氢燃料电池城市客车动力系统控制策略研究

陶西孟， 张景涛， 张礼宪, 李贵武， 赵 静

(中通客车控股股份有限公司， 山东 聊城 252000)

随着我国新能源汽车行业的深入发展，氢燃料电池客车以其无污染、加氢时间短、续驶里程远等优点逐渐受到市场的青睐[1-2]。氢燃料电池是一种特殊的发电装置，具有动态响应速度慢，停机时需要吹扫等特性[3-4]。某款9 m氢燃料电池城市客车采用国产质子交换膜氢燃料电池系统，搭配锰酸锂动力电池作为储能装置，两者互相配合组成电-电混合的城市客车能源系统。基于氢燃料电池输出功率不可频繁剧烈变化和停机需要吹扫的现象，对该款9 m氢燃料电池客车从整车能量控制策略和上下电控制策略进行研究。

1 整车能量控制策略研究

氢燃料电池是一种将氢气和氧气通过电化学反应直接转化为电能的装置。氢气和氧气在电化学反应过程中不断地消耗去产生电能，从而通过电机驱动汽车行驶[5]。当车辆在加速或减速等功率需求短且变化很大的状态时，燃料电池的输出功率无法在短时内作出响应，这是目前燃料电池系统自身特性所决定的[6]。

1.1 动力系统基本组成

该9 m氢燃料电池客车整车动力系统由氢燃料电池系统、储能装置、DC/DC和电机系统组成，如图1所示。燃料电池系统包括电堆和辅助系统(气管理系统、水管理系统、热管理系统以及控制器等)，为整车运行提供主要动力。储能装置采用锰酸锂动力电池为整车启动、整车加速和爬坡等工况提供辅助动力。DC/DC分为升压和降压两部分，升压DC/DC使 DC/DC 输出电压与整车电压水平匹配；降压DC/DC为燃料电池系统内的辅助系统提供动力。

BMS—电池管理系统； VCU—整车控制器；FCU—氢燃料电池系统控制器； HMS—氢系统控制器

1.2 整车能量控制策略制定

氢燃料电池客车与纯电动客车相比，降低了对电池电量的要求。氢燃料电池功率动态响应速度慢，输出功率不能在短时间内剧烈变化，当整车需要加速或爬坡时，氢燃料电池无法及时输出整车的高功率需求，因此，要求整车配备的动力电池系统要有足够的峰值功率，短时间内能够实现大功率的充放电[7-8]。

氢燃料电池和动力电池互相搭配组成该9 m氢燃料电池客车的动力能源系统，整车控制器根据公交工况需求，控制氢燃料电池和动力电池为整车提供能量。整车能量控制策略如下：

1) 整车启动时，动力电池首先上高压，待氢燃料电池辅助系统供电正常后，启动氢燃料电池。

2) 行车时，如动力电池SOC在0%～85%区间，氢燃料电池为主动力源，氢燃料电池输出功率保持在额定状态。当整车减速或低速匀速行驶时，燃料电池提供电机驱动整车所需的能量；当整车加速或高速匀速行驶时，燃料电池输出功率不足的部分，由动力电池作为辅助系统弥补。

3) 行车时，如动力电池SOC在85%～100%区间，只有动力电池给整车供电，氢燃料电池处于待机状态，功率输出只满足氢燃料电池辅助系统供电。该供电状态可避免动力电池过充造成的动力电池损坏[9-10]。

4) 整车停车时，氢燃料电池首先下电吹扫，吹扫完毕后，动力电池再完成整车高压下电。

2 整车上下电控制策略研究

氢燃料电池启动时，氢燃料电池辅助系统需要提前供电；氢燃料电池停机时，需要进行吹扫，排空电堆内部的水和未反应的气体。整车在进行上下高压电时，需要针对氢燃料电池启停的特殊性进行合理的设计。

2.1 上下电流程

氢燃料电池的启停具有特殊性：氢燃料电池启动时，整车需通过动力电池给电堆提前提供高压电源，电堆内获得足够压力和流量的反应气体时，氢燃料电池才能输出足够的电流，保证氢燃料电池辅助系统运行；氢燃料电池停机时，电堆内部需要吹扫，排空燃料电池内部的水汽和未反应的气体，避免氢燃料电池内部反应生成的水积聚，损坏氢燃料电池性能和寿命，氢燃料电池在停机过程中仍需要动力电池提供高压电源[11]。根据氢燃料电池上述启停特性，该9 m氢燃料电池客车上电流程图如图2所示，下电流程图如图3所示。

