劉德成 賓洋 羅文廣 王召杰

摘? ?要：高效、純凈的氫燃料電池新能源巴士是近年來汽車領(lǐng)域中的熱點.結(jié)合城際/城市巴士的道路交通工況和工程實際需求，本文研發(fā)了一種30 kW的氫燃料電池與動力電池并聯(lián)式的電電混合動力系統(tǒng).該系統(tǒng)綜合分析了多種電氣拓撲架構(gòu)組合的優(yōu)劣勢，依據(jù)理論計算和現(xiàn)有資源選擇了各子系統(tǒng)相互匹配的參數(shù)，同時開發(fā)了該系統(tǒng)的測控軟件.在此基礎(chǔ)上，使用電流可調(diào)節(jié)的升壓DC/DC變換器設(shè)計了功率分配控制器，實現(xiàn)了氫燃料電池輸出功率連續(xù)可調(diào)節(jié)的功能.最后搭建了該系統(tǒng)的全尺寸試驗臺架進行部分試驗，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足實際功能需求.

關(guān)鍵詞：氫燃料電池;混合動力系統(tǒng);功率分配控制器;試驗臺架

中圖分類號：U469.72;TM911.42? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.014

0? ? 引言

由于化石燃料（礦石燃料）消費量的不斷增加，現(xiàn)有的儲量正在下降，資源終會耗盡.在常規(guī)能源危機和新的二次能源開發(fā)之后，氫氣是一種新的二次能源.相比較于資源有限，污染環(huán)境的傳統(tǒng)化石燃料，氫燃料更高效、更清潔，其在地球上的主要存在形式化合物水，資源比較豐富. 用清潔的太陽能、風能等將水電解轉(zhuǎn)為氫，可將這些能源產(chǎn)生的電以氫的形式方便地儲存與應(yīng)用，替代電能的存儲裝置，發(fā)揮較好的經(jīng)濟效益.

燃料電池的發(fā)電過程是通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能.單元電池由兩個正極和負極（燃料電極，氧化劑電極）和電解質(zhì)組成.在電解質(zhì)膜的兩側(cè)發(fā)生氫化反應(yīng)和氧還原反應(yīng)，并且電子通過外部電路工作以產(chǎn)生電能.只要連續(xù)輸入燃料和氧化劑（純氧或空氣），燃料電池就連續(xù)產(chǎn)生電能，因此，燃料電池具有電池和熱機的特性，具有高能量轉(zhuǎn)換效率、無環(huán)境污染物排放、低溫快速啟動、低振動和噪音水平等特性.氫燃料電池的燃料是氫和氧.因此，氫燃料電池電動汽車是真正的零排放，零污染的清潔能源汽車，氫燃料是相對較好的汽車新能源.

近年來，許多研究機構(gòu)、汽車企業(yè)、高等院校等對燃料電池相關(guān)技術(shù)的巨大投入，在絕大多數(shù)零部件成功突破瓶頸，促進了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，燃料電池的成本逐漸降低.同時，國家在政策層面上推出了“十三五”規(guī)劃、“燃料電池汽車技術(shù)發(fā)展路線圖”等多個鼓勵支持政策，也促進了社會對能源革命的轉(zhuǎn)型升級.在氫燃料電池客車方面，過去幾年來，宇通、中通[1]、東方電氣[2]、中興智能、福田歐輝、金龍[3]等整車廠商也相繼推出了氫燃料電池客車.除了介紹設(shè)計方案外，中通客車還專注于分析燃料電池客車的上電和下電策略.文獻[3]介紹了氫燃料電池的電源方案，并進行了系統(tǒng)仿真測試.

