有軌電車氫燃料電池混動控制策略研究

彭 敏

湖南鐵道職業(yè)技術學院,湖南 株洲 412001

0 引言

在軌道交通領域,傳統(tǒng)車型主要動力來源為接觸網(wǎng)供電或通過內(nèi)燃機發(fā)電進行供電,存在能源轉型的需求[1]。目前,已經(jīng)有一部分列車用純動力電池作為動力源,如株洲電力機車研究所有限公司生產(chǎn)的虛擬軌道列車(ART),在首末站進行快速充電,在運行過程中通過再生制動回收部分能量,續(xù)航里程可達到40 km;也有部分車輛采用超級電容作為動力源。又如淮安現(xiàn)代有軌電車利用停站的間隙,在站臺30 s內(nèi)完成充電,續(xù)航里程可以達到4 km,以支撐其到達下一個站點。但是,無論是純動力電池還是超級電容車輛,其單次充電的續(xù)航里程都還是偏低,僅適合于短線路里程或短站間距的線路應用場景[2]。

為進一步提高新能源列車的續(xù)航里程,拓寬新能源列車的應用場景,本文提出采用氫燃料電池與動力電池混動供電的方案。氫燃料具有無污染、高效率的特點,是真正意義上的綠色動力來源,部分主機廠已經(jīng)開始探索將氫燃料電池應用于軌道交通車輛[3]。但是,氫燃料電池動態(tài)響應較為遲緩,無法直接滿足負載端劇烈變化的功率需求。為了避免加速時動力不足的問題,需要采用動力電池進行混合供電。動力電池能夠滿足負載瞬時變化的需求,還能夠有效地回收有軌電車制動過程中產(chǎn)生的制動能量。

氫燃料電池和動力電池的混合動力系統(tǒng)能夠滿足軌道交通車輛的運行供電需求,更好地響應綠色低碳交通裝備的新目標。本文主要結合某型低地板有軌電車的應用需求,提出氫燃料電池和動力電池混動控制架構和控制策略。

1 方案分析

混合動力系統(tǒng)中,氫燃料電池作為主動力源,動力電池作為輔助動力源。氫燃料電池在運行過程中提供持續(xù)的功率輸出,動力電池在加速啟動和制動過程實現(xiàn)削峰填谷作用,以彌補氫燃料電池的動態(tài)響應遲緩性,確保系統(tǒng)供電穩(wěn)定性[4]。

1.1 系統(tǒng)拓撲

以某項目有軌電車為例進行研究,該車輛采用3節(jié)編組,“2動1拖”配置。在中間車輛配置1套氫燃料電池動力系統(tǒng),在兩頭的車輛各配置1套動力電池,整列車的動力源配置如圖1所示,其混合動力系統(tǒng)構型如圖2所示。

圖1 動力源配置

圖2 混合動力系統(tǒng)構型

儲氫系統(tǒng):提供壓縮氫氣,接受能量控制單元(ECU)對其氫氣溫度、氫氣壓力、氫氣泄露情況進行監(jiān)視,接受ECU提供的硬線氫閥開閉指令,儲氫系統(tǒng)采用70 MPa儲氫瓶,總共可儲氫30 kg。

燃料電池:將氫氣轉換為電能,實時發(fā)布其輸出功率。燃料電池控制單元通過控制器局域網(wǎng)總線(CAN)與ECU相連。燃料電池可接受ECU的調(diào)度進行功率輸出。單套燃料電池功率輸出為200 kW(由2個100 kW電堆組成)。

DC/DC:將燃料電池輸出電壓轉換為牽引和輔助系統(tǒng)所需的工作電壓,通過CAN與ECU相連。

動力電池:提供動力電池輸出,實時發(fā)布動力電池所能允許的最大充放電能力給ECU。動力電池控制單元通過CAN與ECU相連。動力電池的額定輸出電壓為600 V,額定容量為240 kW·h。支持最大3C的瞬時充電和瞬時放電,以滿足急加速和急減速的功率充放需求。

牽引系統(tǒng):根據(jù)ECU提供的動力系統(tǒng)最大的功率輸出/吸收能力,發(fā)揮合適的牽引/制動力。尤其在制動時,盡量考慮通過動力電池吸收一部分回饋能量。

輔助系統(tǒng):提供整車輔助負載供電,并實時發(fā)布附件消耗功率。

ECU:實現(xiàn)對整個混合動力系統(tǒng)各個設備的監(jiān)視和控制功能。對氫動力系統(tǒng)以及動力電池輸出功率進行分配控制以滿足車輛運行所需功率;實現(xiàn)燃料電池的啟?？刂坪凸β士刂?實時發(fā)布動力系統(tǒng)的最大組合允許功率,該值提供給牽引系統(tǒng),牽引系統(tǒng)的實時功率須低于該值,同時牽引功率增長斜率須低于組合允許功率的斜率增長。

