楊志超，武 增，王 健，袁世豪，張學(xué)鋒

（大運(yùn)汽車股份有限公司技術(shù)中心，山西 運(yùn)城 044000）

作為新能源汽車發(fā)展的三大路線之一，隨著國家相關(guān)激勵(lì)政策的出臺，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入發(fā)展快車道，尤其是中遠(yuǎn)途、中重型氫燃料電池商用車在示范運(yùn)營區(qū)的需求也逐步增多，市場競爭態(tài)勢也逐步顯現(xiàn)，為保證整車的市場競爭力，除整車集成技術(shù)外，整車的控制技術(shù)尤為關(guān)鍵。

氫能源商用車整車控制技術(shù)中整車能量管理技術(shù)最為核心，氫能源商用車整車能量來源以氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為主，動(dòng)力電池為輔。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能既可以用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也可以給動(dòng)力電池充電，動(dòng)力電池既能為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供所需能量，又能回收整車回饋的能量。如何將動(dòng)力系統(tǒng)的能量輸出和回饋合理地控制，以保證動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和各系統(tǒng)的使用壽命，是我們要研究的方向。

1 氫燃料商用車動(dòng)力系統(tǒng)控制架構(gòu)

氫燃料商用車動(dòng)力系統(tǒng)控制架構(gòu)除負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制工作的整車控制器（VCU）外，還包含燃料電池系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、電機(jī)電控系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、高壓配電系統(tǒng)及整車附件等，具體見圖1。

圖1 氫燃料商用車動(dòng)力系統(tǒng)控制架構(gòu)

氫燃料商用車動(dòng)力系統(tǒng)控制架構(gòu)是一個(gè)耦合性很強(qiáng)的電氣系統(tǒng)，氫燃料電池系統(tǒng)通過DC/DC變換器以提升和穩(wěn)定電壓輸出，給整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出能量，但考慮到燃料電池系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間慢及本身其他性能的不足，系統(tǒng)增加符合整車功率及容量需求的動(dòng)力電池系統(tǒng)來彌補(bǔ)。整車控制器（VCU）進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制工作，實(shí)現(xiàn)車輛在多動(dòng)力源（動(dòng)力電池、燃料電池、電機(jī)能量回收）之間的能量分配，從而達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

2 氫燃料商用車整車動(dòng)力系統(tǒng)工作狀態(tài)

為滿足整車的正常運(yùn)行，氫燃料商用車整車在不同狀態(tài)下，燃料電車系統(tǒng)及動(dòng)力電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)見表1。

從表1中可反映出，在整車不同工作模式下，燃料電池系統(tǒng)和動(dòng)力電池系統(tǒng)可能出現(xiàn)不同的工作狀態(tài)，并且電驅(qū)系統(tǒng)工作時(shí)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)能量的輸出和輸入狀態(tài)也不同，具體有以下幾種模式。

表1 燃料電車系統(tǒng)及動(dòng)力電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)

1）燃料電池和動(dòng)力電池共同驅(qū)動(dòng)模式：燃料電池在啟動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定后，整車需求功率較大且燃料電池可輸出功率無法滿足時(shí)，如整車爬坡、加速時(shí)，功率需求短時(shí)間增大，燃料電池功率升載速率無法滿足或重載運(yùn)行情況下燃料電池滿功率輸出也無法滿足整車需求功率，此時(shí)剩余的功率需求就由動(dòng)力電池來提供，保證整車的動(dòng)力性。如圖2所示。

圖2 燃料電池與動(dòng)力電池共同驅(qū)動(dòng)

2）燃料電池系統(tǒng)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式：當(dāng)燃料電池工作趨于穩(wěn)態(tài)且輸出功率能夠滿足整車功率需求時(shí)，由燃料電池單獨(dú)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，此時(shí)動(dòng)力電池?zé)o充電需求且不輸出功率。由于現(xiàn)階段燃料電池本身功率的限制，此工況只有在整車運(yùn)行負(fù)載較小時(shí)出現(xiàn)。如圖3所示。

圖3 燃料電池與動(dòng)力電池共同驅(qū)動(dòng)

3）動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式：當(dāng)動(dòng)力電池SOC高于需要充電的閾值上限，且燃料電池此時(shí)處于未開機(jī)的狀態(tài)。此時(shí)車輛運(yùn)行將完全由動(dòng)力電池系統(tǒng)提供能量（若適配的動(dòng)力電池放電倍率較低時(shí)，純電模式運(yùn)行不適合重載車況）。此種模式下，燃料電池系統(tǒng)僅被喚醒，處于關(guān)機(jī)或待機(jī)狀態(tài)，僅作為總線節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)上報(bào)燃料電池參數(shù)狀態(tài)。如圖4所示。

