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(tài)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(tǒng)的能量管理策略是整車控制的核心，如何協(xié)調燃料電池和其它電源之間的供能是燃料電池汽車開發(fā)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。



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(tǒng)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(shù)的實時監(jiān)測功能，實現(xiàn)高壓安全管理、電池狀態(tài)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(tǒng)采用48Ah電芯，系統(tǒng)成組1并152串，額定電壓554.8V，額定電量26.3kWh。

電驅動系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)提供具有穩(wěn)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(tǒng)。

供氫功能：通過兩級減壓實現(xiàn)氫系統(tǒng)壓力的穩(wěn)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(tǒng)的置換、維護及檢修。本系統(tǒng)采用P230型燃料電池系統(tǒng)，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(tǒng)實現(xiàn)的主要功能:駕駛員需求信息識別、動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)控制、燃料電池系統(tǒng)的啟?？刂?、多能源能量管理功率分配控制、CAN網(wǎng)絡通信及系統(tǒng)故障診斷等，見圖2。



整車控制系統(tǒng)(VCU)作為上層控制單元負責協(xié)調動力子系統(tǒng)的運行，采集駕駛員控制輸入信號，向各子控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，動力系統(tǒng)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(tài)信息。整車控制系統(tǒng)的核心是能量管理。

在驅動模式下，能量管理系統(tǒng)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(jīng)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(jù)動力系統(tǒng)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(jù)車輛的當前工作狀態(tài)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(tǒng)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(jīng)濟性，以及動力系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的扭矩的需求，由電機轉化為真實的扭矩輸出。

(3)根據(jù)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(tǒng)之間合理地分配，保證較高的燃料經(jīng)濟性。

(4)通過能量管理模塊的合理分配，調整蓄電池適當?shù)爻潆姾头烹姡瑢π铍姵氐腟OC進行管理，使其保持在合適的范圍內。

(5)對動力系統(tǒng)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(xié)作，來為了完成上述的任務。

此燃料電池車工作狀態(tài)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(tǒng)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(tài)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(wěn)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(tǒng)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(tǒng)在高效率區(qū)工作，同時，燃料電池系統(tǒng)輸出功率的變化速率也不宜太大。

4  整車控制策略的試驗驗證

為驗證所設計的控制策略的正確性，將其進行實車驗證，如圖3。



如圖4試驗數(shù)據(jù)可以看出，當車輛啟動時（17500-17800S），由于燃料電池需要一些啟動準備，動力電池提供整車需求功率，燃料電池的功率為0。



燃料電池啟動（17800S）后，整車需求較小時主要由燃料電池提供整車需求功率，同時燃料電池給動力電池充電，動力電池功率為負。

當整車需求功率較大時（18000s），燃料電池提供的功率35kw小于整車需求功率80kw，動力電池和燃料電池同時提供功率，滿足整車需求。



松油門時（18081-18098S），如圖5，由于燃料電池功率的特性，不能及時收回所有功率，所以一部分功率同制動能量回收功率一同給電池充電，動力電池功率為負。

5  結語

通過標定試驗數(shù)據(jù)，可以看出燃料電池基本保持在功率在合理的范圍內，啟動次數(shù)少，工作區(qū)間優(yōu)，燃料電池適時的給動力電池補電，使動力電池SOC穩(wěn)定在一個合理的范圍內。通過實車驗證了所設計的能量管理策略符合預期設計。