图2 上电流程图

图3 下电流程图

2.2 客车上下电关键控制策略制定

1) 上电关键控制策略。整车控制器接收到START信号后，向BMS发送高压上电指令，BMS完成预充并吸合主正继电器后，向整车控制器发送主正继电器吸合状态信号，整车控制器接收到主正继电器吸合信号判定高压上电成功，向仪表发送READY信号，整车高压上电完成。整车控制器开始检测整车工作模式，如驾驶员闭合仪表台上的纯电模式开关，整车控制器不开启电堆，只有动力电池供电；如驾驶员闭合仪表台上的混合模式开关，整车控制器为防止电堆开启过程中其他高压部件未进入稳定运行状态，影响降压DC/DC正常工作，要延时8 s后，再向氢燃料电池控制器发送开启指令，燃料电池控制器开启氢系统并控制风机给电堆供氢气，电堆启动并逐渐加载至设定值给整车供高压电或给动力电池充电。

2) 下电关键控制策略。整车控制器接收到ON挡下电信号后，氢燃料电池开始降载，降载为0后氢燃料电池开始吹扫，吹扫时间一般为30 s左右，在此期间，整车不但要保持高压上电状态，整车低压电也不可断开。驾驶员驾驶纯电动客车在停车时，钥匙打到LOCK挡后，习惯直接关闭仪表台上的整车低压电源开关；而氢燃料电池客车在下电时，关闭仪表台整车低压电源开关后，将导致燃料电池吹扫失败，燃料电池内部水汽如果长期不排空，将大大缩短燃料电池寿命。

为避免停车时整车低压电源丢失，该9 m氢燃料电池城市客车采取以下方案改进:停车后将ON挡旋至ACC或LOCK挡，当VCU检测到ON挡信号丢失，且燃料电池正在工作时，VCU会立即输出24 V低压电使继电器线圈保持得电状态，避免驾驶员在燃料电池未吹扫完毕前关闭仪表台整车低压电源开关。当燃料电池吹扫完毕，VCU停止24 V输出，断开整车低压供电，实现了下电延时控制。电路原理图如图4所示。

图4 下电延时控制原理图

3 控制效果测试

图5为整车静态上电功率状态图。动力电池上电后，延时5 s，待整车其他高低压设备达到稳定状态，燃料电池开始启动，6～7 s后燃料电池净输出功率达到25 kW稳定状态，动力电池处于充电状态，充电功率大约为21 kW；图6为整车匀速40 km/h加速至60 km/h功率状态图。整车匀速40 km/h加速至60 km/h时，燃料电池净输出功率保持不变，动力电池输出功率不断增加，由充电状态上升为放电状态。由图6可知，当车速为60 km/h时，燃料电池功率无法满足整车需求，动力电池开始处于放电状态。图7为整车停车时的功率状态图。停车时，燃料电池首先停机，6.2 s后燃料电池净输出功率降为0，约1.2 s后燃料电池停止功率输出，动力电池给燃料电池辅助系统供电，大约22 s后燃料电池辅助系统完成对燃料电池内部吹扫工作，动力电池下高压，完成停车过程。

图5 整车静态启动功率状态图

图6 匀速40 km/h至60 km/h加速功率状态图

图7 停车过程功率状态图

由测试结果可知，整车动力系统结构和能量控制策略设计，满足加速、爬坡等瞬态高功率需求，避免燃料电池输出功率频繁剧烈波动，同时保证停车时燃料电池完成吹扫过程，避免燃料电池寿命缩短。

4 结束语

整车运行过程中燃料电池输出功率频繁剧烈变化和停机过程中燃料电池无吹扫现象，会导致燃料电池出现损坏。为避免上述问题，该款9 m氢燃料电池客车从整车能量控制策略和上下电控制策略进行控制。

参考文献：

[1] 王菊,郑贺悦,尤可为,等.燃料电池汽车技术政策研究[M].北京：北京理工大学出版社,2013：3-21.

[2] 候明,衣宝廉.燃料电池技术发展现状[J].电源技术，2008，32(10)：649-654.

[3] 郭宝圣.车载制氢式燃料电池电动汽车混合动力系统设计与研究[D].杭州：浙江大学,2015.

[4] 刘振.轮毂电机驱动系统与燃料电池电动汽车的动力匹配[D].长春：吉林大学，2015.

[5] 卢广苗.燃料电池电动汽车自适应能量管理系统的研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[6] 肖华侨.燃料电池电动汽车动力系统控制策略研究[D].上海：华东理工大学，2012.

[7] 夏建军.燃料电池电动汽车多能源匹配与自适应控制研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[8] 王刚.燃料电池电动汽车动力系统匹配与仿真研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2008.

[9] 谢长军,杜传进，全书海.燃料电池电动汽车控制系统研究与设计[J].电气应用，2007,26(6):86-88.

[10] 田甜,郑燕萍,蒋元广,等.混合动力汽车控制策略优化研究综述[J].公路与汽运,2010(5):1-4.

[11] 陈树勇,陈全世,仇斌,等.燃料电池城市客车动力驱动系统的合理匹配研究[J].公路交通科技,2008,25(6):147-153.