根據(jù)目前燃料電池技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，結(jié)合實際業(yè)務(wù)需求，我們基于城際/城市巴士汽車平臺，開發(fā)了30 kW氫燃料電池+電池并聯(lián)弱混合動力系統(tǒng).混合動力系統(tǒng)的關(guān)鍵點在于多能源系統(tǒng)參數(shù)的適配性，既要保證系統(tǒng)的功能性，又要使得系統(tǒng)得到優(yōu)化.在需要參數(shù)匹配合適的同時，也需要能量的管理策略得到改

進和優(yōu)化.因此，考慮汽車運行過程中交通工況，研究各設(shè)備的參數(shù)，設(shè)計了項目的最佳匹配方案.并在全尺寸試驗臺上進行了相應(yīng)的試驗，得到了良好的試驗結(jié)果.

1? ? 混合動力系統(tǒng)設(shè)計

混合動力汽車是指將兩個或者兩個以上能夠各自運作的單個能源系統(tǒng)聯(lián)合在一起，為汽車驅(qū)動系統(tǒng)提供動力的車輛.一般意義上的混合動力汽車指的是傳統(tǒng)的汽、柴油和電力構(gòu)成的油電混合電動汽車.在目前的氫燃料電池電動汽車中，經(jīng)常選擇某種適用性、穩(wěn)定性較好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其一般組成是氫燃料電池+DC/DC直流變換器與輔助動力電池并聯(lián)構(gòu)成，輔助動力電池主要是普通的鉛酸、鎳氫、鋰離子電池或者超級電容器等，這種新系統(tǒng)被稱作氫燃料電池電動汽車的電電混合動力系統(tǒng).輔助儲能電池或超級電容器與燃料電池形成混合燃料電池車輛，可以一定程度上提高燃料電池輸出功率的效率，以及提高整個車輛的動態(tài)性能和經(jīng)濟效益.燃料電池多能源電電混合動力汽車的動力匹配研究是一個新工程應(yīng)用，優(yōu)秀的匹配設(shè)計，為多能源電力系統(tǒng)的最佳工作條件和車輛行駛狀況適應(yīng)性的問題提供了良好的解決方案.根據(jù)氫燃料電池電動汽車的工程要求和實際情況，綜合考慮和分析了混合動力系統(tǒng)各種設(shè)備的參數(shù)，如燃料電池的類型、功率的大小、VI曲線;電機的容量、額定功率、額定電壓、峰值速度等.

1.1? 系統(tǒng)電氣拓撲架構(gòu)

依據(jù)汽車能源供應(yīng)系統(tǒng)的不同組合，燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)目前有4種組合的構(gòu)型[4]，如圖1所示.本研究基于氫燃料電池的特性和公交巴士的運行工況特點，從動力性能、續(xù)駛里程、制動能量回收、燃料電池壽命、動態(tài)響應(yīng)、系統(tǒng)復(fù)雜度、經(jīng)濟效應(yīng)幾個方面對4種構(gòu)型進行了對比分析，結(jié)果見表1.

方案1和方案2是以燃料電池作為唯一的能量源，這就要求燃料電池能夠獨自滿足整車功率的需求，由于燃料電池本身功率密度較低，會導(dǎo)致整車動力性弱、燃料電池壽命短、整車啟動速度慢等問題，且無法實現(xiàn)制動能量回收功能，整車續(xù)駛里程相對較短.方案3以燃料電池和動力電池作為能量源，通過DC/DC調(diào)節(jié)動力電池電壓以跟蹤燃料電池電壓變化，由燃料電池的工作特性可知，其電壓隨負載變化大且不穩(wěn)，這會導(dǎo)致燃料電池壽命較短.

方案4也以燃料電池和動力電池作為能量源，通過DC/DC調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)動機輸出電壓，以跟蹤動力電池電壓，通過燃料電池與動力電池的組合共同滿足整車功率需求，因此整車啟動速度快、動力性強，可實現(xiàn)制動能量回收功能，續(xù)駛里程長，燃料電池可穩(wěn)定工作在中負荷區(qū)域，燃料電池壽命增長，同時該方案可減少燃料電池需求功率，從而降低整車成本，更易實現(xiàn)商業(yè)化.因此本研究選用方案4.

