氫燃料重卡高壓上下電策略的研究

郭志培

(江鈴重型汽車(chē)有限公司,山西 太原 030032)

0 引言

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，尋找清潔能源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源迫在眉睫。目前各國(guó)政府均在積極推廣電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，希望逐漸取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛。我國(guó)針對(duì)新能源和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，也給電動(dòng)汽車(chē)提供了很好的發(fā)展機(jī)會(huì)。但是相對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛，電動(dòng)汽車(chē)存在充電時(shí)間長(zhǎng)、續(xù)航短等問(wèn)題，而氫燃料車(chē)型的出現(xiàn)則很好地解決了該問(wèn)題。同時(shí)隨著能源和環(huán)保問(wèn)題的升溫，“節(jié)能降耗，綠色環(huán)?！币呀?jīng)成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的兩大主題[1]，我國(guó)于20世紀(jì)50年代開(kāi)始了燃料電池研究，“十五”到“十三五”連續(xù)4個(gè)五年計(jì)劃均大力支持氫能及燃料電池電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。

氫能源是一種可再生、無(wú)污染、熱值高且儲(chǔ)量豐富的清潔能源，隨著制氫、運(yùn)輸和存儲(chǔ)技術(shù)的不斷成熟，氫燃料車(chē)型逐漸走進(jìn)了大眾的視野。目前我國(guó)已基本掌握了原材料、燃料電池電堆、系統(tǒng)、整車(chē)等關(guān)鍵技術(shù)，初步建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了電堆、膜電極、雙極板等部分關(guān)鍵部件及原材料的國(guó)產(chǎn)化，具備了千輛級(jí)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)與整車(chē)生產(chǎn)能力[3]。氫燃料重卡具有加氫快、續(xù)航長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，氫燃料電池由于本身啟動(dòng)運(yùn)行等一些特殊屬性，其高壓上電策略相對(duì)于純電動(dòng)車(chē)會(huì)更復(fù)雜一些，如果高壓上下電策略不夠完善和成熟，可能會(huì)降低氫燃料電池的使用壽命，增加整車(chē)的使用成本，所以開(kāi)展氫燃料重卡高壓上下電策略的研究具有重要意義。

1 氫燃料重卡簡(jiǎn)介

1.1 總體簡(jiǎn)介

氫燃料重卡在純電動(dòng)重卡的基礎(chǔ)上增加了燃料電池相關(guān)的系統(tǒng)，主要包括供氫系統(tǒng)、電堆系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)等。氫燃料重卡所使用的燃料電池通過(guò)氧或其他的氧化劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，它包含一個(gè)陽(yáng)極、一個(gè)陰極以及使電荷通過(guò)電池兩級(jí)的電解質(zhì)，電子由陽(yáng)極傳至陰極產(chǎn)生直流電，形成完整的電路。該系統(tǒng)在行駛過(guò)程中通過(guò)燃料電池系統(tǒng)為動(dòng)力電池充電，對(duì)動(dòng)力電池的電量要求不高，其電量相對(duì)純電動(dòng)重卡要少很多。氫燃料重卡如圖1所示。

圖1 氫燃料重卡

1.2 電控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

氫燃料重卡的電控系統(tǒng)主要由VCU(Vehicle Control Unit)、燃料電池系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、電機(jī)和MCU(Motor Control Unit)、多合一、車(chē)身控制系統(tǒng)和底盤(pán)控制系統(tǒng)等組成。氫燃料重卡的電控原理如圖2所示。其中，多合一是負(fù)責(zé)為整車(chē)分配電的模塊，燃電DCDC或者動(dòng)力電池輸出高壓電，由多合一負(fù)責(zé)對(duì)高壓電進(jìn)行二次分配，相當(dāng)于是一分多的模塊。多合一一般包括主驅(qū)、DCDC、高壓配電等，主驅(qū)是輸出給MCU供給電機(jī)的，DCDC是負(fù)責(zé)降壓給整車(chē)小電瓶充電的，高壓配電則是負(fù)責(zé)輸出給空調(diào)PTC等，DCDC和高壓配電在圖2中未示出。

