氢燃料重卡高压上下电策略的研究

郭志培

(江铃重型汽车有限公司,山西 太原 030032)

0 引言

随着全球能源危机和环境污染的日益严重，寻找清洁能源来代替传统能源迫在眉睫。目前各国政府均在积极推广电动汽车的发展，希望逐渐取代传统的内燃机车辆。我国针对新能源和新兴产业发展的政策，也给电动汽车提供了很好的发展机会。但是相对于传统的内燃机车辆，电动汽车存在充电时间长、续航短等问题，而氢燃料车型的出现则很好地解决了该问题。同时随着能源和环保问题的升温，“节能降耗，绿色环保”已经成为当今社会发展的两大主题[1]，我国于20世纪50年代开始了燃料电池研究，“十五”到“十三五”连续4个五年计划均大力支持氢能及燃料电池电动汽车产业的发展[2]。

氢能源是一种可再生、无污染、热值高且储量丰富的清洁能源，随着制氢、运输和存储技术的不断成熟，氢燃料车型逐渐走进了大众的视野。目前我国已基本掌握了原材料、燃料电池电堆、系统、整车等关键技术，初步建立了具有自主知识产权的燃料电池电动汽车动力系统技术平台，实现了电堆、膜电极、双极板等部分关键部件及原材料的国产化，具备了千辆级燃料电池电动汽车动力系统平台与整车生产能力[3]。氢燃料重卡具有加氢快、续航长等优点，氢燃料电池由于本身启动运行等一些特殊属性，其高压上电策略相对于纯电动车会更复杂一些，如果高压上下电策略不够完善和成熟，可能会降低氢燃料电池的使用寿命，增加整车的使用成本，所以开展氢燃料重卡高压上下电策略的研究具有重要意义。

1 氢燃料重卡简介

1.1 总体简介

氢燃料重卡在纯电动重卡的基础上增加了燃料电池相关的系统，主要包括供氢系统、电堆系统、供氧系统、冷却系统以及电控系统等。氢燃料重卡所使用的燃料电池通过氧或其他的氧化剂进行氧化还原反应，将燃料中的化学能转换成电能，它包含一个阳极、一个阴极以及使电荷通过电池两级的电解质，电子由阳极传至阴极产生直流电，形成完整的电路。该系统在行驶过程中通过燃料电池系统为动力电池充电，对动力电池的电量要求不高，其电量相对纯电动重卡要少很多。氢燃料重卡如图1所示。

图1 氢燃料重卡

1.2 电控系统简介

氢燃料重卡的电控系统主要由VCU(Vehicle Control Unit)、燃料电池系统、动力电池系统、电机和MCU(Motor Control Unit)、多合一、车身控制系统和底盘控制系统等组成。氢燃料重卡的电控原理如图2所示。其中，多合一是负责为整车分配电的模块，燃电DCDC或者动力电池输出高压电，由多合一负责对高压电进行二次分配，相当于是一分多的模块。多合一一般包括主驱、DCDC、高压配电等，主驱是输出给MCU供给电机的，DCDC是负责降压给整车小电瓶充电的，高压配电则是负责输出给空调PTC等，DCDC和高压配电在图2中未示出。

图2 氢燃料重卡电控原理图

VCU是新能源汽车的核心，作为整车控制的中枢，负责将整车相关电器和电控模块整合在一起，对整车进行相关的控制等。燃料电池系统主要由电堆系统、供氢系统、进气系统、燃电控制系统、燃电DCDC等组成。燃料电池电堆是整个系统的核心部件，电堆性能的好坏直接影响到整个燃料电池系统的性能。动力电池系统是整车的一个动力来源，为整车提供能源补给，驱动电机转动，同时为整车所有用电设备提供电源。动力电池主要由电池包、BMS(Battery Management System)接线盒、BMS控制盒等组成，电池包包括电芯本体、温度和电压传感器、冷却管路等，BMS接线盒主要负责将动力电池高压线束进行相关连接，BMS控制盒通过对电压、电流、温度以及电量等参数的采集及计算进而控制动力电池充放电过程，实现对电池的保护，保证动力电池能够在最佳的环境下发挥出最好的性能[4]。本文中所述的氢燃料重卡采用磷酸铁锂电池，电量为110 kWh。电机作为整车的动力来源，所述的电机系统采用永磁同步电机，具有功率密度高、效率高、噪声小等优点。

2 氢燃料重卡上电管理

燃料电池本身具有一些特性，燃料电池系统启动和关闭均会影响其寿命，需要尽量减少启停次数，避免频繁启停。燃料电池系统的启动时间约为16 s左右，关闭时间为30 s～600 s，燃料电池系统启动后，随着时间的增加，允许的输出功率从20%增加到100%。在室温条件下，正常从启动到输出100%功率大约为5 min。燃料电池系统的空压机和加热器，在启动前和关机吹扫过程中需要从动力电池取电。