依據(jù)方案4，設(shè)計了氫燃料電池電動汽車的動力系統(tǒng)，如圖2所示.該系統(tǒng)主要包括氫燃料電池系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、電機電控系統(tǒng)、以及其他設(shè)備.氫燃料電池系統(tǒng)中，由位于車頂?shù)膬湎到y(tǒng)供給的高純度99.999%氫氣，進入燃料電池，在通過燃料電池控制器控制氧氣的攝入和系統(tǒng)的溫度水平，從而產(chǎn)生電力.在經(jīng)過預(yù)充電路，流經(jīng)升壓DC/DC，連接到高壓配電盒.在動力電池系統(tǒng)中，4個蓄電池串聯(lián)構(gòu)成了高壓大容量的動力蓄電池，經(jīng)過電池管理系統(tǒng)（BMS）和預(yù)充電路后，接入高壓配電盒.車載輔助電源系統(tǒng)從配電盒取得高壓，經(jīng)降壓DC/DC實現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)低壓24 V的功能，為整車低壓系統(tǒng)提供24 V電源.動力系統(tǒng)還配備了電池的充電系統(tǒng)，為汽車提供緊急充電服務(wù).最后，高壓電力通過電機控制器將高壓直流轉(zhuǎn)為300～500 V的三相交流電，為永磁同步電機提供足夠的動力性能.

該系統(tǒng)由鋰離子動力電池和氫燃料電池混合構(gòu)成電電弱混合動力系統(tǒng)，將升壓DC/DC的輸出作為能量管理的對象，將氫燃料電池的輸出功率作為主動供給能源，可以通過優(yōu)化控制策略，能避免燃料電池輸出功率的大范圍波動.鋰離子動力電池作為隨動能源，依照驅(qū)動電機需求功率的變化自動輸出需要補償?shù)墓β?，對燃料電池及時起到‘去峰填谷’的作用.這樣的拓撲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可實現(xiàn)：最優(yōu)的燃料電池性能、保證鋰電池合理充放電、最優(yōu)的功率分配等優(yōu)點.

1.2? 系統(tǒng)參數(shù)匹配

根據(jù)燃料電池電動汽車匹配設(shè)計流程[5]，在闡明燃料電池電動車輛配置之后，燃料電池輸出功率和動力電池組輸出功率應(yīng)該合理地匹配表2中所示的車輛性能指標和當前資源可用性，它滿足車輛所需的動力穩(wěn)態(tài)分量（恒定行駛速度狀態(tài)）和動態(tài)分量（如起動和加速狀態(tài)），以確保車輛的動態(tài)性能[6].

1.2.1? ? 驅(qū)動電機參數(shù)[7]

1）峰值功率[Pm]和額定功率[Pe]

氫燃料電池電動公交巴士在最高車速時所需功率：

[Pm-umax=1η1η2mgf3 600νmax+CDA76 140ν3max]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中[g]為重力加速度，取[g=9.8ms2];傳動系效率[η1=0.92];電機電控效率[η2=0.96];f為滾阻系數(shù).

氫燃料電池客車以恒定速度，爬上一定坡度所需功率：

[Pm-imax=1η1η2mgf3 600νacosαmax+mg3 600νasinαmax+CDA76 140ν3a]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

依據(jù)性能指標，式中[νa]為爬坡速度，[νa=15 km/h]，最大爬坡度[tanαmax=18%].

氫燃料電池客車[9 s]加速到[30 km/h]所需功率：

[Pm-amax=1η1η2mgf3 600νacosαmax+CDA76 140ν3a+δm3 600·dudtνa]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[dudt]為客車的加速度;[δ]為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取[δ]=1.3.將參數(shù)代入，得出：

[Pm-umax=62.00 kW];[Pm-imax=147.97 kW];[Pm-amax=105.27 kW].? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

電動機是用于驅(qū)動燃料電池電動車輛的車輪的唯一機構(gòu)，整個車輛的驅(qū)動功率由電動機提供. 因此，驅(qū)動電機的峰值功率應(yīng)滿足燃料電池城市公交車的最大速度，最大坡度和加速度的要求[8].所以，驅(qū)動電機峰值功率選擇：

