智轨电车氢能源混合动力系统及其控制策略

余 卓，肖 磊，谢 军，李 京

（1. 湖南中车智行科技有限公司，湖南 长沙 410006；2. 湖南省多铰接胶轮运输系统工程技术研究中心，湖南 长沙 410006）

0 引言

为实现“双碳”目标，绿色能源在各个领域的应用越来越广泛［1］。作为轨道交通行业的新成员，智轨电车采用车载储能单元供电、胶轮驱动的新制式［2］，融合了有轨电车和公交车辆的特点，将具有广阔的市场空间。随着智轨电车技术的日益发展和市场的不断扩大，对智轨电车车载动力系统的要求也越来越多样化。近年来，在轨道交通领域，清洁能源的应用已逐步成为行业研究的热点之一［3］，智轨电车氢燃料电池动力系统的研发亦是大势所趋。目前，智轨电车采用快充型磷酸铁锂动力电池的储能方式为整车高压负载（包括牵引系统、辅助电源和空调等）供电，其能够快速响应车辆的功率需求，且其受电弓大电流的充电方式能够满足车辆10 min、25 km的续航要求［2］。然而，受能量密度的限制，磷酸铁锂电池在智轨电车有限的布置空间下很难通过堆放电池箱的方式来进一步提高续航里程。

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）作为一种清洁、高效率的发电装置，近年来也越来越受到交通领域的青睐［4］。燃料电池虽然可以持续发电，但其功率响应较慢、输出特性偏软且不能回收车辆电制动时的反馈能量［5］。为了适应车辆频繁启停的行驶特点以及承担电制动工况下的能量回收任务，在使用燃料电池的车辆上往往还需要配置储能系统，为燃料电池启动提供辅助供电，同时为智轨电车提供初始动力。因此，本文结合质子交换膜燃料电池和磷酸铁锂动力电池的特性，提出一套适用于智轨电车的“燃料电池-锂电池混合动力系统”。

本文首先对智轨电车氢能源动力系统进行了详细的介绍，包括氢能源动力系统的整体架构；然后，针对两种不同能量源，提出了相应的控制策略；最后，通过车辆道路试验，验证了其能够满足智轨电车牵引及制动工况下的能量需求，并在此基础上较大程度地提高了智轨电车的续航里程。

1 氢能源混合动力系统结构原理

氢能源智轨电车采用3节编组形式，中间通过铰接装置相连，其组成形式为“=Mc1+Mp+Mc2=”；其牵引系统采用分布式轮边驱动，每节车厢均有驱动能力。智轨电车的氢能源混合动力系统由燃料电池系统、储氢系统、磷酸铁锂动力电池和能量控制单元（energy control unit，ECU）组成。系统采取2套燃料电池系统并联方式为整车提供动力，其布置方式如图1所示。氢能源动力系统关联关系如图2 所示。2 套燃料电池系统通过直流母线与磷酸铁锂动力电池并联，为牵引系统、辅助电源系统和空调供电。其中，动力电池负责吸收电制动时的反馈能量，燃料电池也可为动力电池充电。当燃料电池接收ECU 启动指令后，其向储氢系统发出开阀指令；储氢系统收到指令后，其电磁阀打开，通过供氢软管向燃料电池输送压力为0.7～1.2 MPa 的氢气。每套储氢系统独立向一组燃料电池供气，当一组燃料电池故障时，另一组燃料电池仍可为车辆供电。车辆有两台ECU，其硬件配置一致，功能互为冗余。ECU 通过CAN 总线接收燃料电池与储氢系统的数据，并通过以太网（ETH）传输给列车控制与监控系统（TCMS），实现对燃料电池和储氢系统状态的监控；同时，动力电池数据、牵引系统设备信息及车辆状态数据通过TCMS 转发给ECU，ECU 根据自身控制策略及车辆控制指令，实现对燃料电池的启停控制和功率分配控制。

图1 智轨电车氢能源混合动力系统布置Fig. 1 Layout of the hydrogen hybrid power system in autonomous-rail rapid tram

