氫燃料商用車整車能量管理技術研究

楊志超，武 增，王 健，袁世豪，張學鋒

（大運汽車股份有限公司技術中心，山西 運城 044000）

作為新能源汽車發(fā)展的三大路線之一，隨著國家相關激勵政策的出臺，燃料電池汽車產業(yè)進入發(fā)展快車道，尤其是中遠途、中重型氫燃料電池商用車在示范運營區(qū)的需求也逐步增多，市場競爭態(tài)勢也逐步顯現(xiàn)，為保證整車的市場競爭力，除整車集成技術外，整車的控制技術尤為關鍵。

氫能源商用車整車控制技術中整車能量管理技術最為核心，氫能源商用車整車能量來源以氫燃料發(fā)動機為主，動力電池為輔。氫燃料發(fā)動機發(fā)出的電能既可以用于驅動電機，也可以給動力電池充電，動力電池既能為驅動電機提供所需能量，又能回收整車回饋的能量。如何將動力系統(tǒng)的能量輸出和回饋合理地控制，以保證動力性、經濟性和各系統(tǒng)的使用壽命，是我們要研究的方向。

1 氫燃料商用車動力系統(tǒng)控制架構

氫燃料商用車動力系統(tǒng)控制架構除負責整個系統(tǒng)的協(xié)調控制工作的整車控制器（VCU）外，還包含燃料電池系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)、電機電控系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、高壓配電系統(tǒng)及整車附件等，具體見圖1。

圖1 氫燃料商用車動力系統(tǒng)控制架構

氫燃料商用車動力系統(tǒng)控制架構是一個耦合性很強的電氣系統(tǒng)，氫燃料電池系統(tǒng)通過DC/DC變換器以提升和穩(wěn)定電壓輸出，給整車驅動系統(tǒng)輸出能量，但考慮到燃料電池系統(tǒng)響應時間慢及本身其他性能的不足，系統(tǒng)增加符合整車功率及容量需求的動力電池系統(tǒng)來彌補。整車控制器（VCU）進行動力系統(tǒng)的協(xié)調控制工作，實現(xiàn)車輛在多動力源（動力電池、燃料電池、電機能量回收）之間的能量分配，從而達到更好的經濟性和動力性。

2 氫燃料商用車整車動力系統(tǒng)工作狀態(tài)

為滿足整車的正常運行，氫燃料商用車整車在不同狀態(tài)下，燃料電車系統(tǒng)及動力電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)見表1。

從表1中可反映出，在整車不同工作模式下，燃料電池系統(tǒng)和動力電池系統(tǒng)可能出現(xiàn)不同的工作狀態(tài)，并且電驅系統(tǒng)工作時整個動力系統(tǒng)能量的輸出和輸入狀態(tài)也不同，具體有以下幾種模式。

表1 燃料電車系統(tǒng)及動力電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)

1）燃料電池和動力電池共同驅動模式：燃料電池在啟動狀態(tài)穩(wěn)定后，整車需求功率較大且燃料電池可輸出功率無法滿足時，如整車爬坡、加速時，功率需求短時間增大，燃料電池功率升載速率無法滿足或重載運行情況下燃料電池滿功率輸出也無法滿足整車需求功率，此時剩余的功率需求就由動力電池來提供，保證整車的動力性。如圖2所示。

圖2 燃料電池與動力電池共同驅動

2）燃料電池系統(tǒng)單獨驅動模式：當燃料電池工作趨于穩(wěn)態(tài)且輸出功率能夠滿足整車功率需求時，由燃料電池單獨為驅動系統(tǒng)提供動力，此時動力電池無充電需求且不輸出功率。由于現(xiàn)階段燃料電池本身功率的限制，此工況只有在整車運行負載較小時出現(xiàn)。如圖3所示。

圖3 燃料電池與動力電池共同驅動

3）動力電池單獨驅動模式：當動力電池SOC高于需要充電的閾值上限，且燃料電池此時處于未開機的狀態(tài)。此時車輛運行將完全由動力電池系統(tǒng)提供能量（若適配的動力電池放電倍率較低時，純電模式運行不適合重載車況）。此種模式下，燃料電池系統(tǒng)僅被喚醒，處于關機或待機狀態(tài)，僅作為總線節(jié)點實時上報燃料電池參數(shù)狀態(tài)。如圖4所示。

圖4 動力電池單獨驅動

4）燃料電池驅動并給動力電池充電模式：整車運行過程中，燃料電池工作趨于穩(wěn)態(tài)，整車驅動功率需求較小，且動力電池可允許充電且SOC滿足充電條件時，燃料電池系統(tǒng)為整車提供驅動需求功率，并在動力電池系統(tǒng)的最大可持續(xù)充電電流限值內，對動力電池進行充電。如圖5所示。

圖5 燃料電池驅動并給動力電池充電

5）車輛靜止狀態(tài)燃料電池給動力電池充電：當車輛啟動處于靜止狀態(tài)，動力電池SOC值較低，此時雖然整車無驅動需求，為了保證整車能夠滿足各工況正常運行，在不通過充電樁充電，使動力電池SOC維持在平衡的狀態(tài)下，由燃料電池系統(tǒng)提供電能給動力電池系統(tǒng)充電。如圖6所示。