列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS):實現(xiàn)整車通信控制。

1.2 整車運行工況

在不同的工況下,燃料電池和動力電池的投入程度也不一樣,基于有軌電車運行場景和2種動力源的特性,規(guī)劃典型的運行工況,如圖3所示。

0～10 s:車速為0 km/h,整車處于停車狀態(tài),燃料電池輸出在一個較低水平保證整車輔件系統(tǒng)能量消耗,動力電池基本不對外進行電流輸出。

0～50 s:車速開始由0 km/h提高至50 km/h,燃料電池根據(jù)整車需求提高自身輸出能力至200 kW左右,此時動力電池開始對外輸出電流以滿足整車的需求。

50～90 s:車速保持在50 km/h,整車對功率需求下降,燃料電池功率也隨之下降,燃料電池和整車的需求基本持平,動力電池基本不對外進行電流輸出,如果剩余電量(state of charge,SOC)過低,且整車需求功率小于對應SOC下燃料電池靜態(tài)輸出功率,燃料電池給動力電池充電,盡可能讓動力電池擁有合適的電量。

90～130 s:車速由50 km/h減速到0 km/h,整車進行動能回饋,燃料電池功率下降到最低以避免過流,動力電池進行充電將動能回收。

130～140 s:車速為0 km/h,整車處于停車狀態(tài),此時燃料電池會根據(jù)SOC進行輸出給動力電池充電,如果SOC超過65,燃料電池輸出在一個較低水平來保證整車輔件系統(tǒng)能量消耗,動力電池基本不對外進行電流輸出。

140～280 s:重復之前的工況。

綜上,可以看出,在加速階段,以動力電池為主提供牽引所需瞬時大功率需求;在巡航階段,以燃料電池為主提供牽引所需穩(wěn)定的功率;在減速階段,以動力電池消納牽引系統(tǒng)反饋的電制動功率。即由氫燃料電池和動力電池共同組成穩(wěn)定的動力源[5]。

圖3 運行工況曲線

2 能量控制方案

能量控制主要是指電源端的氫燃料電池輸出控制,以及負載端的牽引或電制動功率限值控制。而動力電池是非受控電源,只能根據(jù)外部的負載和電壓波動情況,自行進行功率輸出或功率輸入[6]。

基于上述不同的工況,制定氫燃料混動系統(tǒng)的能量控制方案,如圖4所示。

2.1 基本算法

對于整車的系統(tǒng)功率有:Pfuel+Pbat=Pm+Paux

各參數(shù)的說明如表1所示。

圖4 系統(tǒng)能量流示意圖

表1 參數(shù)說明

2.2 目標功率計算和分配

1)ECU通過TCMS獲取牽引需求功率Prequest,其中Prequest=Pm+Paux,Pm根據(jù)中間電流和中間電壓之積進行計算。

2)ECU通過動力電池管理系統(tǒng)BMS獲取動力電池SOC和Pbat-allow;通過TCMS獲取車輛速度,并根據(jù)速度判斷模式(分為動態(tài)運行和靜態(tài)模式)。

3)燃料電池系統(tǒng)包含2個獨立的電堆,當2個電堆均正常工作時,平均分配目標功率給2個電堆;當其中一臺故障時,將部分或者全部的功率需求轉移給另外一臺燃料電池。

4)當Prequest小于等于Pfuel-allow時,將Prequest直接賦值給Pfuel-set,作為燃料電池的功率輸出進行控制。燃料電池加載過程中,瞬時的功率缺口由動力電池補足。

5)當Prequest大于Pfuel-allow時,將Pfuel-allow賦值給Pfuel-set,即燃料電池按照最大功率進行輸出。期間,系統(tǒng)的功率缺口由動力電池補足。

2.3 燃料電池輸出功率控制策略

基于車輛獨享路權,規(guī)律性的加急速、緩加速、勻速、按計劃制動等運行工況,采取“跟隨運行工況,實施調(diào)節(jié)”的燃料電池輸出控制模式[7]。此時,燃料電池輸出主要參考車輛運行狀態(tài)和電池SOC。其中車輛運行狀態(tài)包括靜態(tài)模式、動態(tài)模式,動態(tài)模式又包括急加速、緩加速、勻速及制動模式。

不同SOC和運行模式下,燃料電池目標功率Pfuel-set的計算策略如表2所示。

表2 車輛正常運行控制策略

續(xù)表

1)任何情況下,調(diào)整FCU的輸出功率,均須在燃料電池的的升降載曲線包絡線內(nèi)執(zhí)行。

2)任何模式下,SOC大于85%時,立刻關閉燃料電池。

2.4 燃料電池功率分配策略

1)2套燃料電池正常或報2級、3級故障時,平均分配給2個燃料電池電堆。

2)某單一的電堆報1級故障時,該套FCU無輸出,功率全部分配給另外一臺燃料電池。

3 能量控制防護策略

采用混合動力系統(tǒng)車輛,為了確保母線電壓平穩(wěn)和各系統(tǒng)正常工作,需要進行相關功率限制。

3.1 牽引工況時牽引功率限制

1)在牽引時,整車功率由燃料電池與動力電池共同提供。此時,整車牽引系統(tǒng)的最大牽引功率須滿足:

Pm≤Pfuel+Pbat-allow-Paux=Pfuel+Vbat×Ibat-allowout-Paux

2)在上式中,Pfuel使用2臺FCU實時提供的數(shù)據(jù)之和。Vbat、Ibat-allowout使用BMS通過CAN網(wǎng)絡提供的實時數(shù)據(jù),而Paux則使用之前TCMS提供的數(shù)值。

3)牽引對手柄信號和該牽引功率限制取最小值進行控制,以保證動力電池以及燃料電池處于正常工作狀態(tài)。

3.2 制動工況電制動功率限制

在制動時,整車功率由燃料電池與牽引系統(tǒng)再生制動回饋的能量共同提供,動力電池和輔助系統(tǒng)負責消耗該能量。此時,各個器件的功率須滿足:

Pm≤Pbat-allow+Paux-Pfuel=Vbat×Ibat-allowin+Paux-Pfuel

即通過控制再生制動產(chǎn)生的能量,以保證中間電壓不過壓,動力電池不過充。

牽引對手柄信號和該制動功率限制取最小值進行電制動控制,若該值不滿足整車制動要求,則剩余制動力由氣制動補充。

3.3 能量管理優(yōu)先級

優(yōu)稱級從高到低依次為:各部件安全(如防止電池過充)、整車動力性能、經(jīng)濟性(氫好、壽命)。

3.4 車輛故障運行模式控制

車輛故障運動模式控制如下所示:動力電池、TCMS、燃料電池三者都正常時,正常控制; 動力電池和TCMS正常,燃料電池故障時,車輛以純電動方式運行,并由網(wǎng)絡負責功率和速度限制;動力電池或TCMS故障時,動力電池主接觸器斷開,車輛無法停止運行。

4 裝車測試

基于以上控制算法,進行裝車后的測試。

4.1 燃料電池啟機測試

燃料電池啟機測試(見圖5)主要是完成動力系統(tǒng)開機、嘗試加載等步驟,測試啟動過程時序及耗時。

試驗結果表明,開機時序、開機耗時滿足混合動力系統(tǒng)設計要求;動力系統(tǒng)可以正常開機,開機過程和怠速狀態(tài)運行無故障。

4.2 恒定工況運行測試

恒定工況運行測試(見圖6)主要是驗證燃料電池穩(wěn)定輸出能力,試驗規(guī)定為(30±5) kW。

試驗結果表明,動力系統(tǒng)可以正常開機,并按照恒定的外部負載進行工作,且整個過程無故障。

圖5 燃料電池開機測試曲線

圖6 恒定工況輸出測試

4.3 混動模式輸出測試

混動模式輸出測試主要測試基于有軌電車典型的運行曲線進行實測運行,下載數(shù)據(jù)進行分析,運行過程中的有軌電車參數(shù)變化如圖7所示。

圖7 混動模式輸出測試

從圖7可以看出,運行過程中,燃料電池輸出平穩(wěn)、有規(guī)律,恒定工作區(qū)間在185 kW左右,居于經(jīng)濟、高效區(qū)間。動力電池SOC能夠維持在55%～65%,燃料電池和動力電池的輸出之和能夠滿足有軌電車運行所需功率,證明控制策略可行。符合上述整車運行工況的要求。

4.4 燃料電池緊急停機測試

燃料電池緊急停機測試見圖8,主要驗證燃料電池緊急關機功能。

圖8 燃料電池緊急停機測試

如圖8所示,燃料電池收到緊急停機指令后緊急停機,100 ms內(nèi)功率降為零。緊急停機后,斷電重啟,燃料電池正常啟動。

4.5 續(xù)航里程測試

在儲氫系統(tǒng)加滿動力電池情況下,進行了續(xù)航里程測試,測試的結果如表4所示。

表4 續(xù)航里程測試數(shù)據(jù)

由表4可知,在滿氫滿電情況下,續(xù)航里程至少達到了290 km,相比純電池方案提升明顯。

4.6 試驗總結

本文對混合動力系統(tǒng)的各種典型運用場景進行了驗證。結果表明:系統(tǒng)控制方案合理,能夠適應外部恒定或變化負載的應用需求,控制過程中各系統(tǒng)均正常運行,尤其是燃料電池工作在經(jīng)濟、高效區(qū)間。

采用氫燃料混合動力系統(tǒng)的有軌電車續(xù)航里程,相比同編組形式的傳統(tǒng)車輛增長5～6倍,能夠有效拓寬其應用場景,可納入更多線路規(guī)劃時的車輛方案選擇。

5 結束語

本文對氫燃料混合動力有軌電車的混動系統(tǒng)方案、控制策略進行了詳細闡述,并通過試驗對控制策略進行了驗證,是軌道交通綠色能源轉型的探索和嘗試,并為氫燃料電池在軌道交通應用提供了參考。