图2 氢能源混合动力系统关联关系Fig.2 Association of hydrogen hybrid power system

智轨电车在燃料电池与动力电池的混合动力模式下，也需要满足基本牵引及电制动性能要求，如表1所示。

表1 智轨电车基本性能参数Tab.1 Basic performance parameters of autonomous-rail rapid tram

2 燃料电池系统

智轨电车目前使用的燃料电池系统包括电堆模块、散热器、隔离型DC/DC变换器、低压控制盒和管路阀件，其结构如图3所示。

图3 燃料电池系统结构Fig.3 Structure of fuel cell system

2.1 燃料电池

燃料电池是一种将化学能转化为电能的发电装置［6］。与动力电池相比，氢燃料电池不需要充电，只要供应氢气就能持续发电。氢气进入电堆的阳极后在催化剂作用下发生氧化反应，生成氢离子和电子，氢离子穿过质子交换膜，电子则通过外部电路流动到电堆的阴极，最终氢离子与氧气在阴极处反应生成水［7］，工作原理如图4 所示。氢燃料电池发电过程不受卡诺循环的限制，能量转换效率可达40% ～ 60%，排放产物主要为水和二氧化碳，对环境较为友好。

图4 氢燃料电池工作原理Fig.4 Working principle of hydrogen fuel cell

根据工作温度，常用燃料电池可分为高温型、中温型和低温型。高温型燃料电池的工作温度在500 ℃以上，其包括熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。中温型燃料电池为磷酸型燃料电池（PAFC），其工作温度范围为100 ～ 500 ℃。低温型燃料电池工作温度范围为25 ～ 100 ℃，其包括碱性燃料电池（AFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）［8］。根据实际工作环境，智轨电车选择低温型燃料电池。由于碱性燃料电池氧化剂需要纯氧来保证其输出性能，一般很少用于陆上交通领域，而PEMFC可选取空气作为氧化剂，且具有较高的功率密度，因此智轨电车选用PEMFC作为能量来源。

2.2 燃料电池系统功能

隔离型DC/DC变换器将电堆发出的电能有效、稳定地输送到车辆直流母线并维持整个燃料电池系统的辅助零部件正常运转，空气压缩机、水泵和散热风扇等所需的功率电源均由系统内部通过相关电源转换模块供电；低压系统通过电气箱配电，给散热器、传感器、继电器、控制器及各种阀类供电，维持整个燃料电池系统的正常运行以及各部件之间的联系。系统需具备以下功能：

（1） 控制功能。燃料电池通过内部控制器与外部ECU 进行通信和控制交互，实现燃料电池启停、功率响应和状态监测等功能。

（2） 绝缘检测功能。在电堆与DC/DC 变换器的高压输入端设置绝缘监测装置，以实时检测燃料电池系统内部正、负极与壳体之间的绝缘电阻并将相关数据发送给车辆TCMS。

（3） 气体过滤功能。对进入电堆的氢气和空气能进行物理及化学过滤，以防止其对燃料电池电堆产生污染。

（4） 散热功能。保证电堆及中冷器持续工作在指定温度，同时通过中冷器降低经空压机压缩后空气的温度，使得进入电堆的空气处在指定温度区间。

（5） 保护功能。内部电气设备具备对过载、短路、过温及接地等的保护功能，燃料电池具有对超压、欠压和过温等的保护功能。

3 动力电池系统

磷酸铁锂动力电池系统包括动力电池包、高压箱及电池管理系统（battery management system，BMS），其基本拓扑结构如图5 所示。系统共包含3 条电池支路，每条支路配备4个电池包，支路通过高压箱并联后与整车直流母线相连，为整车负载供电。燃料电池也可通过高压箱对动力电池进行充电。电池管理系统的主要功能是监控电芯电压及温度，检测电池系统充放电电流和系统总电压，估测电池系统荷电状态（state of charge，SOC）和健康状态（state of health，SOH），并实时反馈故障信息给整车。

图5 动力电池系统基本拓扑Fig.5 Basic topology of power battery system

3.1 动力电池

动力电池采用功率型电池，能够满足标准GB/T 31467.3—2015 的高安全要求，在保证较高比功率、长寿命和快速充放电特性的同时，也具备较高的比能量。BMS具备电池单体电压和温度的检测、电池组SOC和SOH 的估测、电池均衡及故障分析和在线报警等功能。

3.2 储氢系统

车辆配置了2 套储氢系统，每套高压储氢系统主要由高压储氢瓶、瓶阀、减压阀和泄放阀等零部件组成。储氢系统在接收燃料电池开阀指令后，打开瓶阀与减压阀，为燃料电池提供一定压力范围的氢气，其接口位置如图6所示。

