燃料電池汽車整車控制策略設計

發布時間：

2022-06-02

質子交換膜燃料電池被認為是車用燃料電池的最佳選擇。但如果燃料電池汽車只有燃料電池一個動力源，就會有成本高、動態性能差和不能進行制動能量回收等缺點。所以，目前的燃料電池汽車主要采用混合驅動模式，即在具有燃料電池的基礎上，增加蓄電池或者超級電容作為輔助動力源。

　　1引言

　　質子交換膜燃料電池被認為是車用燃料電池的最佳選擇。但如果燃料電池汽車只有燃料電池一個動力源，就會有成本高、動態性能差和不能進行制動能量回收等缺點。所以，目前的燃料電池汽車主要采用混合驅動模式，即在具有燃料電池的基礎上，增加蓄電池或者超級電容作為輔助動力源。

　　多動力源系統的能量管理策略是整車控制的核心，如何協調燃料電池和其它電源之間的供能是燃料電池汽車開發中必須解決的問題。

　　2燃料電池汽車的結構

　　本文研究對象為燃料電池卡車，其結構如圖1。

　　

燃料電池車動力結構

 

　　本車主要由動力電池、BMS、燃料電池及DCF，多合一控制器，電機等組成。動力電池由電池模組、銅排、箱體、高壓線束、低壓線束、MSD、BDU及電池管理系統等組成，主要作用為新能源車提供電能的吸收、存儲和供應，BMS具有對電池電壓、電流和溫度等參數的實時監測功能，實現高壓安全管理、電池狀態估算、均衡管理、充放電管理、故障診斷和警示等功能，避免電池過充、過放，延長電池壽命;本系統采用48Ah電芯，系統成組1并152串，額定電壓554.8V，額定電量26.3kWh。

　　電驅動系統由永磁同步電機和電機控制器組成，電機主要作用是將電能轉換成機械能，為車輛提供驅動力，電機控制器主要作用是控制電機輸出轉速和扭矩;電機布置于車輛中部，縱置形式，電機控制器布置于駕駛室下方，采用高壓平臺，具有轉矩閉環控制、轉速控制、主/被動放電、轉矩能力反饋、降額輸出、能量回收、高壓互鎖、快斷接插件、電位均衡、診斷及容錯控制等功能。

　　氫系統主要由儲氫、加注、供氫、排空等部件組成，其主要功能是為燃料電池系統提供具有穩定壓力的氫氣。

　　儲氫功能：主要由氫瓶、瓶閥組成，用于保證氫氣的儲存安全。

　　加注功能：由加注受氣頭、單向閥及管路組成了氫加注系統。

　　供氫功能：通過兩級減壓實現氫系統壓力的穩定輸出，同時設置泄壓閥保障供氫管路的安全。

　　排空功能：用于氫系統的置換、維護及檢修。本系統采用P230型燃料電池系統，額定功率40kW，氫瓶的額定儲氫壓力35MPa，Ⅲ型瓶。

　　3燃料電池車整車控制策略設計

　　燃料電池電動車的整車控制系統實現的主要功能:駕駛員需求信息識別、動力系統的工作狀態控制、燃料電池系統的啟停控制、多能源能量管理功率分配控制、CAN網絡通信及系統故障診斷等，見圖2。

　　

整車控制系統的功能

 

　　整車控制系統(VCU)作為上層控制單元負責協調動力子系統的運行，采集駕駛員控制輸入信號，向各子控制系統發送控制指令，動力系統各子控制器的主要功能是接收整車控制器的指令，控制相應部件動作，并向整車控制器反饋部件的狀態信息。整車控制系統的核心是能量管理。

　　在驅動模式下，能量管理系統對燃料電池和蓄電池的能量流動進行合理有效的分配，在滿足汽車功率需求的同時，提高整車的燃料經濟性。在制動模式下，蓄電池充電電流允許的情況下，能夠有效地回收制動能量，提高整車能量利用率。VMS通過輸入信號分析駕駛員意圖，做出扭矩需求的解釋，隨后根據動力系統部件的當前狀況對駕駛員的扭矩需求進行限制，最后再根據車輛的當前工作狀態選擇合適的工作模式，并應用該模式下的能源管理策略，對系統進行控制。

　　VMS在這個過程中的控制策略決定了燃料電池車的動力性能，燃料經濟性，以及動力系統關鍵部件的壽命。因此控制策略需要完成以下幾點的任務：

　　(1)駕駛員需求解釋模塊。負責對駕駛員的加速踏板、剎車踏板開度信號進行分析，對系統解釋駕駛員的扭矩需求。

　　(2)將駕駛員的意圖轉化為動力系統的扭矩的需求，由電機轉化為真實的扭矩輸出。

　　(3)根據實際的能量需求，通過能量分配模塊，將能量的需求在燃料電池和動力電池系統之間合理地分配，保證較高的燃料經濟性。

　　(4)通過能量管理模塊的合理分配，調整蓄電池適當地充電和放電，對蓄電池的SOC進行管理，使其保持在合適的范圍內。

　　(5)對動力系統關鍵部件的負載進行限制，保證該部件的壽命及安全性。因此，駕駛員需求解釋模塊和能量分配模塊需要緊密地協作，來為了完成上述的任務。

　　此燃料電池車工作狀態有如下幾種工況：

　　◆汽車起步:由于燃料電池從啟動到對外做功，需要一些必要的準備，這時由動力電池給燃料電池系統提供啟動電源;車輛純電行駛，同時當動力蓄電池SOC較高時，純電動行駛。

　　◆輕載工況：若蓄電池SOC過低時，則燃料電池必須啟動，燃料電池單獨提供能量驅動車輛行駛同時給蓄電池充電。此時燃料電池的輸出功率等于負載功率和動力電池充電功率之和。若蓄電池SOC在正常范圍，則盡量讓燃料電池工作在高效點，不足和多余部分由蓄電池補充或吸收。

　　◆重載工況：燃料電池高效工作點的輸出功率無法滿足整車動力性要求，這時必須請求增大燃料電池的功率輸出來跟隨功率變化。

　　只要蓄電池SOC沒有達到上限，燃料電池除了滿足需求功率，還要給蓄電池充電。當蓄電池SOC低于下限時，燃料電池工作在最大功率點附近，給蓄電池供電，以保護蓄電池。

　　蓄電池SOC在正常范圍時，燃料電池則在提供需求功率的同時以恒定功率給它充電。如果燃料電池峰值功率無法滿足功率需求，則讓蓄電池補充燃料電池峰值功率的不足。這時，蓄電池起到了覆蓋功率波動，提高峰值功率和改善瞬態輸出特性的作用。

　　◆汽車制動:要求動力電池盡量吸收全部的再生回饋電能，不考慮再生制動對制動性能及車輛穩定性的影響。只有當再生制動已達到最大制動能力但還不能滿足制動要求時，機械制動才起作用。

　　◆怠速充電：當車輛怠速時，如果動力電池SOC過低，則用燃料電池給動力電池充電。在燃料電池系統工作時，其輸出功率一般不宜太大或太小，以保證燃料電池系統在高效率區工作，同時，燃料電池系統輸出功率的變化速率也不宜太大。