[Pm=Pm-imax=147.97 kW→150 kW].? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

其中電機的過載系數(shù)取為1.8，則計算電機的額定功率為：

[Pe=150/1.8=83.3 kW].? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

2）最高轉(zhuǎn)速[Nm]和額定轉(zhuǎn)速[Ne]

驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速[Nm]，應(yīng)該能夠滿足氫燃料電池客車在運行時的最高轉(zhuǎn)速的需求，即：

[Nm≥νmaxi00.377r=1 972 radmin→取整2 000 radmin].? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

考慮到燃料電池客車在市區(qū)行駛通常處于低速狀態(tài)，并且經(jīng)常伴有紅燈和綠燈，進出站的啟動停止狀態(tài)，因此驅(qū)動電機基速比的[β]選取應(yīng)保證其有較好能量轉(zhuǎn)換效率，選擇驅(qū)動電機基速比[β=2.5]，則驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速[Ne]為：

[Ne=Nmβ=800 radmin].? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

3）電機峰值轉(zhuǎn)矩[Tm]和額定轉(zhuǎn)矩[Te]

[Tm=mgfcosαmax+mgsinαmax+CDA/21.15i0η1η2·r=3 289 N?m];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

則驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)矩：

[Te=9 550PeNe=990 N?m]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

綜上，結(jié)合目前現(xiàn)有的資源以及經(jīng)濟效應(yīng)，選的電機主要參數(shù)為：峰值功率160 kW，額定功率80 kW，額定轉(zhuǎn)矩1 000 [N?m]，峰值轉(zhuǎn)速2 600 [rad]/min，額定轉(zhuǎn)速800 [rad]/min，峰值轉(zhuǎn)矩2 800 [N?m]，額定電壓380 V.

1.2.2? ? 供氫系統(tǒng)

就燃料電池電動汽車而言，如何將燃料供給車載燃料電池是其主要難題.至今，有3種車載儲氫方法：在環(huán)境溫度下，高壓儲存壓縮氫;低溫液氫儲存;金屬氫化物儲存法.本文選擇適于車用的高壓儲氫方法，儲氫罐體積可由下式求得：

[V=R?T?EHP?WH?HV].? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（11）

式中，[V]為儲氫容器容積[m3];P為儲氫壓力[Pa];[EH]為所需能量[k]J;[R]為氣體常數(shù);[T]為絕對溫度[K];[WH]為氫的分子量;[HV]為氫的熱值[MJ/kg].

1.2.3? ? 燃料電池電堆

燃料電池功率需要在考慮總成資源的前提下，根據(jù)最高車速確定.依據(jù)公式：

[Pfc≥Pm-umax=1η1η2mgf3 600νmax+CDA76 140ν3max→Pfc≥62 kW]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（12）

式中，[Pfc]即為燃料電池的輸出功率.結(jié)合項目實際狀況，選擇峰值功率為36 kW，額定功率為30 kW，效率為40%～45%的燃料電池電堆.

1.2.4? ? 動力電池

動力電池的功率一般按照電機的峰值功率與燃料電池的功率的差值進行選擇，并且需要考慮車載電器的使用容量，留有一定的余量.

[Pb=ψ（Pm-Pfc）]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（13）

式中，[ψ]為余量系數(shù)，Pb為電池所需功率，Pm為電機峰值功率，Pfc為燃料電池功率.在滿足以上條件以及空間大小、經(jīng)濟效益情況下，動力電池的容量越大越好.動力電池的峰值電流應(yīng)該滿足巴士最大功率輸出時所需的大小且需要持續(xù)一定時間.由于動力電池的技術(shù)原因，動力電池的選擇還應(yīng)該考慮到氫燃料電池巴士的應(yīng)用所在地的環(huán)境條件，避免因為環(huán)境原因，減少其壽命.動力電池最后需要選擇一個性能優(yōu)越、穩(wěn)定的BMS（電池管理系統(tǒng)）.

