氫燃料電池冷藏車制冷機組預充電路故障分析

摘要：近年來，在世界各國推動碳減排與碳交易的國際壓力下，氫燃料電池技術所具備的清潔、高效、續航里程長等特點已經促使氫燃料電池汽車逐步在國內外投入商業示范運行。高壓預充電是電動汽車高壓部件上電過程中必不可少的一部分，結合氫燃料電池電動冷藏車示范項目調試過程中出現的上裝制冷機組預充電路故障問題進行診斷分析驗證了預充電設計的重要性。

關鍵詞：氫燃料電池；電動汽車；制冷機組；預充電路故障；診斷分析

中圖分類號：U469.72文獻標志碼：A文章編號：1009-9492 （ 2022 ） S1-0025-04

Fault Analysis of Precharge Circuit of Refrigerating Unit of Hydrogen Fuel Cell Refrigerating Truck

Mo Wenjie

（Xiongchuan Hydrogen Energy Technology （Guangzhou） Co.， Ltd.， Guangzhou 510535， China）

Abstract： In recent years， under the international pressure of promoting carbon emission reduction and carbon trading， hydrogen fuel cell technology has the characteristics of clean， efficient， long range and so on， which has prompted hydrogen fuel cell vehicles to put into commercial demonstration operation at home and abroad. High-voltage precharging is an indispensable part of the high-voltage parts of electric vehicles in the power-up process. In this paper， the importance of the precharging design is verified by the diagnosis and analysis of the precharging circuit fault of the installed refrigeration unit in the commissioning process of the hydrogen fuel cell electric refrigerator vehicle demonstration project.

Key words： hydrogen fuel cell； electric vehicles； refrigeration unit； pre-charging circuit failure； diagnostic analysis

0引言

氫能是以氫氣作為能源載體，通過燃料電池等清潔發電技術，將氫氣的化學能轉化成電能并加以利用的新型能源。氫能源的利用，不僅效率高，使用階段清潔無污染，而且二氧化碳的捕集和封存技術也實現了氫氣生產過程中的零排放。因此，氫能被視為解決能源和環境危機的最有潛力的清潔能源。據國際氫能委員會預計，到2050年，氫能將承擔全球18%的能源終端需求，可能創造超過2.5萬億美元的市場價值，減少60億噸CO2排放，燃料電池汽車將占據全球車輛的20%～25%，屆時將成為與汽油、柴油并列的終端能源體系消費主體[1]。在當今經濟發展情況下，居民生活消費水平在不斷地提高，其對生鮮食品的需求也在逐漸的增多，對于生鮮食品的質量也越來越看重，由此冷藏技術得到了較快的發展，并且迅速的擴展到人民生活的方方面面。在當今冷藏市場中，冷藏車是公路冷藏運輸的主要運輸工具，適用于長距離冷藏運輸以及環境溫度變化范圍大的場合[2]。但柴油冷藏車存在空氣污染、噪聲大等問題。氫燃料電池冷藏車因其能量密度高、零排放、續航里程長、高效率等優勢而具有示范運用推廣價值。

1氫燃料電池冷藏車電氣系統

氫燃料電池冷藏車總質量為9 000 kg，續航里程約350 km，燃料電池系統額定功率為60 kW，驅動電機額定/峰值功率為60 kW/120 kW，加裝了制冷設備和保溫（隔熱）廂體的車輛，廂內溫度調節下限可達到-20℃，屬于F級冷藏車。其整車電氣系統主要由燃料電池系統、車載供氫系統、汽車底盤、保溫（隔熱）廂體、制冷機組及附件組成、動力電池組、DCDC變換器、多合一集成控制器、驅動電機等部分組成。氫燃料電池電動冷藏車以氫能作為燃料，通過燃料電池發電系統輸出電能，經DCDC升壓與動力電池高壓共同為整車提供電能保障。氫電混合動力是傳統Plug—in混合動力模式的延伸。在正常速度行駛狀態由燃料電池供應電能，在加速時讓動力電池補充電能，而在減速或怠速狀態燃料電池給動力電池充電。其優點是，讓燃料電池始終保持在恒定輸出功率狀態下運行，避免負載響應過度，可提高其運行壽命；同時，動力電池可以確保加速所需要的高功率放電要求，也可以回收減速和怠速狀態的燃料電池輸出能量[3]。這是一種多學科技術交叉高度集成化的電氣系統，各個部件之間的耦合性很強，從而實現燃料電池汽車多個能源之間的能量分配。圖1為氫燃料電池電動冷藏車設計結構圖，圖2為氫燃料電池電動冷藏車高壓配電網絡架構。