圖4 動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)

4）燃料電池驅(qū)動(dòng)并給動(dòng)力電池充電模式：整車運(yùn)行過程中，燃料電池工作趨于穩(wěn)態(tài)，整車驅(qū)動(dòng)功率需求較小，且動(dòng)力電池可允許充電且SOC滿足充電條件時(shí)，燃料電池系統(tǒng)為整車提供驅(qū)動(dòng)需求功率，并在動(dòng)力電池系統(tǒng)的最大可持續(xù)充電電流限值內(nèi)，對動(dòng)力電池進(jìn)行充電。如圖5所示。

圖5 燃料電池驅(qū)動(dòng)并給動(dòng)力電池充電

5）車輛靜止?fàn)顟B(tài)燃料電池給動(dòng)力電池充電：當(dāng)車輛啟動(dòng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，動(dòng)力電池SOC值較低，此時(shí)雖然整車無驅(qū)動(dòng)需求，為了保證整車能夠滿足各工況正常運(yùn)行，在不通過充電樁充電，使動(dòng)力電池SOC維持在平衡的狀態(tài)下，由燃料電池系統(tǒng)提供電能給動(dòng)力電池系統(tǒng)充電。如圖6所示。

圖6 車輛靜止?fàn)顟B(tài)燃料電池給動(dòng)力電池充電

6）能量回饋模式：當(dāng)車輛行駛過程中執(zhí)行減速制動(dòng)或開啟輔助制動(dòng)功能時(shí)（減速、下坡、遇紅燈減速制動(dòng)及其他非緊急制動(dòng)），且動(dòng)力電池SOC值在可充電閾值內(nèi)時(shí)，動(dòng)力電池系統(tǒng)允許整車進(jìn)行能量回饋，整車將制動(dòng)產(chǎn)生的電能回饋給動(dòng)力電池系統(tǒng)達(dá)到整車節(jié)能的效果。車輛運(yùn)行過程中燃料電池工作，整車減速制動(dòng)時(shí)，由于燃料電池系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間相對滯后，此時(shí)燃料電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同給動(dòng)力電池回饋電能（圖7）。若燃料電池不工作，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)給動(dòng)力電池回饋能量（圖8）。同時(shí)考慮動(dòng)力電池過充的保護(hù)機(jī)制。

圖7 燃料電池與電驅(qū)共同給動(dòng)力電池回饋

7）其他模式：除了以上模式外，整車在?；馉顟B(tài)下，可能存在停車充電模式和停車熄火模式。如圖9、圖10所示。

圖9 停車充電樁直流充電

圖10 停車熄火

3 能量管理控制方案

整車動(dòng)力系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下有不同的能量流動(dòng)方式，依據(jù)駕駛員意圖要求就需要一套完整的既要滿足整車各狀態(tài)下運(yùn)行需求又要符合現(xiàn)階段各系統(tǒng)部件特性的整車能量管理策略。

3.1 控制需求因素

1）能量輸出要滿足整車各狀態(tài)下的動(dòng)力及附件功耗的需求。

2）考慮現(xiàn)階段燃料電池系統(tǒng)技術(shù)如功率偏小、升降載速率慢、不能頻繁啟停等限制，燃料電池在工作中要使其盡量保持穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，剩余功率由動(dòng)力電池輔助提供。

3）考慮動(dòng)力電池的自身特性，避免動(dòng)力電池過充過放，控制其SOC保持在合理的范圍內(nèi)，達(dá)到安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的效果。

整車運(yùn)行過程中，能量控制要結(jié)合整車的功率需求、氫燃料電池狀態(tài)、動(dòng)力電池SOC及其充放電能力，來分配燃料電池系統(tǒng)與動(dòng)力電池系統(tǒng)所需的輸出或輸入功率。整車控制器依據(jù)駕駛員意圖如油門踏板、制動(dòng)踏板等數(shù)據(jù)求得電機(jī)需求功率，再加上整車其他附件如空調(diào)、PTC、油泵等所需消耗的功率，最后確定燃料電池系統(tǒng)、動(dòng)力電池、電機(jī)回饋的功率輸出或輸入狀態(tài)。

3.2 控制策略設(shè)計(jì)