1.2.5? ? 關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)匹配結(jié)果

依據(jù)基本的動力學(xué)規(guī)則、項目實際狀況和現(xiàn)有資源總成的條件下，對氫燃料電池電動客車的關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)匹配結(jié)果如表3所示.

2? ?基于labview的測控系統(tǒng)開發(fā)

CAN總線是20世紀80年代初由德國BOSCH開發(fā)的串行多主總線通信協(xié)議，用于解決車輛控制系統(tǒng)和測試儀器之間的數(shù)據(jù)傳輸問題.CAN總線控制系統(tǒng)強調(diào)集成模塊化工作模式，可靠性高，抗干擾能力強.具有靈活的配置，良好的實時性能，強大的系統(tǒng)錯誤檢測能力和強大的隔離能力.同時，每個模塊可以獨立工作并介入模塊之間.目前CAN通信廣泛應(yīng)用于汽車通信網(wǎng)絡(luò)，已成為汽車電子通信的發(fā)展趨勢.

在本文中，測試系統(tǒng)軟件是基于labview系統(tǒng)開發(fā)的，用于臺架測試. NI LabVIEW是一種系統(tǒng)工程軟件，專為測試，測量和控制應(yīng)用而設(shè)計，可快速訪問硬件和數(shù)據(jù)信息. 有助于可視化應(yīng)用程序各個方面的圖形編程方法，包括硬件配置，測量數(shù)據(jù)和調(diào)試，已被工業(yè)界，學(xué)術(shù)界和研究實驗室廣泛采用.Labview將所有通信功能與符合GPIB，VXI，RS-232和RS-485協(xié)議的硬件和數(shù)據(jù)采集卡集成在一起. 它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數(shù). 這是一個功能強大且靈活的軟件.它可以用來輕松構(gòu)建自己的虛擬樂器，其圖形界面使編程和使用過程變得有趣和有趣.如圖3所示.

該測試系統(tǒng)的軟件構(gòu)成主要包括：CANbus底層控制、VCU控制指令、BMS監(jiān)測指令、4合1控制器指令、MCU和FCU的指令.測試系統(tǒng)硬件主要是用于巴士上的主要的氫燃料設(shè)備，其他設(shè)備進行了替換僅用于實驗.每個軟件模塊都能并行的處理數(shù)據(jù)，可以將處理的結(jié)果通過CAN 局域通訊網(wǎng)，將指令數(shù)據(jù)傳給接收方.測試系統(tǒng)為了更好的進行試驗，CAN線使用了雙絞屏蔽線，避免了因為EMC干擾，使得設(shè)備通訊錯誤或者丟幀.測試系統(tǒng)嚴格按照氫燃料電池上下電策略，進行了多次的實驗，為后期的整車試驗做好充足準備.

3?   燃料電池輸出功率連續(xù)可調(diào)節(jié)

氫燃料電池電堆一般由多個單片電池并聯(lián)或串聯(lián)組成，單片電壓約為1.2 V左右，為了滿足電堆的整體輸出功率以及保證電堆體積在一定范圍內(nèi)，電堆系統(tǒng)最終所構(gòu)成的輸出電壓一般較低.同時為了進一步提高永磁同步電機和電機控制器的轉(zhuǎn)換效率，電機控制器的輸入電壓存在一直往高壓方向發(fā)展的趨勢.因此為了協(xié)調(diào)燃料電池、電機控制器和電池的電壓關(guān)系，依據(jù)1.1中的方案4在燃料電池的輸出端添加了一個升壓DC/DC，升壓DC/DC的輸出電壓由電池電壓決定.在系統(tǒng)運行過程中，升壓DC/DC只需要控制其輸入或者輸出的電流來改變?nèi)剂想姵氐妮敵龉β?，從而DC/DC輸出電壓跟隨母線電壓即可.當氫燃料電池電動客車已一定功率行駛時，驅(qū)動電機在一定時間內(nèi)消耗一定的能量，若燃料電池的輸出功率得到改變控制，那么動力電池作為隨動系統(tǒng)也會做出相應(yīng)的改變，以滿足驅(qū)動電機的消耗.因此這樣就是實現(xiàn)了簡單地功率分配功能.為了深入研究功率分配問題，還需要考慮各個系統(tǒng)的效率轉(zhuǎn)換問題、系統(tǒng)的特性和運行的工況.

