氫燃料重卡高壓上下電策略的研究

郭志培

(江鈴重型汽車有限公司,山西 太原 030032)

0 引言

隨著全球能源危機和環境污染的日益嚴重，尋找清潔能源來代替傳統能源迫在眉睫。目前各國政府均在積極推廣電動汽車的發展，希望逐漸取代傳統的內燃機車輛。我國針對新能源和新興產業發展的政策，也給電動汽車提供了很好的發展機會。但是相對于傳統的內燃機車輛，電動汽車存在充電時間長、續航短等問題，而氫燃料車型的出現則很好地解決了該問題。同時隨著能源和環保問題的升溫，“節能降耗，綠色環?！币呀洺蔀楫斀裆鐣l展的兩大主題[1]，我國于20世紀50年代開始了燃料電池研究，“十五”到“十三五”連續4個五年計劃均大力支持氫能及燃料電池電動汽車產業的發展[2]。

氫能源是一種可再生、無污染、熱值高且儲量豐富的清潔能源，隨著制氫、運輸和存儲技術的不斷成熟，氫燃料車型逐漸走進了大眾的視野。目前我國已基本掌握了原材料、燃料電池電堆、系統、整車等關鍵技術，初步建立了具有自主知識產權的燃料電池電動汽車動力系統技術平臺，實現了電堆、膜電極、雙極板等部分關鍵部件及原材料的國產化，具備了千輛級燃料電池電動汽車動力系統平臺與整車生產能力[3]。氫燃料重卡具有加氫快、續航長等優點，氫燃料電池由于本身啟動運行等一些特殊屬性，其高壓上電策略相對于純電動車會更復雜一些，如果高壓上下電策略不夠完善和成熟，可能會降低氫燃料電池的使用壽命，增加整車的使用成本，所以開展氫燃料重卡高壓上下電策略的研究具有重要意義。

1 氫燃料重卡簡介

1.1 總體簡介

氫燃料重卡在純電動重卡的基礎上增加了燃料電池相關的系統，主要包括供氫系統、電堆系統、供氧系統、冷卻系統以及電控系統等。氫燃料重卡所使用的燃料電池通過氧或其他的氧化劑進行氧化還原反應，將燃料中的化學能轉換成電能，它包含一個陽極、一個陰極以及使電荷通過電池兩級的電解質，電子由陽極傳至陰極產生直流電，形成完整的電路。該系統在行駛過程中通過燃料電池系統為動力電池充電，對動力電池的電量要求不高，其電量相對純電動重卡要少很多。氫燃料重卡如圖1所示。

圖1 氫燃料重卡

1.2 電控系統簡介

氫燃料重卡的電控系統主要由VCU(Vehicle Control Unit)、燃料電池系統、動力電池系統、電機和MCU(Motor Control Unit)、多合一、車身控制系統和底盤控制系統等組成。氫燃料重卡的電控原理如圖2所示。其中，多合一是負責為整車分配電的模塊，燃電DCDC或者動力電池輸出高壓電，由多合一負責對高壓電進行二次分配，相當于是一分多的模塊。多合一一般包括主驅、DCDC、高壓配電等，主驅是輸出給MCU供給電機的，DCDC是負責降壓給整車小電瓶充電的，高壓配電則是負責輸出給空調PTC等，DCDC和高壓配電在圖2中未示出。

圖2 氫燃料重卡電控原理圖

VCU是新能源汽車的核心，作為整車控制的中樞，負責將整車相關電器和電控模塊整合在一起，對整車進行相關的控制等。燃料電池系統主要由電堆系統、供氫系統、進氣系統、燃電控制系統、燃電DCDC等組成。燃料電池電堆是整個系統的核心部件，電堆性能的好壞直接影響到整個燃料電池系統的性能。動力電池系統是整車的一個動力來源，為整車提供能源補給，驅動電機轉動，同時為整車所有用電設備提供電源。動力電池主要由電池包、BMS(Battery Management System)接線盒、BMS控制盒等組成，電池包包括電芯本體、溫度和電壓傳感器、冷卻管路等，BMS接線盒主要負責將動力電池高壓線束進行相關連接，BMS控制盒通過對電壓、電流、溫度以及電量等參數的采集及計算進而控制動力電池充放電過程，實現對電池的保護，保證動力電池能夠在最佳的環境下發揮出最好的性能[4]。本文中所述的氫燃料重卡采用磷酸鐵鋰電池，電量為110 kWh。電機作為整車的動力來源，所述的電機系統采用永磁同步電機，具有功率密度高、效率高、噪聲小等優點。

2 氫燃料重卡上電管理

燃料電池本身具有一些特性，燃料電池系統啟動和關閉均會影響其壽命，需要盡量減少啟停次數，避免頻繁啟停。燃料電池系統的啟動時間約為16 s左右，關閉時間為30 s～600 s，燃料電池系統啟動后，隨著時間的增加，允許的輸出功率從20%增加到100%。在室溫條件下，正常從啟動到輸出100%功率大約為5 min。燃料電池系統的空壓機和加熱器，在啟動前和關機吹掃過程中需要從動力電池取電。