圖2 氫燃料重卡電控原理圖

VCU是新能源汽車(chē)的核心，作為整車(chē)控制的中樞，負(fù)責(zé)將整車(chē)相關(guān)電器和電控模塊整合在一起，對(duì)整車(chē)進(jìn)行相關(guān)的控制等。燃料電池系統(tǒng)主要由電堆系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、燃電控制系統(tǒng)、燃電DCDC等組成。燃料電池電堆是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，電堆性能的好壞直接影響到整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的性能。動(dòng)力電池系統(tǒng)是整車(chē)的一個(gè)動(dòng)力來(lái)源，為整車(chē)提供能源補(bǔ)給，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)為整車(chē)所有用電設(shè)備提供電源。動(dòng)力電池主要由電池包、BMS(Battery Management System)接線(xiàn)盒、BMS控制盒等組成，電池包包括電芯本體、溫度和電壓傳感器、冷卻管路等，BMS接線(xiàn)盒主要負(fù)責(zé)將動(dòng)力電池高壓線(xiàn)束進(jìn)行相關(guān)連接，BMS控制盒通過(guò)對(duì)電壓、電流、溫度以及電量等參數(shù)的采集及計(jì)算進(jìn)而控制動(dòng)力電池充放電過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)，保證動(dòng)力電池能夠在最佳的環(huán)境下發(fā)揮出最好的性能[4]。本文中所述的氫燃料重卡采用磷酸鐵鋰電池，電量為110 kWh。電機(jī)作為整車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，所述的電機(jī)系統(tǒng)采用永磁同步電機(jī)，具有功率密度高、效率高、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。

2 氫燃料重卡上電管理

燃料電池本身具有一些特性，燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)閉均會(huì)影響其壽命，需要盡量減少啟停次數(shù)，避免頻繁啟停。燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間約為16 s左右，關(guān)閉時(shí)間為30 s～600 s，燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)后，隨著時(shí)間的增加，允許的輸出功率從20%增加到100%。在室溫條件下，正常從啟動(dòng)到輸出100%功率大約為5 min。燃料電池系統(tǒng)的空壓機(jī)和加熱器，在啟動(dòng)前和關(guān)機(jī)吹掃過(guò)程中需要從動(dòng)力電池取電。

整車(chē)上下電管理由低壓上下電管理和高壓上下電管理兩部分組成，它的好壞直接與上下電過(guò)程的可靠性和安全性相關(guān)[5]。氫燃料重卡高壓系統(tǒng)電壓達(dá)560 V，整車(chē)對(duì)高壓的上下電控制有嚴(yán)格的策略。上下高壓電主要由VCU控制，上下高壓主要包括IG(Ignition) Start上高壓、充電請(qǐng)求上高壓以及常規(guī)和故障狀態(tài)整車(chē)下高壓。

2.1 IG Start高壓上電控制

IG Start高壓上下電控制為整車(chē)使用場(chǎng)景最多的高壓上下電控制，VCU根據(jù)車(chē)輛的相關(guān)狀態(tài)控制高壓系統(tǒng)上電。

VCU接收到IG ON信號(hào)后，整車(chē)低壓先上電，相關(guān)模塊進(jìn)行自檢。VCU進(jìn)行高壓上電時(shí)，首先要判斷整車(chē)是否滿(mǎn)足上高壓的條件。VCU根據(jù)整車(chē)的需求，除了IG Start請(qǐng)求信號(hào)和制動(dòng)踏板踩下為整車(chē)上高壓的觸發(fā)條件外，還需要以下的判斷條件：①關(guān)鍵模塊的自檢無(wú)故障；②無(wú)充電槍連接；③無(wú)高壓互鎖和絕緣電阻低故障；④整車(chē)無(wú)三級(jí)故障。

VCU對(duì)整車(chē)上高壓相關(guān)的控制必須通過(guò)閉環(huán)過(guò)程完成，發(fā)送的信號(hào)必須收到相關(guān)模塊的反饋確認(rèn)無(wú)誤后，才可以執(zhí)行下一步的指令。氫燃料重卡上高壓主要包括三個(gè)步驟，首先是動(dòng)力電池完成上高壓，其次是動(dòng)力電池高壓通過(guò)多合一輸出，最后是燃料電池上高壓。IG Start高壓上電流程見(jiàn)圖3。

圖3 IG Start高壓上電流程圖

在第一個(gè)階段，轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)鑰匙至IG ON，整車(chē)接通24 V低壓，部分模塊完成上電自檢，如果有故障，則上報(bào)故障。下一步判斷是否有充電槍插入，氫燃料重卡燃料電池控制器FCU(Fuel Cell Control Unit)會(huì)進(jìn)一步判斷。整車(chē)的氫源由FCU控制，燃料電池內(nèi)部有氫氣濃度傳感器，F(xiàn)CU在確認(rèn)氫氣濃度正常后，會(huì)允許整車(chē)上高壓。如果允許上高壓，會(huì)反饋信號(hào)給VCU，同時(shí)判斷制動(dòng)踏板和IG Start狀態(tài)，VCU通過(guò)CAN總線(xiàn)向BMS發(fā)送高壓上電命令，同時(shí)接收BMS發(fā)送的整車(chē)高壓的連接狀態(tài)。

