燃料电池客车的能量分配管理策略
2021-01-04田建国翁福建刘忠明高顺来
田建国， 翁福建， 李 阳， 刘忠明， 高顺来
(中通客车控股股份有限公司， 山东 聊城 252000)
目前在氢电混合燃料电池商用车领域，受制于燃料电池发动机价格昂贵、体积功率密度低，且锂电池电量也较低等因素,为了尽可能提高整车性价比，整车厂匹配的燃料电池额定功率偏小，最多达到驱动电机额定功率的一半。整车厂在制定能量分配管理策略时，都会侧重于经济性。这样会造成车辆在大负荷行驶时，锂电池电量消耗的速率远远大于氢气消耗的速率，锂电池SOC接近放电末端，而氢气SOC还很多。此时就需要将车停在道路上合适位置，由氢燃料电池向锂电池补电一段时间后才能继续行驶。而停车的这一段时间就非常容易发生交通事故。本文基于我司某燃料电池客车项目，针对燃料电池系统发电功率，建立运动模式和经济模式两种能量分配管理策略，运动模式(增大燃料电池发电功率)延长大负荷运行时间，缓解大负荷行驶停车补电的问题；经济模式(燃料电池氢气利用率最佳)适用城区中低负荷工况[1-3]。
1 氢燃料电池车氢电混合动力结构
目前氢燃料电池车主要为氢燃料电池发动机+锂电池的电电混合动力结构[4-7]，如图1所示。其中燃料电池发动机提供车辆行驶的基本功率，锂电池在加速、起步等大负荷中起辅助动力作用，同时进行再生制动能量的回收。
图1 燃料电池车动力系统架构
根据目前主流市场，燃料电池发动机有要求恒功率输出的，有支持跟随负载功率突变的；再结合锂电池电量大小，可将燃料电池车辆分为4种类型，见表1。
表1 动力电池电量与燃料电堆功率跟随性组合
表1中，匹配A类型的整车成本最低，性价比最高；D类型次之，B类和C类不采用。
公司某两款7 m燃料电池客车，设计最高车速都为90 km/h，燃料电池发动机额定功率都为30 kW，驱动电机额定/峰值功率分别都为60 kW/120 kW。其大负荷(车速87 km/h高速)运行时间统计见表2。其中甲车型(对应表1中A类)锂电池电量是乙车型(对应表1中的D类)的42%，但其高速大负荷运行时间是乙车型的66.7%。由此可见，功率跟随性好的燃料电堆能更好地延长大负荷运行时间。
2 两种能量分配策略模式
2.1 电电混合动力能量分配原则
混动模式下，燃料电池通过对输出功率的改变，实现对电池SOC的控制。影响燃料电池输出功率主要有车速、锂电池SOC、整车需求功率、功率限制等因素[8-10]。能量分配基本的原则：
1) 依据电池SOC和整车需求功率(包括电机和其他用电附件)，通过模糊控制策略，计算出为保持SOC平衡设置的当前燃料电池输出功率的初值。
2) 通过负荷因素修正，得出不同负荷修正后的燃料电池输出功率值。
3) 比较锂电池当前最大允许的充电功率和燃料电池最大输出功率，得到限制后的燃料电池输出功率值。
4) 根据计算前面3项估算的结果输出燃料电池功率，最终目标使锂电池SOC的平衡点在50%～60%。
5) 对于经济模式和运动模式氢燃料发动机的开、关机时机不同，且其功率随负荷变化不同。
6) 经济模式以提高氢气利用率为最终目标；运动模式通过增大燃料电池发电功率，以最大限度延长大负荷运行时间、解决停车补电问题为目标。
大负荷行驶时，整车保持S挡位，电堆最大发电功率依然小于整车消耗功率，锂电池SOC下降速度大于氢气SOC下降速度；当锂电池SOC较低时，VCU按照线性关系降低行驶负荷(最高行驶车速)，维持电堆发电功率和整车消耗功率平衡，使锂电池SOC恒定在25%左右，避免停车补电。
目前燃料电池客车的燃料电堆额定发电功率一般在30～50 kW，驱动电机的额定功率一般在60～80 kW。因此，在大负荷行车时，不管哪种能量分配管理策略，都不能从根本上解决停车补电问题。本文设计的运动模式能量分配策略也只能缓解这个问题。
2.2 两种能量分配策略的实现
中低负荷工况(如城郊、市区)运行时，驾驶员手动选择D挡，匹配经济运行能量分配策略，提高氢气利用率，让燃料电池经济性效果最佳；大负荷工况(如以接近设计车速)运行，驾驶员手动选择S挡，匹配运动模式能量分配策略，增大燃料电池发电功率，延长大负荷持续行驶时间。整车CAN网络架构和VCU模式信号输入如图2所示。
图2 整车CAN网络架构和VCU模式信号输入
当驾驶员挂S挡或D挡时，VCU收到相应挡位的高电平信号，VCU将执行运动模式或经济运行模式能量分配策略，给FCU发送不同需求功率的请求，FCU输出不同功率，以满足使用要求[11-12]。
1) 对于表1中A类型组合，电堆发电功率随整车需求功率的增加而增加。大负荷工况下，经济模式和运动模式的能量分配最终效果不会差太多。
2) 对于表1中D类型组合，经济运行模式能量分配制定的原则是：尽量避免燃料电池频繁启停和发电功率随负载变化，使电堆在高效区恒功率工作；运动模式能量分配原则是[2]：电堆开机的锂电池SOC值提高，开机后电堆功率尽可能大。
基于公司某燃料电池客车设计最高车速为90 km/h，燃料电池系统额定功率41 kW(电堆允许恒功率输出)，电机额定功率60 kW，锂电池电量62 kWh，属于D类型。分别制定两种能量分配策略：市区行车时，挂D挡，按照经济模式能量策略分配；大负荷行车时，挂S挡，按照运动模式能量策略分配，分别如图3和图4所示。
图3 经济运行模式能量分配策略
图4 运动模式能量分配策略
图3中，①当锂电池SOC≤70%时，电堆开机；当锂电池SOC≥90%时，电堆关机；②当锂电池SOC由高到低时，电堆按照下面4个区间段执行发电功率:60% 图4中，①当锂电池SOC≤85%时，电堆开机；当锂电池SOC≥95%时，电堆关机；②当锂电池SOC由高到低时，电堆按照下面3个区间段执行发电功率：85% 从图4可以明显看出，S挡比D挡下的燃料电池功率提升得早、快；并且当车速在60 km/h以上时，电堆便达到最大功率，从而延长大负荷行驶时间，减少停车充电的概率。 在大负荷(高速87 km/h)行驶工况时，测试两种能量分配模式的运行时间，最终测试结果见表3。 表3 大负荷(高速87 km/h)工况两种模式运行时间测试结果 从表3可以得到，延长里程87 km，延长时间比例57.5%。 对于燃料电池发电恒功率的车型，建立运动模式和经济模式两种能量分配管理策略，运动模式延长大负荷运行时间。大负荷路况下，运动模式与经济模式相比，延长行驶时间的比例达到57.5%，缓解大负荷行驶停车补电的问题。经济模式适用城区中低负荷工况。此技术已在2019年生产的燃料电池车辆批量应用。文章中控制策略数据是基于公司某一款车型实际设计的。针对不同车辆状态，会有差异。本文只介绍一种方法、一种策略。这种策略能较好地解决停车补电这个问题。
3 结束语