整車控制器接收動(dòng)力電池BMS發(fā)出的SOC值及當(dāng)前電池可允許持續(xù)充、放電電流、可允許的峰值充、放電電流，根據(jù)當(dāng)前整車運(yùn)行狀態(tài)向燃料電池系統(tǒng)發(fā)送燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)、關(guān)機(jī)及功率輸出指令，為了避免燃料電池系統(tǒng)頻繁起停，VCU必須在SOC跳變點(diǎn)進(jìn)行滯回控制；控制電機(jī)保障在整車制動(dòng)能量回收或輔助制動(dòng)激活時(shí)可輸出的功率范圍。在保證整車動(dòng)力性的前提下，盡量維持燃料電池的輸出功率穩(wěn)定，且不讓動(dòng)力電池處于過充或過放的狀態(tài)。

1）燃料電池與動(dòng)力電池共同驅(qū)動(dòng)，工作狀態(tài)的能量流如圖2所示。當(dāng)滿足燃料電池工作條件，動(dòng)力電池SOC＜SOC，例如在急加速車況中，由于燃料電池加載較慢，由電池來承擔(dān)瞬時(shí)的剩余部分功率輸出：

當(dāng)整車需求功率長時(shí)間大于燃料電池可輸出功率時(shí)，例如重載上長坡的車況下，氫燃料電池已運(yùn)行到最大功率點(diǎn)，動(dòng)力電池需要較長時(shí)間承擔(dān)不足部分功率輸出。此時(shí)的功率平衡關(guān)系為：

2）燃料電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)并給動(dòng)力電池充電，工作狀態(tài)的能量流如圖5所示。當(dāng)滿足燃料電池開啟條件，動(dòng)力電池SOC＜SOC，且整車需求功率介于燃料電池的最小輸出功率及最大輸出功率之間時(shí)，VCU向燃料電池請求的功率根據(jù)汽車消耗功率需求進(jìn)行調(diào)整，燃料電池輸出的功率不僅要滿足整車行駛功率，還要對動(dòng)力電池進(jìn)行充電。此時(shí)功率平衡關(guān)系為：

3）動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，工作狀態(tài)的能量流如圖4所示。當(dāng)動(dòng)力電池SOC≥SOC時(shí)，VCU向燃料電池發(fā)送關(guān)機(jī)指令，此時(shí)車輛運(yùn)行在動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)，當(dāng)蓄電池降低到SOC以下，燃料電池重新開啟。此時(shí)的功率平衡關(guān)系（以下所有為正值）為：

4）純電運(yùn)行能量回收模式，工作狀態(tài)的能量流如圖8所示。當(dāng)純電模式行駛車輛時(shí)，開啟輔助制動(dòng)或滿足制動(dòng)能量回收條件時(shí)，VCU向電機(jī)發(fā)送負(fù)扭矩將車輛的勢能轉(zhuǎn)換為電能，在動(dòng)力電池可允許充電的電流范圍內(nèi)，對動(dòng)力電池進(jìn)行回饋充電。此時(shí)的功率平衡關(guān)系為：

5）氫燃料與動(dòng)力電池共同驅(qū)動(dòng)下，制動(dòng)能量回收模式，工作狀態(tài)的能量流如圖7所示。為了減少對氫燃料電池壽命的影響，使燃料電池能夠較平穩(wěn)輸出功率，在氫燃料電池正在給動(dòng)力電池充電的情況下，可適當(dāng)犧牲電機(jī)可回饋的電能。此時(shí)的功率平衡關(guān)系為：

4 結(jié)語

氫燃料車型控制的終極目標(biāo)是燃料電池能夠?qū)崿F(xiàn)整車功率跟隨，既能滿足整車的動(dòng)力需求，又能使動(dòng)力系統(tǒng)的效率達(dá)最高，但現(xiàn)階段氫燃料電池自身特性無法實(shí)現(xiàn)快速升降載，且單機(jī)功率還無法達(dá)到整車的需求，采用動(dòng)力電池作為輔助的動(dòng)力源，既能給整車提供輔助的動(dòng)力，又能回收制動(dòng)時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的回饋能量和氫燃料電池降載過程無法釋放的能量。完善的控制策略針對燃料電池的需求功率跟隨電池SOC及整車實(shí)時(shí)需求功率進(jìn)行變化，避免其出現(xiàn)功率頻繁跳動(dòng)，同時(shí)兼顧動(dòng)力電池的充放電能力，在極端工況下對氫燃料電池及能量回饋的功率加以限制，在保證動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的情況下，讓整車穩(wěn)定安全地運(yùn)行。