(3)控制策略過程可以根據(jù)整車功率需求滿足燃料電池汽車怠速啟停需求功率，滿足汽車系統(tǒng)在啟停狀態(tài)下的功率輸出與狀態(tài)要求，能夠縮短系統(tǒng)啟動時間，有利于對燃料高效利用，對燃料電池系統(tǒng)怠速運行過程的研究與應(yīng)用具有重要意義。
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袁弘勛等建立了燃料電池三維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型并進行了車用怠速工況下的仿真研究，獲得了使燃料電池保持在較優(yōu)怠速工況下的最優(yōu)參數(shù)水平組合，及其對燃料電池性能影響的主次因素[3]。衣寶廉等提出燃料電池在啟動、停車、怠速以及帶有高電位的動態(tài)循環(huán)過程中，會導(dǎo)致材料性能加速衰減，如催化劑的溶解與聚集、聚合物膜降解等[4]。此外，美國UTC 公司在專利中闡述了怠速限電位的方法，提出通過調(diào)小空氣量同時循環(huán)尾排空氣、降低氧濃度的辦法，達到抑制電位過高的目的[5]。趙勇等對于燃料電池汽車在頻繁變載、啟停、連續(xù)低載和怠速工況下導(dǎo)致的燃料電池壽命衰減問題，設(shè)計了基于模糊控制與開關(guān)控制的滑動平均濾波復(fù)合能量管理策略。仿真結(jié)果表明，該策略在保證蓄電池安全性的情況下，減少了燃料電池壽命衰減的工況并且提升了其耐久性[6]。
目前，大多文獻都對燃料電池的模型與內(nèi)部特性以及燃料電池系統(tǒng)壓力溫度控制等進行了研究，涉及燃料電池混合動力系統(tǒng)的怠速啟?？刂婆c流程相關(guān)的研究文獻較少。故本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對某燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)，提出了適用于車用質(zhì)子交換膜燃料電池混合動力系統(tǒng)的怠速啟?？刂撇呗?，經(jīng)實驗分析，整車功率需求能夠滿足燃料電池汽車怠速啟停需求功率輸出，實現(xiàn)了燃料的高效利用。
1 燃料電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
對燃料電池的陽極供應(yīng)燃料氣體氫氣，對陰極供應(yīng)氧化劑氣體空氣，則電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而發(fā)電，只生成無害的水。因此從對環(huán)境的影響來說，燃料電池作為汽車動力源也是優(yōu)選。怠速工況與整車系統(tǒng)的工作過程關(guān)系密切，本文針對某燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)，對燃料電池怠速啟停控制進行研究分析，整車動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 燃料電池混和動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括燃料電池系統(tǒng)、單向DC/DC、氫鎳電池系統(tǒng)、超級電容、雙向DC/DC、電機以及控制器等，其中燃料電池作為動力系統(tǒng)的主動力源，氫鎳電池與超級電容作為輔助動力源。超級電容具有快充快放的特點，滿足車輛突然加速等工況的瞬間大功率輸出要求；氫鎳電池可以穩(wěn)定系統(tǒng)的電機母線端電壓，彌補在超級電容電量不足時的功率輸出。在以這樣的燃料電池系統(tǒng)為動力源的燃料電池車輛中，如果在交通堵塞或者遇到紅燈等待時，通過判斷車輛系統(tǒng)的狀態(tài)，使燃料電池繼續(xù)進行怠速停止或發(fā)電的情況。當(dāng)整車系統(tǒng)有功率輸出，燃料電池系統(tǒng)正常工作，超級電容和氫鎳電池電量不足時，燃料電池系統(tǒng)自然會多輸出一部分功率來給兩大電源進行充電。本文重點討論的是當(dāng)整車系統(tǒng)無功率輸出時，混合動力系統(tǒng)通過判斷車輛狀態(tài)、超級電容和氫鎳電池的電量來使燃料電池系統(tǒng)進入到怠速狀態(tài)。