圖6 車輛靜止狀態(tài)燃料電池給動力電池充電

6）能量回饋模式：當車輛行駛過程中執(zhí)行減速制動或開啟輔助制動功能時（減速、下坡、遇紅燈減速制動及其他非緊急制動），且動力電池SOC值在可充電閾值內時，動力電池系統(tǒng)允許整車進行能量回饋，整車將制動產生的電能回饋給動力電池系統(tǒng)達到整車節(jié)能的效果。車輛運行過程中燃料電池工作，整車減速制動時，由于燃料電池系統(tǒng)的響應時間相對滯后，此時燃料電池和驅動電機共同給動力電池回饋電能（圖7）。若燃料電池不工作，則驅動電機給動力電池回饋能量（圖8）。同時考慮動力電池過充的保護機制。

圖7 燃料電池與電驅共同給動力電池回饋

7）其他模式：除了以上模式外，整車在停火狀態(tài)下，可能存在停車充電模式和停車熄火模式。如圖9、圖10所示。

圖9 停車充電樁直流充電

圖10 停車熄火

3 能量管理控制方案

整車動力系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下有不同的能量流動方式，依據駕駛員意圖要求就需要一套完整的既要滿足整車各狀態(tài)下運行需求又要符合現(xiàn)階段各系統(tǒng)部件特性的整車能量管理策略。

3.1 控制需求因素

1）能量輸出要滿足整車各狀態(tài)下的動力及附件功耗的需求。

2）考慮現(xiàn)階段燃料電池系統(tǒng)技術如功率偏小、升降載速率慢、不能頻繁啟停等限制，燃料電池在工作中要使其盡量保持穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)，剩余功率由動力電池輔助提供。

3）考慮動力電池的自身特性，避免動力電池過充過放，控制其SOC保持在合理的范圍內，達到安全、可靠、經濟的效果。

整車運行過程中，能量控制要結合整車的功率需求、氫燃料電池狀態(tài)、動力電池SOC及其充放電能力，來分配燃料電池系統(tǒng)與動力電池系統(tǒng)所需的輸出或輸入功率。整車控制器依據駕駛員意圖如油門踏板、制動踏板等數(shù)據求得電機需求功率，再加上整車其他附件如空調、PTC、油泵等所需消耗的功率，最后確定燃料電池系統(tǒng)、動力電池、電機回饋的功率輸出或輸入狀態(tài)。

3.2 控制策略設計

整車控制器接收動力電池BMS發(fā)出的SOC值及當前電池可允許持續(xù)充、放電電流、可允許的峰值充、放電電流，根據當前整車運行狀態(tài)向燃料電池系統(tǒng)發(fā)送燃料電池系統(tǒng)啟動、關機及功率輸出指令，為了避免燃料電池系統(tǒng)頻繁起停，VCU必須在SOC跳變點進行滯回控制；控制電機保障在整車制動能量回收或輔助制動激活時可輸出的功率范圍。在保證整車動力性的前提下，盡量維持燃料電池的輸出功率穩(wěn)定，且不讓動力電池處于過充或過放的狀態(tài)。

1）燃料電池與動力電池共同驅動，工作狀態(tài)的能量流如圖2所示。當滿足燃料電池工作條件，動力電池SOC＜SOC，例如在急加速車況中，由于燃料電池加載較慢，由電池來承擔瞬時的剩余部分功率輸出：

當整車需求功率長時間大于燃料電池可輸出功率時，例如重載上長坡的車況下，氫燃料電池已運行到最大功率點，動力電池需要較長時間承擔不足部分功率輸出。此時的功率平衡關系為：

2）燃料電池單獨驅動并給動力電池充電，工作狀態(tài)的能量流如圖5所示。當滿足燃料電池開啟條件，動力電池SOC＜SOC，且整車需求功率介于燃料電池的最小輸出功率及最大輸出功率之間時，VCU向燃料電池請求的功率根據汽車消耗功率需求進行調整，燃料電池輸出的功率不僅要滿足整車行駛功率，還要對動力電池進行充電。此時功率平衡關系為：

3）動力電池單獨驅動狀態(tài)，工作狀態(tài)的能量流如圖4所示。當動力電池SOC≥SOC時，VCU向燃料電池發(fā)送關機指令，此時車輛運行在動力電池單獨驅動的狀態(tài)，當蓄電池降低到SOC以下，燃料電池重新開啟。此時的功率平衡關系（以下所有為正值）為：

4）純電運行能量回收模式，工作狀態(tài)的能量流如圖8所示。當純電模式行駛車輛時，開啟輔助制動或滿足制動能量回收條件時，VCU向電機發(fā)送負扭矩將車輛的勢能轉換為電能，在動力電池可允許充電的電流范圍內，對動力電池進行回饋充電。此時的功率平衡關系為：

5）氫燃料與動力電池共同驅動下，制動能量回收模式，工作狀態(tài)的能量流如圖7所示。為了減少對氫燃料電池壽命的影響，使燃料電池能夠較平穩(wěn)輸出功率，在氫燃料電池正在給動力電池充電的情況下，可適當犧牲電機可回饋的電能。此時的功率平衡關系為：

4 結語

氫燃料車型控制的終極目標是燃料電池能夠實現(xiàn)整車功率跟隨，既能滿足整車的動力需求，又能使動力系統(tǒng)的效率達最高，但現(xiàn)階段氫燃料電池自身特性無法實現(xiàn)快速升降載，且單機功率還無法達到整車的需求，采用動力電池作為輔助的動力源，既能給整車提供輔助的動力，又能回收制動時電機產生的回饋能量和氫燃料電池降載過程無法釋放的能量。完善的控制策略針對燃料電池的需求功率跟隨電池SOC及整車實時需求功率進行變化，避免其出現(xiàn)功率頻繁跳動，同時兼顧動力電池的充放電能力，在極端工況下對氫燃料電池及能量回饋的功率加以限制，在保證動力性及經濟性的情況下，讓整車穩(wěn)定安全地運行。