3.1? ?電流可控可限升壓DC/DC變換器

升壓DC/DC是一種能夠?qū)⒌蛪褐绷鬓D(zhuǎn)為高壓直流的單向能量變換器.DC/DC變換器主要包含了濾波電路設(shè)計，多個大功率、快反應(yīng)的開關(guān)MOSFET管的選型，儲能電感、控制電路，輔助電源設(shè)計等[9].? ? ?DC/DC有電壓控制、電流控制兩種方式，在大多數(shù)場合，一般使用電壓控制去保證輸出電壓的穩(wěn)定性.但是，在1.1方案中，DC/DC輸出端并聯(lián)連接了動力電池，不需要維持輸出電壓的穩(wěn)定性，因此，在這種應(yīng)用下，DC/DC需要選擇電流型的控制方式.

DC/DC電流型的控制方式也分為輸入端電流控制、輸出端電流控制.若方案4選擇輸出端電流控制，則在母線電壓不變情況下，可以確定氫燃料電池+DC/DC的輸出功率大小.由于輸出電壓為高壓，輸出電流范圍為0～50 A，范圍精度小，若控制精度不夠，則會造成燃料電池輸出端的波動較大，燃料電池電堆的單片電壓不穩(wěn)定.而輸入端的電流范圍為0～300 A，輸入端的電流微小波動，對電堆的單片電壓的影響較小，可以保證燃料電池系統(tǒng)較好地穩(wěn)定地運行，也同時延長了燃料電池的壽命.因此本方案中選擇一款控制方式較多的升壓型DC/DC，其控制方式有：輸入/輸出電流控制，輸入/輸出電壓控制，輸入/輸出功率控制，輸入/輸出最大功率點跟蹤控制.可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景和最優(yōu)的控制方法，自行選擇合適的控制方式.

3.2? ?燃料電池輸出功率控制器

氫燃料電池和動力電池組成動力系統(tǒng)會根據(jù)汽車的運行狀態(tài)，駕駛員的油門/剎車的位置感應(yīng)，電池SOC情況和各個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率的性能，通過上文中的升壓DC/DC，對燃料電池和動力電池進行能量輸出的分配，以及制動能量的回收.為此，本文轉(zhuǎn)門設(shè)計了一個燃料電池輸出功率控制器，實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)達到優(yōu)良狀態(tài)，節(jié)約了氫氣的使用量，提高了電堆的使用壽命.整車控制器通過 CAN 總線，實現(xiàn)與電機控制器、電池管理系統(tǒng)、燃料電池控制器的可靠通信，進行狀態(tài)的采集及控制指令的輸出.

氫燃料電池輸出功率控制器的核心是：根據(jù)車輛各設(shè)備運行參數(shù)，區(qū)分當前汽車的工作模式，選擇合適的工作模式和正確分配電堆與電池的能量.

3.2.1? ? 驅(qū)動控制策略

驅(qū)動控制策略的基本規(guī)則是：在滿足動力電池的SOC維持在某一限定值得條件下，既不能對鋰電池

產(chǎn)生過充，也不能使得電池造成過度放電，同時盡可能的保證燃料電池工作在最優(yōu)的狀態(tài)下，使得系統(tǒng)達到較好的運行環(huán)境.驅(qū)動控制策略是在電力輔助控制策略[10]的基礎(chǔ)上，修改了其分級的缺點，根據(jù)系統(tǒng)中燃料電池和電機的需求功率進行了多級區(qū)分如表4所示.明顯提高了燃料電池系統(tǒng)的效率和提高了能量利用率.

