氫燃料電池物流車整車控制策略研究

高順來， 李 陽， 田建國， 翁福建， 劉忠明

（聊城中通輕型客車有限公司， 山東 聊城252000）

氫燃料電池是一種將氫氣作為燃料，通過電解水的逆反應將化學能轉化為電能的燃料電池。隨著國家對氫燃料電池［1］技術的大力投入，以氫氣作為汽車新燃料成為目前新一代汽車行業的趨勢，氫燃料電池以高效、節能、環保、低噪音等明顯優勢［2］逐步受到國內外汽車行業的關注。

基于氫燃料電池汽車固有特性，對某款9噸氫燃料電池物流車進行研究。本方案整車采用燃料電池系統與動力電池組成的混合動力作為動力源，額定60kW，峰值120kW兩擋電機，錳酸鋰動力電池系統。能量管理控制策略設計總原則：①在不影響整車行駛安全的情況下，盡量避免燃料電池頻繁啟停和燃料電池負載突變，以延長燃料電池使用壽命；②燃料電池啟動后工作在高效區，最大限度增加整車續航里程。針對此車配置對其整車上下電流程、能量分配策略等進行研究。

1 整車動力總成

以燃料電池發動機為動力的混合動力［3-4］車輛組合方式有很多，本次設計是以燃料電池與動力電池并聯方式設計的混合動力氫燃料電池物流車，如圖1所示，動力電池與燃料電池發動機共同作為動力源為電機提供驅動能量［5］，燃料電池發動機輸出電壓150～300V，由于輸出電壓平臺比較低，則需要通過大功率DCDC模塊將低電壓轉換為高電壓直流電，然后通過高壓配電盒輸送到電機控制器，電機控制器將直流電轉換為三相交流電輸送到驅動電機。動力電池系統既可作為整車的動力源，也可作為燃料電池剩余能量存儲和整車制動能量回收的載體。整車控制器作為整車系統控制、駕駛行為信息收集以及能量分配的大腦，通過收集整車駕駛行為信息（如：制動踏板信號、油門踏板深度信號） 對燃料電池及動力電池動力源進行能量分配，進而驅動電機，達到整車高效、節能的設計目的。

圖1 9噸氫燃料電池物流車動力總成

2 整車控制策略

2.1 整車上下電流程

氫燃料電池關機特性：氫燃料電池停機時，電堆內部需要進行吹掃［6］，排空電堆內部的水和未反應的氣體，避免氫燃料電池內部反應產生的水聚積導致出現水淹情況，影響電堆反應效率，損壞氫燃料電池性能和壽命，因此針對此特性制定上下電流程圖（圖2），保證整個氫燃料系統平穩下電。

圖2 上下電流程圖

2.1.1 上電關鍵控制策略

整車控制器作為整車控制中樞，需要控制整個上下電流程完整性和安全性。當鑰匙打到ON擋，整車控制器ON擋喚醒后，整車控制器控制喚醒電池管理系統、電機控制器、燃料電池控制器，各控制模塊喚醒后無故障，電池管理系統控制閉合主負接觸器，整車收到START信號后，整車控制器發送上電指令并控制完成高壓上電，整車高壓上電完成。如此時整車處于純電模式，氫燃料系統不開啟電堆，只有動力電池作為動力源。如此時整車處于混動模式，達到電堆開啟條件后，整車控制器發送開機指令，燃料電池開始工作，逐漸加載至整車需求功率。

2.1.2 下電關鍵控制策略

鑰匙由ON擋打到OFF擋時，整車控制器ON擋信號丟失，整車進入下電流程，整車控制器依然保持電池管理系統［7-8］、電機控制器［9］，燃料電池控制器喚醒電源不丟失并發送下電指令，整車控制器待電機控制器快速放電完成后，斷開電機控制器喚醒電源，電機控制器進入休眠狀態。氫燃料電池系統則進行降載，當電堆功率降到0kW后進行掃吹，掃吹時間因環境溫度不同而掃吹時間不同，最長時間不超過20min。在整個掃吹過程中不僅高壓回路不可斷開，整個低壓回路也不能斷開，因此做了如圖3中設計原理，整車控制器可延長休眠時間，待氫系統關機后，斷開氫系統繼電器和燃料電池系統喚醒電源，請求電池管理系統斷開總負繼電器，最后斷開電池管理系統喚醒電源，整車控制器進入休眠狀態，整車下電完成。

