燃料电池汽车整车控制策略设计

轻型汽车技术2020(8-9)技术纵横 3
技苽纵賴
设计•研究
燃料电池汽车整车控制策略设计
王春芳钟国华孔繁尘
(南京汽车集团有限公司汽车工程研究院）
摘要：燃料电池车能量管理策略主要是平衡各动力总成部件间能量分配，满足整车的动力性及经济性。

同时保证燃料电池的少启动，动力电池S O C维持在一
定的合理范围。

本文设计了一种能量管理分配策略，经过实车验证，满足设计需求。

关键词：电动汽车燃料电池整车控制
1引言
随着能源的日渐短缺，环境污染的日益严重，
零污染,低噪声的新能能源车逐渐发展起来。

氢燃
料电池车作为一种可行方案，已成目前汽车领域
研究热点之一。

它克服纯电动车续驶里程短的缺
点，同时氢燃料电池汽车具有能量转化效率高、污
染小等内燃机汽车不可比拟的优点，而且仍然保 持传统内燃机汽车的加速性能、高速度、长距离行 驶和安全、舒适等性能。

燃料电池是一种将H2和02的化学能通过电 极反应直接转换成电能的装置，其最大特点是能 量转换效率高,可达到60%以上;另外，它还具有 燃料多样性、排气清洁、噪声低、对环境污染小、可 靠性及维修性好等优点[11。

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
图1燃料电池车动力结构
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1〇
本车主要由动力电池、B M S、燃料电池及D C F，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、M S D、B D U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,B M S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
，
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图2整车控制系统的功能
延长电池寿命;本系统米用48A h电芯，系统成组 1并152串，额定电压554.8V，额定电量26.3kWh〇
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 40k W，氢瓶的额定储氢压力35MPa, ID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、C A N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，采集驾驶员控制输人信
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。

V M S通过输人
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。

V M S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S O C
进行管
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图3燃料电池车辆试验
♦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S O C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S O C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S O C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，
图4整车需求，动力电池，燃料电池实时功率
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S O C较高时，纯电动行驶。

♦轻载工况：若蓄电池S O C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S O C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。

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 S O C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
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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35k w小于整车需求功率80k w,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S O C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。

参考文献
1尹安东，越韩，张炳力.燃料电池汽车开发及 产业化的关键技术研究[J].合肥工业大学学报，2006(07).
2孙泽昌，魏学哲，钟再敏.燃料电池汽车动力 系统功率平衡控制策略[J].机械工程学报，2005, 41 (12).
3 陆洋，徐晔，徐宏林.燃料电池在车辆中应用 的技术难关[J].节能，
2006(4).。