图6 储氢系统接口Fig.6 Interface of hydrogen storage system

储氢系统根据燃料电池的工作需求控制减压阀和瓶阀，监测储氢系统压力、温度和氢气剩余量。系统兼容35 MPa 和70 MPa 两种压力等级的氢气加注，通过氢气过滤器实现对物理颗粒与气体杂质的过滤，以确保氢气的纯净度。

4 氢能源混合动力系统控制策略设计

智轨电车在牵引工况下，其燃料电池与动力电池同时为整车牵引系统及辅助电源系统进行供电；在制动工况下，优先响应电制动，电制动功率不足的部分，通过制动系统进行气制动补充。对于混合能量源的系统，为了充分发挥各自系统的优点，需要综合各能量源的特点制定一套合适的控制方案，而能量管理策略（energy management strategy， EMS）就是实现整车能量控制的关键技术。

4.1 方案选择

目前，EMS主要分为基于优化的能量管理策略和基于规则的能量管理策略［9］，图7 示出目前几种主要的能量控制策略。

图7 能量管理策略分类Fig.7 Classification of energy management strategies

基于优化的EMS 主要是通过动态规划来优化控制全局问题的最优解［10］，可以选取动力系统能量效率、经济性能和动力性能作为优化的指标，以混合动力系统各个设备性能参数为边界条件，在车辆工况提前获知的情况下求出全局最优的能量管理策略［11］。全局优化方案需要提前知道车辆在整个工况下的运行状态，其优化过程极为复杂，受道路情况和驾驶习惯影响较大，能量管理稳定性无法得到保障；而智轨电车在非专有路权下的车况是很难预测的，因此基于全局优化的能量控制方案在现实中较难实现。

基于规则的EMS 是按照预先设定的规则和逻辑来进行能量优化分配的策略［12］，其根据整车的功率需求和电池的荷电状态等信息来控制氢能源动力系统的工作模式。该方案具有稳定性好、可靠性强和适用场景广等优点。因此，本文选择基于规则的EMS 作为氢能源混合动力系统控制策略。

4.2 方案特点

具体控制方案应具备以下特点：

（1） 根据动力电池的SOC 和允许的充、放电电流大小来制定燃料电池的能量输出规则，同时兼顾整车的功率需求和能量需求，避免出现因过度充电或过度放电而造成的动力电池寿命缩短现象。

（2） 利用动力电池的制动能量回收功能将制动时产生的能量存储在动力电池中，减少因气制动的频繁介入而导致制动系统过热，最大化地吸收电制动产生的能量，从而提高能量利用率［13］。

（3） 根据智轨电车的整车功率需求，合理分配燃料电池系统的输出功率，确保在整个行程中都有足够的能量支持，即使在两套储氢系统氢气耗尽的情况下，动力电池依然有能量维持智轨电车正常运行。

（4） 避免燃料电池频繁启停。

4.3 控制策略

考虑智轨电车实际运行中可能存在的牵引与制动频繁切换的工况，采用给定规则的能量管理控制策略。由于燃料电池的输出功率无法做到与动力电池一样的实时响应［14］，因此在尽量发挥车辆最大电制动能力的前提下，通过对动力电池不同SOC区间的判断来控制两套燃料电池系统的输出功率。ECU控制燃料电池的启动和关闭，在燃料电池加载和减载斜率要求范围内，根据整车功率需求，控制燃料电池的能量输出。

根据图8所示动力电池在不同温度下的充放电性能，智轨电车使用动力电池SOC 最佳性能区间为20% ～ 80%，发挥最大电制动能力下最佳SOC 控制区间为20% ～ 70%。考虑燃料电池启动进入怠速功率区需要向整车提供一定的功率输出，当SOC不大于10%时，燃料电池处于关机状态且不会启机（此时燃料电池不进入能量控制模式）；当SOC大于10%时，燃料电池进入能量控制模式。两台燃料电池执行相同控制策略，燃料电池运行功率不超过100 kW，锂电池电压在500 ～ 700 V 之间变化；在车辆运行期间，燃料电池与锂电池存在多种工作模式。

图8 动力电池充放电性能Fig.8 Charging and discharging performance of power battery

根据图2所示系统拓扑结构，假设PDC为燃料电池DC/DC 输出功率，VDC为燃料电池DC/DC 输出电压，IDC为燃料电池DC/DC 输出电流；Pm为牵引逆变器直流侧功率，Vm为输入电压，Im为输入电流。当Pm＞0、Vm＞0、Im＞0时，车辆处于牵引状态；当Pm＜0、Vm＞0、Im＜0时，车辆处于制动能量回收状态。