2 燃料電池混合動力系統(tǒng)怠速啟?？刂埔?/h2>
對于燃料電池混合動力系統(tǒng)和燃料電池的怠速控制的文獻較少，且燃料電池系統(tǒng)和混合動力系統(tǒng)大多分離進行研究，但燃料電池混合動力系統(tǒng)的怠速過程與燃料電池系統(tǒng)的狀態(tài)以及控制過程是密切相關(guān)的。二者的相關(guān)性體現(xiàn)在：(1)燃料電池系統(tǒng)進入怠速狀態(tài)的控制信號由整車系統(tǒng)提供，在控制架構(gòu)上整車VCU 控制器對燃料電池系統(tǒng)所起到的是上位機的作用；(2)整車系統(tǒng)VCU 會直接影響燃料電池系統(tǒng)的控制效果，因為燃料電池的輸出電流和功率是由整車系統(tǒng)直接進行控制的；(3)整車系統(tǒng)的優(yōu)化控制會影響燃料電池本身的性能，而燃料電池性能的提高也會促進整車系統(tǒng)的發(fā)展，二者都肩負(fù)整個系統(tǒng)的效率和使用壽命的任務(wù)，二者之間是相互影響相互促進的一種關(guān)系，要實現(xiàn)的功能效果都是一致的。
設(shè)計怠速策略時必須考慮兩點，怠速狀態(tài)設(shè)計時，除了要求滿足燃料電池的壽命要求外，還要滿足其快速拉載要求，以實現(xiàn)怠速狀態(tài)快速啟動，主要影響在于冷卻液溫度，在冷卻液溫度過低時不宜快速拉載。燃料電池壽命受影響存在兩種狀態(tài)：(1)單電池電壓過高，高于0.85～0.90 V 時會影響電堆壽命[4]。而燃料電池輸出功率越低，單電池電壓越高，最高到1 V，燃料電池在低功率時必然影響壽命。燃料電池怠速就是讓燃料電池工作在低功率狀態(tài)，因此如何降低燃料電池功率的同時降低單電池電壓也就是該問題的核心；(2)根據(jù)反向電流機理，燃料電池在啟動和停機的過程時，由于濃度作用導(dǎo)致陽極部分區(qū)域被陰極空氣占據(jù)，從而導(dǎo)致氧氣被還原，形成氫-空界面，最終導(dǎo)致陰極的電勢高達1.44 V，催化劑載體很容易發(fā)生氧化反應(yīng)使電堆性能發(fā)生永久性衰減[7]。在控制電堆啟停時應(yīng)該使這一過程盡可能地變短，從而提高燃料電池的輸出特性，減緩其性能的衰減以及提高電堆使用壽命，因此，燃料電池在怠速狀態(tài)時也同樣應(yīng)該避免或縮短這一過程。燃料電池系統(tǒng)在直接關(guān)機后，氫氣會被空氣路殘余氧氣消耗，最后氫氣路氣壓低，氧氣會透過膜電極進入陽極，當(dāng)燃料電池陽極存在氫氣氧氣時，相對電勢可達1.4 V 會影響電堆壽命。
燃料電池的怠速應(yīng)該存在兩種狀態(tài)[8]：(1)怠速充電狀態(tài)：該狀態(tài)下，燃料電池發(fā)出一部分功率給超級電容或者氫鎳電池充電，這可以讓燃料電池存在一定的輸出功率，使電壓低于0.85 V，減少燃料電池壽命或者性能衰減；(2)怠速“關(guān)機”：首先并非直接關(guān)機，而是讓燃料電池低功率運行，僅保持自身輔助系統(tǒng)(BOP)功率消耗需求，或者更低的功率需求。同時產(chǎn)生一定熱量使冷卻液溫度不快速降低，滿足快速拉載要求。目前市場常見商用車系統(tǒng)由于配備電池功率較大，不存在怠速“關(guān)機”工況，但乘用車由于動力電池電量有限，必須考慮該工況。
