燃料電池客車的能量分配管理策略

田建國， 翁福建， 李 陽， 劉忠明， 高順來

(中通客車控股股份有限公司， 山東 聊城 252000)

目前在氫電混合燃料電池商用車領域，受制于燃料電池發動機價格昂貴、體積功率密度低，且鋰電池電量也較低等因素,為了盡可能提高整車性價比，整車廠匹配的燃料電池額定功率偏小，最多達到驅動電機額定功率的一半。整車廠在制定能量分配管理策略時，都會側重于經濟性。這樣會造成車輛在大負荷行駛時，鋰電池電量消耗的速率遠遠大于氫氣消耗的速率，鋰電池SOC接近放電末端，而氫氣SOC還很多。此時就需要將車停在道路上合適位置，由氫燃料電池向鋰電池補電一段時間后才能繼續行駛。而停車的這一段時間就非常容易發生交通事故。本文基于我司某燃料電池客車項目，針對燃料電池系統發電功率，建立運動模式和經濟模式兩種能量分配管理策略，運動模式(增大燃料電池發電功率)延長大負荷運行時間，緩解大負荷行駛停車補電的問題；經濟模式(燃料電池氫氣利用率最佳)適用城區中低負荷工況[1-3]。

1 氫燃料電池車氫電混合動力結構

目前氫燃料電池車主要為氫燃料電池發動機+鋰電池的電電混合動力結構[4-7]，如圖1所示。其中燃料電池發動機提供車輛行駛的基本功率，鋰電池在加速、起步等大負荷中起輔助動力作用，同時進行再生制動能量的回收。

圖1 燃料電池車動力系統架構

根據目前主流市場，燃料電池發動機有要求恒功率輸出的，有支持跟隨負載功率突變的；再結合鋰電池電量大小，可將燃料電池車輛分為4種類型，見表1。

表1 動力電池電量與燃料電堆功率跟隨性組合

表1中，匹配A類型的整車成本最低，性價比最高；D類型次之，B類和C類不采用。

公司某兩款7 m燃料電池客車，設計最高車速都為90 km/h，燃料電池發動機額定功率都為30 kW，驅動電機額定/峰值功率分別都為60 kW/120 kW。其大負荷(車速87 km/h高速)運行時間統計見表2。其中甲車型(對應表1中A類)鋰電池電量是乙車型(對應表1中的D類)的42%，但其高速大負荷運行時間是乙車型的66.7%。由此可見，功率跟隨性好的燃料電堆能更好地延長大負荷運行時間。

2 兩種能量分配策略模式

2.1 電電混合動力能量分配原則

混動模式下，燃料電池通過對輸出功率的改變，實現對電池SOC的控制。影響燃料電池輸出功率主要有車速、鋰電池SOC、整車需求功率、功率限制等因素[8-10]。能量分配基本的原則：

1) 依據電池SOC和整車需求功率(包括電機和其他用電附件)，通過模糊控制策略，計算出為保持SOC平衡設置的當前燃料電池輸出功率的初值。

2) 通過負荷因素修正，得出不同負荷修正后的燃料電池輸出功率值。

3) 比較鋰電池當前最大允許的充電功率和燃料電池最大輸出功率，得到限制后的燃料電池輸出功率值。

4) 根據計算前面3項估算的結果輸出燃料電池功率，最終目標使鋰電池SOC的平衡點在50%～60%。

5) 對于經濟模式和運動模式氫燃料發動機的開、關機時機不同，且其功率隨負荷變化不同。

6) 經濟模式以提高氫氣利用率為最終目標；運動模式通過增大燃料電池發電功率，以最大限度延長大負荷運行時間、解決停車補電問題為目標。

大負荷行駛時，整車保持S擋位，電堆最大發電功率依然小于整車消耗功率，鋰電池SOC下降速度大于氫氣SOC下降速度；當鋰電池SOC較低時，VCU按照線性關系降低行駛負荷(最高行駛車速)，維持電堆發電功率和整車消耗功率平衡，使鋰電池SOC恒定在25%左右，避免停車補電。

