氢燃料客车控制策略

王 昆，谢 晏，龚群英，翁康伟，廖磊磊

(江西博能上饶客车有限公司，江西 上饶 334000)

通常氢燃料客车包含两套系统，分别是纯电系统和氢燃料系统，两系统的工作模式包括氢燃料系统启动、运行、停机、纯电动模式以及混合工作模式等。相对于纯电客车其电控策略有很大不同[1]。本文根据实车经验，详细介绍氢燃料客车主要电控策略。

1 氢燃料系统启动策略

氢燃料系统的启动条件严苛，将综合考虑电池状态、整车状态和氢燃料系统状态[2]。氢燃料系统的停机条件也多，同时停机后需吹扫，时间比较长(6 min左右)，此时整车控制器一直工作，如果停机吹扫过程中重新上电，纯电系统及整车系统控制会更复杂。

氢燃料系统由氢气瓶组、升压DC/DC、氢堆三个部分组成。当点火开关处于ON挡时，整车控制器控制这三个部分。仪表台上设立单独的纯电/混动按钮。按钮切换到混动模式时，当满足以下所有条件后才可启动氢燃料系统，并对其实时监测：

1)动力电池SOC<80%，氢剩余量≥10%。

2)氢堆冷却系统冷却水水位正常。

3)氢气瓶组及氢堆系统故障状态正常。

4)氢堆系统模式反馈信号为待机。

如果上述条件任一不满足，维持ON挡状态；如第4)条在一定时间内不满足要求，进入启动故障状态，VCU发出待机命令和发通讯故障码[3]。

VCU发启动命令状态下，须同时满足以下两个条件，VCU发送预充继电器闭合命令：

1)氢堆系统模式反馈信号基本模式为启动。

2)氢堆系统主正继电器状态为断开。

如果上述条件任一不满足，VCU进入启动故障状态。

VCU发送预充继电器闭合命令状态下，实时检测预充继电器后部电压是否≥90%电池总电压。如果条件满足，进入VCU发送主正继电器闭合命令状态，否则进入预充故障状态。预充故障状态下VCU发送预充、主正继电器断开命令[4]。

VCU发送主正继电器闭合命令状态下，实时检测主正继电器是否闭合。如果条件满足，进入VCU发送预充继电器断开命令状态；如条件在一定时间内不满足，VCU进入预充故障状态。

VCU发送预充继电器断开命令状态下，须同时满足以下两个条件，VCU才发送氢堆运行使能命令：

1)氢堆系统模式反馈信号基本模式为启动。

2)氢堆系统主正继电器状态为闭合。

如果上述条件任一不满足，VCU进入发送氢堆正常停机命令状态。

VCU发送氢堆运行使能命令状态下，须满足以下任一条件，VCU才发送氢堆紧急停机命令：

1)有紧急停机请求。

2)有系统氢气浓度超限信号。

如果两个条件均不满足，保持原状态。

然后，以下任一条件满足，VCU进入发送氢堆正常停机命令：

1)纯电/混动按钮处于纯电模式。

2)动力电池SOC≥90%，氢剩余量≤8%。

3)点火开关为OFF挡。

4)有燃料电池系统故障代码(除氢气浓度超限信号代码外)。

若上述条件均不满足，VCU保持原状态。

VCU发出氢堆紧急停机命令、正常停机命令状态下，实时检测氢堆系统模式反馈信号基本模式是否为紧急停机或待机，同时检测氢堆系统主正继电器状态是否为断开。若满足条件，VCU进入发送主正继电器断开命令状态，然后结束整个流程；若不满足条件，VCU维持原有状态一定时间(这个时间比较长，通常为6 min，为整个氢堆系统吹扫过程预留时间)后，VCU进入发送主正继电器断开命令状态，结束整个流程[5]。

2 氢堆运行策略

氢堆满足启动条件后即可运行。氢堆运行状态，开始进入初始模式，VCU发送目标功率0，并实时检测关联信号氢堆系统模式反馈信号基本模式是否为正常运行。如果正常运行条件满足，进入正常运行模式，VCU发送目标功率为定值；若正常运行条件不满足，维持原有状态。正常运行模式下，实时检测关联信号氢堆系统模式反馈信号基本模式是否为限功率运行。如果条件满足，进入限功率模式，VCU发送限制的目标功率；若条件不满足，维持原有状态。满足以下任一条件，进入故障模式，VCU发送目标功率为0：

