燃料电池汽车整车控制策略设计

1  引言

质子交换膜燃料电池被认为是车用燃料电池的最佳选择。但如果燃料电池汽车只有燃料电池一个动力源，就会有成本高、动态性能差和不能进行制动能量回收等缺点。所以，目前的燃料电池汽车主要采用混合驱动模式，即在具有燃料电池的基础上，增加蓄电池或者超级电容作为辅助动力源。

多动力源系统的能量管理策略是整车控制的核心，如何协调燃料电池和其它电源之间的供能是燃料电池汽车开发中必须解决的问题。

2  燃料电池汽车的结构

本文研究对象为燃料电池卡车，其结构如图1。



本车主要由动力电池、BMS、燃料电池及DCF，多合一控制器，电机等组成。动力电池由电池模组、铜排、箱体、高压线束、低压线束、MSD、BDU及电池管理系统等组成，主要作用为新能源车提供电能的吸收、存储和供应，BMS具有对电池电压、电流和温度等参数的实时监测功能，实现高压安全管理、电池状态估算、均衡管理、充放电管理、故障诊断和警示等功能，避免电池过充、过放，延长电池寿命；本系统采用48Ah电芯，系统成组1并152串，额定电压554.8V，额定电量26.3kWh。

电驱动系统由永磁同步电机和电机控制器组成，电机主要作用是将电能转换成机械能，为车辆提供驱动力，电机控制器主要作用是控制电机输出转速和扭矩；电机布置于车辆中部，纵置形式，电机控制器布置于驾驶室下方，采用高压平台，具有转矩闭环控制、转速控制、主/被动放电、转矩能力反馈、降额输出、能量回收、高压互锁、快断接插件、电位均衡、诊断及容错控制等功能。

氢系统主要由储氢、加注、供氢、排空等部件组成，其主要功能是为燃料电池系统提供具有稳定压力的氢气。

储氢功能：主要由氢瓶、瓶阀组成，用于保证氢气的储存安全。

加注功能：由加注受气头、单向阀及管路组成了氢加注系统。

供氢功能：通过两级减压实现氢系统压力的稳定输出，同时设置泄压阀保障供氢管路的安全。

排空功能：用于氢系统的置换、维护及检修。本系统采用P230型燃料电池系统，额定功率40kW，氢瓶的额定储氢压力35MPa，Ⅲ型瓶。

3  燃料电池车整车控制策略设计

燃料电池电动车的整车控制系统实现的主要功能:驾驶员需求信息识别、动力系统的工作状态控制、燃料电池系统的启停控制、多能源能量管理功率分配控制、CAN网络通信及系统故障诊断等，见图2。



整车控制系统(VCU)作为上层控制单元负责协调动力子系统的运行，采集驾驶员控制输入信号，向各子控制系统发送控制指令，动力系统各子控制器的主要功能是接收整车控制器的指令，控制相应部件动作，并向整车控制器反馈部件的状态信息。整车控制系统的核心是能量管理。

在驱动模式下，能量管理系统对燃料电池和蓄电池的能量流动进行合理有效的分配，在满足汽车功率需求的同时，提高整车的燃料经济性。在制动模式下，蓄电池充电电流允许的情况下，能够有效地回收制动能量，提高整车能量利用率。VMS通过输入信号分析驾驶员意图，做出扭矩需求的解释，随后根据动力系统部件的当前状况对驾驶员的扭矩需求进行限制，最后再根据车辆的当前工作状态选择合适的工作模式，并应用该模式下的能源管理策略，对系统进行控制。

VMS在这个过程中的控制策略决定了燃料电池车的动力性能，燃料经济性，以及动力系统关键部件的寿命。因此控制策略需要完成以下几点的任务：

(1)驾驶员需求解释模块。负责对驾驶员的加速踏板、刹车踏板开度信号进行分析，对系统解释驾驶员的扭矩需求。

(2)将驾驶员的意图转化为动力系统的扭矩的需求，由电机转化为真实的扭矩输出。

(3)根据实际的能量需求，通过能量分配模块，将能量的需求在燃料电池和动力电池系统之间合理地分配，保证较高的燃料经济性。

(4)通过能量管理模块的合理分配，调整蓄电池适当地充电和放电，对蓄电池的SOC进行管理，使其保持在合适的范围内。

(5)对动力系统关键部件的负载进行限制，保证该部件的寿命及安全性。因此，驾驶员需求解释模块和能量分配模块需要紧密地协作，来为了完成上述的任务。

此燃料电池车工作状态有如下几种工况：

◆ 汽车起步:由于燃料电池从启动到对外做功，需要一些必要的准备，这时由动力电池给燃料电池系统提供启动电源；车辆纯电行驶，同时当动力蓄电池SOC较高时，纯电动行驶。

◆ 轻载工况：若蓄电池SOC过低时，则燃料电池必须启动，燃料电池单独提供能量驱动车辆行驶同时给蓄电池充电。此时燃料电池的输出功率等于负载功率和动力电池充电功率之和。若蓄电池SOC在正常范围，则尽量让燃料电池工作在高效点，不足和多余部分由蓄电池补充或吸收。

◆ 重载工况：燃料电池高效工作点的输出功率无法满足整车动力性要求，这时必须请求增大燃料电池的功率输出来跟随功率变化。

只要蓄电池SOC没有达到上限，燃料电池除了满足需求功率，还要给蓄电池充电。当蓄电池SOC低于下限时，燃料电池工作在最大功率点附近，给蓄电池供电，以保护蓄电池。

蓄电池SOC在正常范围时，燃料电池则在提供需求功率的同时以恒定功率给它充电。如果燃料电池峰值功率无法满足功率需求，则让蓄电池补充燃料电池峰值功率的不足。这时，蓄电池起到了覆盖功率波动，提高峰值功率和改善瞬态输出特性的作用。

◆ 汽车制动:要求动力电池尽量吸收全部的再生回馈电能，不考虑再生制动对制动性能及车辆稳定性的影响。只有当再生制动已达到最大制动能力但还不能满足制动要求时，机械制动才起作用。

◆ 怠速充电：当车辆怠速时，如果动力电池SOC过低，则用燃料电池给动力电池充电。在燃料电池系统工作时，其输出功率一般不宜太大或太小，以保证燃料电池系统在高效率区工作，同时，燃料电池系统输出功率的变化速率也不宜太大。

4  整车控制策略的试验验证

为验证所设计的控制策略的正确性，将其进行实车验证，如图3。



如图4试验数据可以看出，当车辆启动时（17500-17800S），由于燃料电池需要一些启动准备，动力电池提供整车需求功率，燃料电池的功率为0。



燃料电池启动（17800S）后，整车需求较小时主要由燃料电池提供整车需求功率，同时燃料电池给动力电池充电，动力电池功率为负。

当整车需求功率较大时（18000s），燃料电池提供的功率35kw小于整车需求功率80kw，动力电池和燃料电池同时提供功率，满足整车需求。



松油门时（18081-18098S），如图5，由于燃料电池功率的特性，不能及时收回所有功率，所以一部分功率同制动能量回收功率一同给电池充电，动力电池功率为负。

5  结语

通过标定试验数据，可以看出燃料电池基本保持在功率在合理的范围内，启动次数少，工作区间优，燃料电池适时的给动力电池补电，使动力电池SOC稳定在一个合理的范围内。通过实车验证了所设计的能量管理策略符合预期设计。