據(jù)以上考慮，本文的怠速控制過程如圖2 所示。整車VCU 控制器通過判斷氫鎳電池、超級電容和車輛狀態(tài)使燃料電池系統(tǒng)從正常運行進入到怠速過程，氫鎳電池或超級電容電量不足時，燃料電池系統(tǒng)發(fā)出一部分功率給其充電，充電完成后關(guān)閉燃料電池空氣系統(tǒng)，用DC 或者負(fù)載進行拉載消耗剩余氧氣，再進入怠速等待狀態(tài)(此時的怠速等待過程是指燃料電池空氣系統(tǒng)關(guān)閉，燃料電池電壓低于200 mV，氫氣系統(tǒng)并沒有關(guān)閉)。若車輛系統(tǒng)有功率需求再使燃料電池恢復(fù)正常運行輸出功率的狀態(tài)；若整車系統(tǒng)并無功率需求且等待時間較長，燃料電池系統(tǒng)將關(guān)閉進入到準(zhǔn)備啟動的狀態(tài)；如果燃料電池系統(tǒng)在怠速充電過程中并且整車對燃料電池系統(tǒng)有功率需求，這時燃料電池系統(tǒng)就會重新進入到正常運行的狀態(tài)。
圖2 燃料電池混合動力系統(tǒng)的怠速控制過程
3 燃料電池系統(tǒng)在混合動力系統(tǒng)中怠速啟停Simulink 控制流程模型
3.1 燃料電池怠速控制過程的Stateflow 模型及狀態(tài)
通過在燃料電池系統(tǒng)Simulink 控制過程中搭建其怠速控制過程的Stateflow 模型，并下載到控制器在實驗臺架應(yīng)用，如圖3 所示。燃料電池系統(tǒng)通過接收到整車VCU 的怠速控制信號進入怠速狀態(tài)。各狀態(tài)間的切換過程有燃料電池上電初始化、啟動過程、正常工作過程、故障停機過程、鑰匙關(guān)機、緊急停機過程、怠速停機和怠速等待過程。
圖3 燃料電池系統(tǒng)怠速啟停Stateflow控制流程模型
本文重點討論燃料電池系統(tǒng)在怠速狀態(tài)間的切換以及啟停過程。其中，燃料電池在進入怠速充電過程時，是通過判斷超級電容電壓和氫鎳電池SOC 的值來進行狀態(tài)切換，因為超級電容在放電過程中電量減小時，其電壓是在下降的；在從怠速等待過程進入燃料電池重新啟動時，可通過判斷燃料電池電壓、氫鎳電池SOC 值或者整車功率需求來進行狀態(tài)切換。
3.2 燃料電池怠速程序?qū)崿F(xiàn)過程
燃料電池系統(tǒng)在進入怠速時，其程序?qū)崿F(xiàn)過程如圖4 所示。燃料電池系統(tǒng)接到整車VCU 控制器的怠速停止信號時，通過判斷超級電容電壓、氫鎳電池的SOC 值和燃料電池電壓來使燃料電池系統(tǒng)進入到怠速狀態(tài)。進入怠速充電狀態(tài)時，若車輛在此有功率需求，燃料電池系統(tǒng)又會回到正常運行狀態(tài)，怠速充電本身就是燃料電池低功率狀態(tài)的正常運行狀態(tài)。系統(tǒng)在進入到怠速停止?fàn)顟B(tài)時，燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉空氣系統(tǒng)，使陽極氫氣消耗陰極氧氣，這時可用DC 變換器或者小型負(fù)載消耗此時產(chǎn)生的電流，防止燃料電池單體電壓過高，燃料電池性能衰減。燃料電池單體電壓小于200 mV 時就可以進入到怠速等待過程，此時再通過判斷超級電容電壓、氫鎳電池和車輛需求功率來使燃料電池系統(tǒng)重新啟動，若此時車輛沒有功率需求，超級電容和氫鎳電池也沒有輸出功率，通過時限使燃料電池氫氣系統(tǒng)關(guān)閉，進入準(zhǔn)備啟動狀態(tài)。
4 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析
本文通過臺架實驗，測試并記錄了混合動力系統(tǒng)在燃料電池開機工作狀態(tài)進入到怠速充電過程，再到怠速停止等待，最后再收到整車需求功率時，再重新恢復(fù)運行的工作狀態(tài)，其過程如圖4 所示。狀態(tài)碼值為4 表示燃料電池處于準(zhǔn)備啟動狀態(tài)，為1 表示燃料電池處于啟動狀態(tài)，為2 表示燃料電池處于正常運行狀態(tài)，為12 表示燃料電池處于怠速停止?fàn)顟B(tài)，為13 表示燃料電池處于怠速等待狀態(tài)，為5 表示燃料電池處于鑰匙停機狀態(tài)。