1)动力电池SOC≥85%[6]，或氢剩余量≤8%。

2)氢堆系统或氢瓶组有故障。

若上述条件均不满足，维持原有状态。限功率模式下，如果满足进入故障模式的条件，也会进入故障模式[7]。

3 氢堆和纯电系统高压配电策略

氢堆系统和纯电系统的高压配电是两套独立系统并联在一起，如图1所示，以满足氢堆系统和纯电系统既能同时运行，又能分开单独运行。纯电系统高压配电集成在五合一中，有主驱预充、辅驱(DC/DC、气泵控制器、油泵控制器)、空调、除霜、暖风5个回路，VCU发送命令闭合、断开各个回路继电器，五合一内高压配电控制器具体执行VCU命令让继电器闭合、断开。氢燃料系统高压配电，新增一个单独配电盒，设计和升压DC/DC连接的预充回路，以及给氢堆供电的24 V回路。因为氢堆所需24 V的供电功率比较大，所以其回路单独配降压DC/DC[8]。

图1 氢燃料客车高压配电原理

4 低温情况下运行及充电策略

车辆动力电池单体最低温度<0 ℃时，不允许给动力电池充电，此时若启动氢堆给动力电池充电，会导致氢堆系统内的升压DC/DC持续性升压，从而可能损坏升压DC/DC。除此之外，动力电池若在0 ℃以下充电会大大降低其使用寿命。当动力电池BMS发出的最大充电电流限值为0时，禁止启动氢堆；当最大充电电流限值大于0时，允许启动氢堆。启动、运行氢堆后，VCU根据BMS发出的最大充电电流限值以及动力电池额定电压确定发给氢堆的目标功率[9]。

5 制动打气泵电控策略

氢堆系统停机，需对供氢管路进行吹扫，并保证管路内的氢气被吹扫干净，吹扫干净才可以下电。为此，VCU需延迟一定时间发送氢堆系统下电命令，附带而来是需重新设计制动打气泵的控制策略。

原控制策略：点火开关点火启动后，VCU先发送打气泵工作命令0(停机)，同时实时检测整车是否上高压或是否处于Ready状态，以及前、后桥制动储气筒气压信号是否有任一个小于最小规定值(如0.65 MPa)。如果以上条件均满足，则VCU再发送打气泵工作命令1，打气泵进入启动模式1，立即启动；若以上条件任一不满足，则VCU发送打气泵工作命令0，打气泵进入停机模式0，维持原停机状态。打气泵处于启动模式1后，若前、后桥制动储气筒气压信号均大于最大规定值(如1 MPa)，则VCU延迟30 s发送打气泵工作命令0，打气泵停机。

原控制策略存在的问题：当整车熄火(START→ON→ACC→OFF)下高压电后，前、后桥制动储气筒气压信号将归0，并传递给VCU,但为保证供氢管路吹扫，VCU需要延迟一段时间再下电，期间点火开关重新点火启动，VCU接收到整车已上高压并处于Ready状态，且之前已接收到前、后桥制动储气筒气压信号0小于最小规定值的信号，满足打气泵启动条件，又因打气泵滞环控制，打气泵会一直工作到符合停机条件而停机，从而导致在VCU延迟下电期间打气泵不必要的启动工作，浪费动力电池能量，且打气泵噪声大导致舒适性体验不好。

针对以上问题，在原控制策略模块基础上，新增以下控制策略模块：实时监测原控制策略模块中的制动打气泵工作命令信号，若为0或1，则无条件进入以下新增控制策略内容1：VCU发送打气泵工作命令1，并设计计时时间，同时实时监测计时是否达到规定时间以及前、后桥制动储气筒气压信号是否均小于0.8倍最大规定值。如果以上条件均满足，则进入新增控制策略内容2：VCU按原控制策略给打气泵发送工作命令0或1，并实时监测点火开关是否非ON挡，如果是则返回新增控制策略内容1，否则保持打气泵原状态。若新增控制策略1中的任一条件不满足，则进入新增控制策略内容3：VCU发送打气泵工作命令0，同时实时监测前、后桥制动储气筒气压信号是否有任一个小于最小规定值，如果小于则进入新增控制策略内容4：VCU按原控制策略给打气泵发送工作命令0或1，并实时监测点火开关是否非ON挡，如果是则返回新增控制策略内容1，否则保持打气泵原状态；若不小于，则实时监测点火开关是否非ON挡，如果是则返回新增控制策略内容1，否则保持打气泵原状态。

6 结束语

近年氢燃料客车在市场上应用越来越多，也越来越受到客车企业重视。氢燃料客车电控策略相对于纯电客车更为复杂，本文详细介绍了氢燃料客车氢堆启动、运行、高压配电、低温条件下的氢堆运行及充电策略以及制动打气泵控制策略。经过批量实车运行测试，该策略可满足实车运行需求[10]。