2氫燃料電池電動汽車主要電氣安全標準

燃料電池汽車作為電化學、電動汽車、電力拖動、功率電子、自動控制等高新技術集成產物，上電防瞬態沖擊設計在氫燃料電池電動汽車系統高壓安全設計中屬于重要的一部分，涉及高壓供電、負載運行及主正負接觸器安全運行[4]。根據GB18384-2020《電動汽車安全要求》有關標準條款[5]，電動汽車整車絕緣電阻除以動力電池的額定電壓至少應該大于1 000Ω/V，且最好是能夠確保大于500Ω/V。對于高于60 V的高壓系統的上電過程至少需要100 ms，在整車上高壓電過程中應該采用預充電過程來避免高壓沖擊。因此，為了避免新能源汽車高電壓對電路接觸器接觸時引起拉火弧等安全問題，降低操作人員觸電風險，增加產品安全性，預充電管理是新能源汽車中必不可少的重要環節。

3氫燃料電池電動冷藏車啟動上電控制策略

將氫燃料電池電動汽車鑰匙打到ON檔，整車控制器接收鑰匙ON檔電，輸出受控電源控制信號，控制BMS、氫系統FCU、儀表激活，系統開始自檢，各系統無故障，VCU接收到ST信號后，開始上執行上高壓流程，BMS閉合總負（具體按照動力電池上下電策略執行），VCU報文控制多合一閉合預充、主接，上高壓完成后發送READY信號并發送輔驅接觸器吸合指令[6]。上高壓完成后，油泵，氣泵，DCDC等附件根據附件控制策略開始工作，同時整車控制器根據駕駛室員操作指令及當前SOC決定啟動燃料電池（燃料系統與整車電驅系統共用預充、主接），下發燃料系統工作指令（啟動/運行）。在此期間，BMS會實時監測電氣系統狀況，如發生絕緣、高壓互鎖、氫氣泄漏等嚴重故障時，控制正負極接觸器斷開，停止上高壓電。圖3為燃料電池電動汽車整車控制系統構架。

4故障現象及診斷分析

4.1故障現象

氫燃料電池電動冷藏車項目于廣州市黃埔區進行整車電控系統與上裝制冷機組聯合調試。在調試過程中，制冷機組啟動后整車多次出現整車異常下高壓故障，嚴重影響項目開展進度。斷開整車電源開關和動力電池保險開關后，檢查上裝制冷機組，診斷發現D3整流控制模塊燒壞。經拆開多合一集成控制器殼體發現有電弧灼燒跡象，同時采用Fluke萬用表對多合一集成控制器線路各熔斷器測試導通情況，診斷發現F11熔斷器燒斷，如圖4所示。

4.2診斷分析

（1）電氣線路設計基本情況

在氫燃料電池電動冷藏車示范項目上，整車額定高壓為600 V，屬于電動汽車B級電壓電路。制冷機組壓縮機組額定功率約7 500 W。制冷機組從多合一集成控制器高壓正線獲取高壓電，并加裝F11熔斷器（規格為32 A），該線路與驅動轉向電機、PTC等線路并聯。針對氫燃料電池電動冷藏汽車高壓電系統的配置，除高壓電系統故障可以分為動力蓄電池組故障、上電故障、電壓故障、短路故障、絕緣故障、高壓環路互鎖故障及交通事故導致上述故障等7類外[7]，還存在燃料電池發電系統高壓故障和上裝制冷機組高壓故障，其中任何一類問題都是電動汽車的安全隱患。