3.2.2? ? 制動控制策略

車輛制動時主要分為再生制動和機械制動，其中再生制動的能量回饋是提高車輛經(jīng)濟性的有效的方法.

1）當駕駛員松開油門踏板或者踩下制動踏板到前1/3行程時：整車控制器自動判斷整車的車速，SOC大小等，若滿足能量回饋的條件，則進入再生制動，否則進入機械制動.

2）當駕駛員踩下制動踏板超過前1/3行程時：若再生制動能夠滿足制動力需求，則再生制動單獨作用;若不滿足制動力需求，則再生制動和機械制動共同作用;若不能進行再生制動則，機械制動單獨作用.

3）當駕駛員踩下制動力度和速度達到ABS條件時，退出再生制動進入防抱死狀態(tài)或者直接進入防抱死狀態(tài).

4? ?系統(tǒng)實驗驗證

針對以上系統(tǒng)參數(shù)的匹配與設(shè)計，在深圳大學(xué)搭建了一個全尺寸的額臺架試驗臺，如圖4所示.

圖4中，將4組低壓動力電池（標注1）通過高壓電纜串聯(lián)，構(gòu)成高壓電池，連接到BMS電池管理系統(tǒng)（標注2），組成輔助動力電池系統(tǒng).氫燃料電池系統(tǒng)由氫氣瓶（標注8在窗戶外），氫燃料電池電堆（標注6）和升壓DC/DC組成（標注7）.氫燃料電池系統(tǒng)和輔助動力電池系統(tǒng)通過高壓配電盒（標注5）并聯(lián)，接到電機控制器（標注4）和200 kW的測功儀上（標注3）.基于該實驗臺架，主要開展了2種測試：鋰電池充放電工況測試;氫燃料電池工況法測試.

4.1? ?全尺寸試驗臺架—鋰電池充放電工況試驗

通過搭建實驗平臺，改變輸出DC輸出端電流的大小，在每一個固定電流輸出的情況下，分別進行了系統(tǒng)不同的3種工況測試，并記錄電流，電壓，功率等數(shù)據(jù)，如表5所示.

3種工況是指：

1）燃料電池輸出功率小于負載所需功率.即燃料電池和鋰電池共同為負載提供能量，此時鋰電池處于放電狀態(tài).

2）燃料電池輸出功率大于負載所需功率.即燃料電池為鋰電池和負載提供能量，此時鋰電池處于充電狀態(tài).

3）燃料電池輸出功率等于負載所需功率.即只有燃料電池為負載提供能量，鋰電池不提供能量，此時鋰電池處于不充電也不放電狀態(tài).

上述3種狀態(tài)固定DC/DC的輸出功率，通過改變負載的功率實現(xiàn)了能量的分配在這3種工作狀態(tài)下，負載功率改變時，DC/DC恒流輸出，母線電壓不變，即輸出功率大小不變，可以進行恒定功率輸出.但是DC/DC的輸出電流是可以調(diào)節(jié)的，由此控制DC/DC的輸出功率.鋰電池的輸出電流是隨驅(qū)動電機的需求來改變的，因此可以實現(xiàn)功率分配的目的.

如圖5所示，圖中P_FC為燃料電池的輸出功率，P_li為鋰電池的輸出功率，數(shù)字正則為鋰電池放電，數(shù)字負則為鋰電池充電.P_load為電機負載的功率.圖中P_FC主要分為3階段，分別為30%、60%、90%的燃料電池的額定功率.在每一階段中，通過控制電機輔助的變化，同時保持燃料電池的輸出功率保持不變，實現(xiàn)了鋰電池的放電、不充不放、充電的狀態(tài).因此在客車實際行駛過程中，電機的突然增大輸出功率或者減小輸出功率，都能保證燃料電池在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定，而通過輔助電池去彌補電機功率的輸出需求.當系統(tǒng)緩沖過后再判斷是否保證燃料電池的輸出功率也隨之降低或者上升.這樣的控制結(jié)構(gòu)有效的保證了氫燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長久性，為燃料電池的生命提供了足夠的保障.