圖4 燃料電池怠速程序?qū)崿F(xiàn)
由圖5可以看到，燃料電池系統(tǒng)從準(zhǔn)備啟動狀態(tài)經(jīng)啟動過程到正常運行狀態(tài)，接到怠速信號時進行怠速充電，充電完成后又經(jīng)過怠速停機進入怠速等待狀態(tài)，接到重啟命令后又快速回到正常運行狀態(tài)的過程。在這個過程中，燃料電池混合動力系統(tǒng)各個電源的電流如圖6 所示，燃料電池系統(tǒng)和混合動力系統(tǒng)對燃料電池的功率需求的關(guān)系如圖7 所示。結(jié)合兩圖數(shù)據(jù)可以看出，混合動力系統(tǒng)在300 s附近時沒有功率輸出，此時燃料電池系統(tǒng)接收到怠速命令進入到怠速充電狀態(tài)。
圖6 燃料電池混合動力系統(tǒng)電流
圖7 燃料電池動力系統(tǒng)與燃料電池的功率關(guān)系
圖8 和圖9 分別描述了超級電容和氫鎳電池的SOC 值以及其電壓的變化過程，混合動力系統(tǒng)分別在數(shù)據(jù)記錄的開始和最后經(jīng)過兩次功率輸出，通過判斷兩個輔助電源的電量和整車系統(tǒng)的狀態(tài)，使燃料電池分別進入到相應(yīng)的狀態(tài)。從兩圖可以看出，燃料電池在800 s 左右時其狀態(tài)達到相應(yīng)限值進入到怠速等待狀態(tài)，當(dāng)車輛系統(tǒng)又進行功率輸出時，燃料電池快速重新啟動。
圖9 超級電容與燃料電池電壓
在整個測試過程中，記錄了部分燃料電池單體電壓的變化過程，如圖10 所示。在整車動力系統(tǒng)功率輸出即車輛在加速減速時，超級電容和氫鎳電池也會補充系統(tǒng)能量，燃料電池的功率在頻繁變化，其單體電壓也在波動。當(dāng)系統(tǒng)進入到怠速充電時，燃料電池以一定功率給兩個輔助電源充電，單體電壓的變化相對穩(wěn)定，基本在800 mV 左右波動。而在800～900 s 燃料電池關(guān)閉空氣系統(tǒng)進入到怠速等待狀態(tài)時，燃料電池單體電壓在升高，這是由于實驗條件限制，并沒有用負(fù)載來拉載燃料電池系統(tǒng)，若此時拉載燃料電池，其陰極氧氣將會被迅速消耗，燃料電池電壓將會快速降低。
圖10 燃料電池的單體電壓變化
圖11 混合動力系統(tǒng)各動力源輸出功率
圖11 為混合動力系統(tǒng)燃料電池、超級電容和氫鎳電池的輸出功率關(guān)系，其中氫鎳電池輸出功率為正表示其在充電，超級電容輸出功率為負(fù)表示其在放電，可以看出其趨勢變化與圖6 中電流的變化趨勢相吻合。超級電容的輸出功率變化較為頻繁，這是由于其快充快放的特性決定的。圖中經(jīng)過0～300 s 和800～1 000 s 時，是混合動力系統(tǒng)對外輸出功率的過程，結(jié)合圖7 可以看出，基本上能夠滿足混合動力系統(tǒng)的功率需求。而在300～800 s 過程中是混合動力系統(tǒng)的兩個輔助動力源的怠速充電過程，充電完成后進入怠速等待的狀態(tài)，在800 s 附近混合動力系統(tǒng)對燃料電池系統(tǒng)有功率需求時，又進行了重新啟動。
5 結(jié)論
本文研究了燃料電池混合動力系統(tǒng)的怠速起停控制效果，針對某燃料電池混合動力汽車提出了混合動力系統(tǒng)的怠速啟?？刂撇呗?。經(jīng)臺架實驗驗證分析可知：
(1)怠速控制過程可由輔助電源和車輛系統(tǒng)狀態(tài)來實現(xiàn)；
(2)燃料電池單體電壓在怠速過程中可用小型負(fù)載來使其降低；
(3)控制策略過程可以根據(jù)整車功率需求滿足燃料電池汽車怠速啟停需求功率，滿足汽車系統(tǒng)在啟停狀態(tài)下的功率輸出與狀態(tài)要求，能夠縮短系統(tǒng)啟動時間，有利于對燃料高效利用，對燃料電池系統(tǒng)怠速運行過程的研究與應(yīng)用具有重要意義。
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