目前燃料電池客車的燃料電堆額定發電功率一般在30～50 kW，驅動電機的額定功率一般在60～80 kW。因此，在大負荷行車時，不管哪種能量分配管理策略，都不能從根本上解決停車補電問題。本文設計的運動模式能量分配策略也只能緩解這個問題。

2.2 兩種能量分配策略的實現

中低負荷工況(如城郊、市區)運行時，駕駛員手動選擇D擋，匹配經濟運行能量分配策略，提高氫氣利用率，讓燃料電池經濟性效果最佳；大負荷工況(如以接近設計車速)運行，駕駛員手動選擇S擋，匹配運動模式能量分配策略，增大燃料電池發電功率，延長大負荷持續行駛時間。整車CAN網絡架構和VCU模式信號輸入如圖2所示。

圖2 整車CAN網絡架構和VCU模式信號輸入

當駕駛員掛S擋或D擋時，VCU收到相應擋位的高電平信號，VCU將執行運動模式或經濟運行模式能量分配策略，給FCU發送不同需求功率的請求，FCU輸出不同功率，以滿足使用要求[11-12]。

1) 對于表1中A類型組合，電堆發電功率隨整車需求功率的增加而增加。大負荷工況下，經濟模式和運動模式的能量分配最終效果不會差太多。

2) 對于表1中D類型組合，經濟運行模式能量分配制定的原則是：盡量避免燃料電池頻繁啟停和發電功率隨負載變化，使電堆在高效區恒功率工作；運動模式能量分配原則是[2]：電堆開機的鋰電池SOC值提高，開機后電堆功率盡可能大。

基于公司某燃料電池客車設計最高車速為90 km/h，燃料電池系統額定功率41 kW(電堆允許恒功率輸出)，電機額定功率60 kW，鋰電池電量62 kWh，屬于D類型。分別制定兩種能量分配策略：市區行車時，掛D擋，按照經濟模式能量策略分配；大負荷行車時，掛S擋，按照運動模式能量策略分配，分別如圖3和圖4所示。

圖3 經濟運行模式能量分配策略

圖4 運動模式能量分配策略

圖3中，①當鋰電池SOC≤70%時，電堆開機；當鋰電池SOC≥90%時，電堆關機；②當鋰電池SOC由高到低時，電堆按照下面4個區間段執行發電功率:60%

圖4中，①當鋰電池SOC≤85%時，電堆開機；當鋰電池SOC≥95%時，電堆關機；②當鋰電池SOC由高到低時，電堆按照下面3個區間段執行發電功率：85%60 km/h且持續時間60 s時，41 kW；SOC≤60%時，41 kW；③當鋰電池SOC由低到高時，電堆按照下面4個區間段執行發電功率：SOC≥65%時，默認為24 kW，但當檢測到車速>60 km/h且持續時間60 s時，41 kW；SOC≥87%時，16 kW；SOC≥92%時，8 kW；SOC≥95%時，0 kW,即電堆關機。

從圖4可以明顯看出，S擋比D擋下的燃料電池功率提升得早、快；并且當車速在60 km/h以上時，電堆便達到最大功率，從而延長大負荷行駛時間，減少停車充電的概率。

在大負荷(高速87 km/h)行駛工況時，測試兩種能量分配模式的運行時間，最終測試結果見表3。

表3 大負荷(高速87 km/h)工況兩種模式運行時間測試結果

從表3可以得到，延長里程87 km，延長時間比例57.5%。

3 結束語

對于燃料電池發電恒功率的車型，建立運動模式和經濟模式兩種能量分配管理策略，運動模式延長大負荷運行時間。大負荷路況下，運動模式與經濟模式相比，延長行駛時間的比例達到57.5%，緩解大負荷行駛停車補電的問題。經濟模式適用城區中低負荷工況。此技術已在2019年生產的燃料電池車輛批量應用。文章中控制策略數據是基于公司某一款車型實際設計的。針對不同車輛狀態，會有差異。本文只介紹一種方法、一種策略。這種策略能較好地解決停車補電這個問題。