4.2? ?全尺寸試驗臺架—氫燃料電池工況法系統(tǒng)測試

引用GBT28183-2011客車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測試方法[11]如表6所示.

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)起動成功后，按表6所示的工況連續(xù)運行.燃料電池系統(tǒng)在怠速啟動，冷機加載、怠速工況運行過程中，電堆的單片平均電壓比較穩(wěn)定在0.9 V左右，氫氣管理系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)都正常，系統(tǒng)可正常啟動且能夠保持一定時間.系統(tǒng)加載時從環(huán)境穩(wěn)定24 ℃進行系統(tǒng)升溫，升溫過程中加載電流不超過90 A（功率為13 kW）.且系統(tǒng)電流的加載速度小于等于5 A/s.在系統(tǒng)加載過程中動態(tài)響應(yīng)符合廠商設(shè)定要求，系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定，其額定功率實際測試為30.8 kW左右，長時間額定功率輸出穩(wěn)定，溫度控制和氫氣輸出突變很小符合系統(tǒng)需求.按照廠商規(guī)定的過載要求，系統(tǒng)在過載為15%，達到燃料電池的峰值功率36 kW，電流大小為256 A，最終溫度上升為82 ℃，未達到過溫保護值（85 ℃）.系統(tǒng)在減載后溫度下降，氫氣量消耗降低，功率輸出到達負荷值，保持穩(wěn)定.上述實驗結(jié)論：燃料電池系統(tǒng)按照規(guī)定要求測試時，其電堆單片平局電壓，進氣量，系統(tǒng)溫度，輸出功率等，能夠保持在設(shè)定要求內(nèi)，其發(fā)電系統(tǒng)滿足系統(tǒng)需求.

5? ? 總結(jié)

本文以燃料電池汽車為研究對象，在考慮了燃料電池汽車燃油經(jīng)濟性和動力性的前提下，設(shè)計燃料電池汽車最關(guān)鍵部分的混合動力系統(tǒng)，分析氫燃料電池客車用的電氣系統(tǒng)拓撲架構(gòu)的優(yōu)劣勢，合理地選擇燃料電池汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu).正確配置車輛整體性能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各主要裝置性能的參數(shù).文章研究了基于升壓DC/DC調(diào)控的氫燃料電池驅(qū)動和制動控制策略，實現(xiàn)了動力系統(tǒng)的能量優(yōu)化，極大的延長了燃料電池的壽命，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.臺架試驗進一步驗證了氫燃料電池電動客車可實現(xiàn)的電氣架構(gòu)方案和客車各系統(tǒng)功能的完整性和可用性.研究表明氫燃料電池客車的設(shè)計方案可以進一步升級和拓展，為氫燃料電池客車的批量式生產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ).它將在推動燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)造清潔環(huán)境，確保能源安全方面發(fā)揮積極作用[12].

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Matching design of a hydrogen fuel cell bus system

LIU Decheng1， BIN Yang*1，2， LUO Wenguang1， WANG Zhaojie1

（1. School of Electrical and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China;

2. Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment， Ministry of Education， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China）

Abstract： Buses designed on the basis of efficient and pure hydrogen fuel cells are hotspots in the field of new energy vehicles in recent years. Combined with the road traffic conditions of the intercity/city bus and the actual needs of the project， this paper developed a 30 kW hydrogen fuel cell and power? ? battery parallel type electric and electric weak hybrid system. The design of the system firstly analyzes the advantages and disadvantages of various electrical topology architecture combinations. According to the theoretical calculation and existing resources， the parameters matching each subsystem are? ? ? ? selected， and the measurement and control software of the system is developed. On this basis， the power distribution controller is designed using a current-adjustable step-up DC/DC converter to realize the continuously adjustable function of the hydrogen fuel cell output power. Finally， a full-scale test bench of the system was built and some experiments were carried out. The experimental results show that the system meets the actual functional requirements.

Key words： hydrogen fuel cell; hybrid system; power distribution controller; test bench

（責任編輯：黎? ?婭）