圖3 各系統低壓供電原理

2.2 整車能量分配策略

車輛在動態過程中，燃料電池發動機的動態響應與蓄電池的動態響應需要仔細考慮，以達到最優混合動力系統的控制效果。動力電池SOC在動態過程中瞬時不會存在過大的變化，并且可以響應較大瞬時功率。而燃料電池發動機通過氫氣和空氣在質子交換膜表面發生化學反應產生電能，氫氣通過減壓閥到達燃料電池發動機，穩定輸入氫氣壓力，空氣通過空壓機、加濕器等進入燃料電池發動機。在加載過程中，燃料電池發動機內部化學反應和空壓機動態特性反應速率存在滯后情況，因此基于以上情況，對燃料電池物流車能量分配策略如下。

1） 車輛起動，整車上高壓，整車處于混動模式下，當動力電池SOC低于設定值時，整車控制器發送開機指令，氫燃料電池系統開始工作。

2） 行車過程中，動力電池SOC處于0%～90%之間時，整車控制器根據當前動力電池SOC值及氫燃料電池系統可輸出功率進行功率請求，動力電池SOC越低，整車控制器請求功率越大，動力電池SOC越高，整車控制器請求功率越小。在不同SOC區間，燃料電池輸出穩定功率作為整車的主動力源，當整車動力性瞬時需求功率大于燃料電池輸出功率時，動力電池對功率需求進行彌補。當整車功率需求小，燃料電池輸出功率大于整車動力需求功率時，動力電池作為儲能裝置對燃料電池剩余功率進行能量回收。

3） 行車過程中，整車處于混動模式下，動力電池SOC等于90%時， 整車控制器下發關機指令至燃料電池控制器，燃料電池系統開始進行降載停機吹掃。

4） 車輛靜止過程中，整車處于混動模式下，因動力電池容量小，為避免動力電池出現過充情況，降低整車控制器請求功率，使請求功率與動力電池允許持續充電功率達到平衡。

3 路試實驗結果

實車實驗過程中，選擇同樣的車型、同樣的載荷和同樣的路試條件下進行路試。本文選取的實驗結果來自實車采集數據，采集數據前，提前編寫好DBC文件如圖4所示，通過CANalyzer軟件進行數據分析，對混動模式下車輛靜止、車速在35～60km/h之間，不同SOC段整車控制器對功率請求進行驗證。

圖4 整車DBC文件

圖5顯示了整車能量分配實驗路試結果，橫坐標為時間（每1000s為一個周期），縱坐標分別為動力電池SOC (0-100%)，燃料電池輸出電流 （A），燃料電池輸出電壓(V)，整車控制器請求功率(kW），整車車速 （kW/h）。在混動模式下，車輛由靜止到車速在35～60kW/h區間內行駛，SOC初始值為61%，車輛車速為0kW/h狀態下，整車控制器請求功率為15kW，燃料電池輸出電壓為216V，燃料電池輸出電流為70A，燃料電池功率約15.1kW，滿足整車靜止狀態下整車控制器功率請求。時間為815～850s時，車輛由靜止狀態轉為動態，隨著車速的上升，整車控制器請求燃料電池輸出功率由15kW上升至30kW，燃料電池輸出電壓由216V減小至200V，電流由70A逐漸增大至150A，燃料電池輸出功率為30kW，滿足整車行駛過程中整車控制器功率請求。在行駛過程中，因為燃料電池輸出功率大于整車需求功率，因此整個行駛過程中，動力電池SOC呈逐漸上升趨勢，在下個時間周期的90s時，動力電池SOC上升到65%，整車控制器請求燃料電池輸出功率由30kW降低至20kW，燃料電池輸出電壓由200V上升至225V，燃料電池輸出電流由150A降至90A，燃料電池輸出功率20.25kW，滿足整車隨著動力電池SOC上升整車控制器降低功率請求。整個行駛過程直至動力電池SOC為70%時車輛停止。

在整個過程中，車速在35～60kW/h區間，燃料電池輸出功率為20kW和30kW，動力電池SOC緩慢上升，滿足9噸氫燃料物流車城市路況運輸，符合整車設計要求。

圖5 路試結果

4 結束語

通過對9噸氫燃料電池物流車上下電流程設計、燃料電池能量分配策略測試及批量訂單車進行實車驗證，避免了燃料電池內部反應產生的水聚積和功率頻繁變化，有效保護了燃料電池發動機，并兼顧了動力電池組功能。該策略目前已在批量車上運行，目前市場累計運行約360萬公里，為后續優化提升工作提供了有力數據支撐。