整車上下電管理由低壓上下電管理和高壓上下電管理兩部分組成，它的好壞直接與上下電過程的可靠性和安全性相關[5]。氫燃料重卡高壓系統電壓達560 V，整車對高壓的上下電控制有嚴格的策略。上下高壓電主要由VCU控制，上下高壓主要包括IG(Ignition) Start上高壓、充電請求上高壓以及常規和故障狀態整車下高壓。

2.1 IG Start高壓上電控制

IG Start高壓上下電控制為整車使用場景最多的高壓上下電控制，VCU根據車輛的相關狀態控制高壓系統上電。

VCU接收到IG ON信號后，整車低壓先上電，相關模塊進行自檢。VCU進行高壓上電時，首先要判斷整車是否滿足上高壓的條件。VCU根據整車的需求，除了IG Start請求信號和制動踏板踩下為整車上高壓的觸發條件外，還需要以下的判斷條件：①關鍵模塊的自檢無故障；②無充電槍連接；③無高壓互鎖和絕緣電阻低故障；④整車無三級故障。

VCU對整車上高壓相關的控制必須通過閉環過程完成，發送的信號必須收到相關模塊的反饋確認無誤后，才可以執行下一步的指令。氫燃料重卡上高壓主要包括三個步驟，首先是動力電池完成上高壓，其次是動力電池高壓通過多合一輸出，最后是燃料電池上高壓。IG Start高壓上電流程見圖3。

圖3 IG Start高壓上電流程圖

在第一個階段，轉動車鑰匙至IG ON，整車接通24 V低壓，部分模塊完成上電自檢，如果有故障，則上報故障。下一步判斷是否有充電槍插入，氫燃料重卡燃料電池控制器FCU(Fuel Cell Control Unit)會進一步判斷。整車的氫源由FCU控制，燃料電池內部有氫氣濃度傳感器，FCU在確認氫氣濃度正常后，會允許整車上高壓。如果允許上高壓，會反饋信號給VCU，同時判斷制動踏板和IG Start狀態，VCU通過CAN總線向BMS發送高壓上電命令，同時接收BMS發送的整車高壓的連接狀態。

在第二個階段，動力電池完成上高壓后，VCU通過CAN總線向多合一發送預充繼電器閉合指令，MCU中有較大的電容，需要先進行預充。確認閉合之后，繼續發送主正和輔控繼電器閉合指令。

第三個階段，燃料電池的DCDC(Direct Current)模塊是燃料電池和整車高壓電系統連接的關鍵零部件，負責將燃料電池產生的高壓電轉化成與整車一致的電壓。整車上高壓電之后，通過多合一輸出低壓電給到燃料電池DCDC控制器，VCU控制該DCDC控制器的使能信號，同時FCU發出上高壓的請求信號，啟動燃料電池，完成整車上高壓的全部過程。

使用VN1640記錄車輛的CAN總線信號，開發和測試分析軟件采用的CANoe版本為10.0.114，因圖片限制，僅添加充電槍的插入狀態、FCU狀態、MCU狀態、FCU允許上高壓信號4個信號，最后1個信號為車輛的高壓狀態，如圖4所示，該車輛完成了高壓上電的動作。

圖4 IG Start高壓上電CAN數據

2.2 充電狀態高壓上電控制

新能源車型在充電狀態下高壓上電控制也是比較常見的場景，氫燃料重卡充電狀態下上高壓與純電動重卡一致，通過充電槍喚醒信號，并喚醒整車中的相關模塊，由VCU控制完成動力電池的高壓輸入進行充電。充電狀態下，整車上高壓無需喚醒燃料電池。IG OFF充電高壓上電流程見圖5。

2.3 常規和故障狀態下的高壓下電控制

整車運行在REDAY狀態下，駕駛員將車鑰匙旋轉至IG OFF和VCU檢測到整車3級故障，高壓系統均會下電。具體過程如下：VCU通過CAN向MCU發送電機扭矩為0的指令，判斷電機的轉速信號，接收MCU反饋的電機工作模式。如果接收到待機模式，VCU向FCU發送停機命令，停止使能燃料電池DCDC，切斷燃料電池和整車高壓系統；VCU控制多合一斷開主正和輔控繼電器，VCU向BMS發送下高壓的指令。VCU向MCU發送允許快速泄放指令和禁止使能指令，VCU通過CAN發送整車狀態為下高壓狀態。

3 總結和展望

本文在研究氫燃料重卡控制策略的基礎上，提出了高壓上下電策略。相對于傳統的電動車，氫燃料重卡增加了燃料電池系統，上下高壓均需要增加對燃料電池相關狀態的判斷和控制。經過實車的驗證，該策略穩定可靠，解決了氫燃料重卡上下高壓的問題。后續經過燃料電池的不斷發展，該策略會進行適應性的調整，使其能更好地適應整車，在安全、穩定、可靠的前提下，使氫燃料重卡可以更好的運行。

圖5 IG OFF充電高壓上電流程