假设Pbat为动力电池的功率，Pbatmax为动力电池的功率限值，Vbat为动力电池的电压，Ibat为动力电池的电流，Ibatmax为动力电池最大允许充放电电流。当Pbat＞ 0、Vbat＞ 0、Ibat＞ 0时，动力电池处于放电状态；当Pbat＜ 0、Vbat＞ 0、Ibat＜ 0 时，动力电池处于充电状态。

针对控制方案需要具备的特点及以上对车辆运行状态的判断，本文提出控制目标为“保障车辆续航里程”。当燃料电池输出功率较低时，锂电池提供差值功率来保证车辆功率需求，并回收电制动能量；在车辆运行过程中，同时考虑锂电池SOC工作在最佳充放电性能区间内，因此在车辆需求功率Preq和燃料电池最大功率PFCmax之外，还要考虑锂电池SOC 是否工作在最佳区间内。基于此，本文制定的控制规则如图9 所示，其中，SOCmax和SOCmin分别为锂电池工作区间荷电状态的上限和下限。

图9 智轨电车氢系统控制策略流程Fig.9 Control strategy process of hydrogen hybrid power system for autonomous-rail rapid tram

车辆输入高压时，ECU 首先判断车辆动力电池SOC所处区间，然后向两台燃料电池发送所处SOC区间对应功率值，燃料电池进入恒功率运行。当SOC 出现上升趋势时，ECU会根据回差设置区间与SOC区间综合判断车辆是否进入相应的低功率输出区间，并适当降低燃料电池功率输出；同理，当SOC 出现下降趋势时，ECU会根据回差设置区间与SOC区间综合判断车辆是否进入相应的高功率输出区间，并适当提高燃料电池功率输出。

5 测试验证

为验证所提控制策略对动力电池SOC 的控制效果，本文参考工业和信息化部装备工业发展中心于2021 年发布的《燃料电池汽车测试规范》及相关测试标准，对氢能源智轨电车开展了车辆储氢系统控制策略响应试验以及车辆续航试验。将两端储氢系统加氢至30 MPa，锂电池处于满电状态，利用多普勒雷达传感器采集车辆速度曲线，通过得到位移曲线，从而计算车辆续驶里程。整车外观如图10 所示。由氢系统试验曲线（图11）可以看出，车辆启动时，锂电池SOC 为40%左右，两套燃料电池系统同时启动，以70 kW功率运行；保持该功率直至SOC 为50%时，燃料电池降功至45 kW；SOC继续上升至65%时，燃料电池继续降功至30 kW；之后，SOC 趋于稳定并保持在70%左右。该试验说明燃料电池功率分配满足ECU控制策略，燃料电池能够根据整车需求以及SOC状态进行调整。

图10 氢燃料电池混合动力智轨电车Fig.10 Hydrogen hybrid power autonomous-rail rapid tram

图11 氢系统试验曲线Fig.11 Test curves of hydrogen power system

在续航试验中，将两端储氢系统氢气加至30 MPa。图12 示出续航试验曲线。可以看出，开始时动力电池SOC为65%，两端燃料电池以30 kW功率运行，此后智轨电车在道路上平稳运行6.5 h；当储氢系统氢气压力低于3 MPa时，减压阀关闭并向燃料电池发送关机指令，燃料电池进入吹扫模式并关机。可以看出，在此车辆运行区间内，燃料电池能够根据SOC变化进行功率响应，在车辆运行过程中SOC基本维持在50% ～ 70%范围内。最终车辆运行结果显示，在AW0载荷下车辆达到322 km续航，平均氢能消耗约11.9 kg/100 km；AW3载荷下车辆达到258 km续航，平均氢能消耗约13.6 kg/100 km，符合设计预期要求。

图12 车辆续航试验曲线Fig.12 Curves of vehicle endurance test

6 结束语

智能轨道快运系统作为城市轨道交通中低运量的新制式，已经在株洲、宜宾等地进入了载客运营阶段［15］。多种储能方式也为智轨电车的运行提供了不同的选择。本文根据智轨电车运营特点，结合燃料电池与锂电池的工作特性，提出了一套适用于智轨电车的氢能源混合动力系统方案，并对系统拓扑结构、能量控制方案进行了详细分析。试验结果表明，该方案能够满足智轨电车总体运行要求。随着能量控制方案的不断优化以及燃料电池性能的提升，后续将在保证车辆功率需求和续航里程的前提下，进一步提高储氢系统的可靠性和经济性。