整车上下电管理由低压上下电管理和高压上下电管理两部分组成，它的好坏直接与上下电过程的可靠性和安全性相关[5]。氢燃料重卡高压系统电压达560 V，整车对高压的上下电控制有严格的策略。上下高压电主要由VCU控制，上下高压主要包括IG(Ignition) Start上高压、充电请求上高压以及常规和故障状态整车下高压。

2.1 IG Start高压上电控制

IG Start高压上下电控制为整车使用场景最多的高压上下电控制，VCU根据车辆的相关状态控制高压系统上电。

VCU接收到IG ON信号后，整车低压先上电，相关模块进行自检。VCU进行高压上电时，首先要判断整车是否满足上高压的条件。VCU根据整车的需求，除了IG Start请求信号和制动踏板踩下为整车上高压的触发条件外，还需要以下的判断条件：①关键模块的自检无故障；②无充电枪连接；③无高压互锁和绝缘电阻低故障；④整车无三级故障。

VCU对整车上高压相关的控制必须通过闭环过程完成，发送的信号必须收到相关模块的反馈确认无误后，才可以执行下一步的指令。氢燃料重卡上高压主要包括三个步骤，首先是动力电池完成上高压，其次是动力电池高压通过多合一输出，最后是燃料电池上高压。IG Start高压上电流程见图3。

图3 IG Start高压上电流程图

在第一个阶段，转动车钥匙至IG ON，整车接通24 V低压，部分模块完成上电自检，如果有故障，则上报故障。下一步判断是否有充电枪插入，氢燃料重卡燃料电池控制器FCU(Fuel Cell Control Unit)会进一步判断。整车的氢源由FCU控制，燃料电池内部有氢气浓度传感器，FCU在确认氢气浓度正常后，会允许整车上高压。如果允许上高压，会反馈信号给VCU，同时判断制动踏板和IG Start状态，VCU通过CAN总线向BMS发送高压上电命令，同时接收BMS发送的整车高压的连接状态。

在第二个阶段，动力电池完成上高压后，VCU通过CAN总线向多合一发送预充继电器闭合指令，MCU中有较大的电容，需要先进行预充。确认闭合之后，继续发送主正和辅控继电器闭合指令。

第三个阶段，燃料电池的DCDC(Direct Current)模块是燃料电池和整车高压电系统连接的关键零部件，负责将燃料电池产生的高压电转化成与整车一致的电压。整车上高压电之后，通过多合一输出低压电给到燃料电池DCDC控制器，VCU控制该DCDC控制器的使能信号，同时FCU发出上高压的请求信号，启动燃料电池，完成整车上高压的全部过程。

使用VN1640记录车辆的CAN总线信号，开发和测试分析软件采用的CANoe版本为10.0.114，因图片限制，仅添加充电枪的插入状态、FCU状态、MCU状态、FCU允许上高压信号4个信号，最后1个信号为车辆的高压状态，如图4所示，该车辆完成了高压上电的动作。

图4 IG Start高压上电CAN数据

2.2 充电状态高压上电控制

新能源车型在充电状态下高压上电控制也是比较常见的场景，氢燃料重卡充电状态下上高压与纯电动重卡一致，通过充电枪唤醒信号，并唤醒整车中的相关模块，由VCU控制完成动力电池的高压输入进行充电。充电状态下，整车上高压无需唤醒燃料电池。IG OFF充电高压上电流程见图5。

2.3 常规和故障状态下的高压下电控制

整车运行在REDAY状态下，驾驶员将车钥匙旋转至IG OFF和VCU检测到整车3级故障，高压系统均会下电。具体过程如下：VCU通过CAN向MCU发送电机扭矩为0的指令，判断电机的转速信号，接收MCU反馈的电机工作模式。如果接收到待机模式，VCU向FCU发送停机命令，停止使能燃料电池DCDC，切断燃料电池和整车高压系统；VCU控制多合一断开主正和辅控继电器，VCU向BMS发送下高压的指令。VCU向MCU发送允许快速泄放指令和禁止使能指令，VCU通过CAN发送整车状态为下高压状态。

3 总结和展望

本文在研究氢燃料重卡控制策略的基础上，提出了高压上下电策略。相对于传统的电动车，氢燃料重卡增加了燃料电池系统，上下高压均需要增加对燃料电池相关状态的判断和控制。经过实车的验证，该策略稳定可靠，解决了氢燃料重卡上下高压的问题。后续经过燃料电池的不断发展，该策略会进行适应性的调整，使其能更好地适应整车，在安全、稳定、可靠的前提下，使氢燃料重卡可以更好的运行。

图5 IG OFF充电高压上电流程