在第二個(gè)階段，動(dòng)力電池完成上高壓后，VCU通過(guò)CAN總線(xiàn)向多合一發(fā)送預(yù)充繼電器閉合指令，MCU中有較大的電容，需要先進(jìn)行預(yù)充。確認(rèn)閉合之后，繼續(xù)發(fā)送主正和輔控繼電器閉合指令。

第三個(gè)階段，燃料電池的DCDC(Direct Current)模塊是燃料電池和整車(chē)高壓電系統(tǒng)連接的關(guān)鍵零部件，負(fù)責(zé)將燃料電池產(chǎn)生的高壓電轉(zhuǎn)化成與整車(chē)一致的電壓。整車(chē)上高壓電之后，通過(guò)多合一輸出低壓電給到燃料電池DCDC控制器，VCU控制該DCDC控制器的使能信號(hào)，同時(shí)FCU發(fā)出上高壓的請(qǐng)求信號(hào)，啟動(dòng)燃料電池，完成整車(chē)上高壓的全部過(guò)程。

使用VN1640記錄車(chē)輛的CAN總線(xiàn)信號(hào)，開(kāi)發(fā)和測(cè)試分析軟件采用的CANoe版本為10.0.114，因圖片限制，僅添加充電槍的插入狀態(tài)、FCU狀態(tài)、MCU狀態(tài)、FCU允許上高壓信號(hào)4個(gè)信號(hào)，最后1個(gè)信號(hào)為車(chē)輛的高壓狀態(tài)，如圖4所示，該車(chē)輛完成了高壓上電的動(dòng)作。

圖4 IG Start高壓上電CAN數(shù)據(jù)

2.2 充電狀態(tài)高壓上電控制

新能源車(chē)型在充電狀態(tài)下高壓上電控制也是比較常見(jiàn)的場(chǎng)景，氫燃料重卡充電狀態(tài)下上高壓與純電動(dòng)重卡一致，通過(guò)充電槍喚醒信號(hào)，并喚醒整車(chē)中的相關(guān)模塊，由VCU控制完成動(dòng)力電池的高壓輸入進(jìn)行充電。充電狀態(tài)下，整車(chē)上高壓無(wú)需喚醒燃料電池。IG OFF充電高壓上電流程見(jiàn)圖5。

2.3 常規(guī)和故障狀態(tài)下的高壓下電控制

整車(chē)運(yùn)行在REDAY狀態(tài)下，駕駛員將車(chē)鑰匙旋轉(zhuǎn)至IG OFF和VCU檢測(cè)到整車(chē)3級(jí)故障，高壓系統(tǒng)均會(huì)下電。具體過(guò)程如下：VCU通過(guò)CAN向MCU發(fā)送電機(jī)扭矩為0的指令，判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，接收MCU反饋的電機(jī)工作模式。如果接收到待機(jī)模式，VCU向FCU發(fā)送停機(jī)命令，停止使能燃料電池DCDC，切斷燃料電池和整車(chē)高壓系統(tǒng)；VCU控制多合一斷開(kāi)主正和輔控繼電器，VCU向BMS發(fā)送下高壓的指令。VCU向MCU發(fā)送允許快速泄放指令和禁止使能指令，VCU通過(guò)CAN發(fā)送整車(chē)狀態(tài)為下高壓狀態(tài)。

3 總結(jié)和展望

本文在研究氫燃料重卡控制策略的基礎(chǔ)上，提出了高壓上下電策略。相對(duì)于傳統(tǒng)的電動(dòng)車(chē)，氫燃料重卡增加了燃料電池系統(tǒng)，上下高壓均需要增加對(duì)燃料電池相關(guān)狀態(tài)的判斷和控制。經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)的驗(yàn)證，該策略穩(wěn)定可靠，解決了氫燃料重卡上下高壓的問(wèn)題。后續(xù)經(jīng)過(guò)燃料電池的不斷發(fā)展，該策略會(huì)進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整，使其能更好地適應(yīng)整車(chē)，在安全、穩(wěn)定、可靠的前提下，使氫燃料重卡可以更好的運(yùn)行。

圖5 IG OFF充電高壓上電流程