（2）整車運行狀態分析

從整車CAN報文分析、電控上位機及BMS管理軟件發現，整車key on至整車上高壓Ready和啟動燃料電池發電系統后，BMS和VCU傳輸信號均處于正常運行狀態，但制冷機組啟動后即出現整車掉高壓現象，初步排除動力蓄電池組故障、短路故障、、高壓環路互鎖故障、多合一集成控制器預充接觸器電源等故障。

（3）絕緣值測試

根據不含電源的B級電壓負載絕緣電阻測量方法[5]，將電壓負載與所有電源斷開連接。采用Fluke絕緣測試儀對電機驅動系統UVW三相線、動力電池主正與主負、燃料電池系統輸出正負線及制冷機組高壓線等主要端口對接地點的絕緣值進行測試，發現測試值均大于500Ω/V，排除設備進水導致短路過載可能性。同時采用電導率測試儀對燃料電池發電系統的去離子水電導率測試值為2.4μs/cm，符合燃料電池系統去離子水電導率0～5μs/cm范圍要求，排除燃料電池發電系統絕緣低可能性。表1所示為采用Fluke絕緣測試儀測試結果。圖5所示為多合一集成控制器絕緣值測試。

（4）制冷機組設計問題排查

結合現場實際條件，造成故障原因是由于制冷機組啟動預充電路的充電電容與預充電阻、多合一集成控制器中F11熔斷器規格相對過小，同時制冷機組廠家采購安裝的D3整流器控制模塊設計沒有充分驗證，導致整車高壓對制冷機組啟動瞬間大電流沖擊問題，因此急需重新優化電氣線路設計方案。

5解決方案

根據上述故障原因，由制冷機組廠家基于預充電路電流和預充時間等模型計算驗證，優化高壓電箱電路設計穩定可靠性。圖6所示的上裝制冷機組優化設計圖中高壓電箱電路簡化為圖7預充電路模型。其中，預充電阻R1（預充電阻R）為500Ω，充電電容C1、C2均為1 500μF，回路電阻約30 mΩ。若制冷機組無預充電路，由于串聯電容C1、C2直接與回路的正極繼電器K+、負極繼電器K-接通，則產生回路瞬間大電流I=600 V/0.03Ω=20 000 A，影響電氣線路安全運行。

如設有預充電路，先正常吸合負極繼電器K-，后吸合預充電繼電器Kp。高壓電通過預充電阻R給電容充電，電容電壓UC隨充電過程越來越高，充電電流Ip逐漸變小。當電容電壓UC達到高壓電UB的90%時，斷開預充繼電器Kp[8]。圖8為預充電波形示意圖。

綜上，重新優化設計上裝制冷機組電路后經驗證計算，結果符合氫燃料電池電動冷藏車和制冷機組模塊的預充時間及預充電流有關要求。因此，為了該項目滿足正常投入使用要求，項目業主與制冷機組廠家、整車電控廠家等共同研討決定，第一步為優化高壓電箱模塊，即更換上裝制冷機組預充電阻、充電電容及整流控制模塊D3；第二步為更換多合一集成控制器F11熔斷器為53 A規格熔斷器。經過診斷和優化改造，充分提高整車電氣控制和制冷機組模塊的可靠穩定性，預充電路故障問題得到妥善解決。

6結論

當前，世界氫燃料電池技術正處于一個純粹研發向商業化推進的關鍵轉折期，國內各大城市不斷推出氫能規劃等支持政策，局部氫能商業化產業化的時機已經到來。本項目通過綜合分析解決氫燃料電池冷藏車項目預充電路故障案例，加深對氫燃料電池汽車電氣系統與上裝電氣裝置技術的理解和應用，對促進氫燃料電池汽車在冷鏈物流領域示范應用具有重要意義。

參考文獻：

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[8]劉金配，黃祖朋，鄧海文，羅儒.電動汽車預充電電路設計研究[J].汽車實用技術，2021（10）：14-16.

作者簡介：莫文杰（1991-），男，大學本科，助理工程師，研究領域為氫燃料電池發電系統技術，已發表論文1篇。

（編輯：刁少華）