楊志超，張學(xué)鋒，王 卓

（大運汽車股份有限公司技術(shù)中心，山西 運城 044000）

氫燃料電池汽車整車控制策略作為燃料電池汽車核心控制技術(shù)，影響整車的安全可靠性、動力性、經(jīng)濟性及燃料電池使用壽命和效率。整車控制策略包括整車上下高壓管理、故障管理、能量管理、附件控制等多個環(huán)節(jié)。成熟可靠的整車控制策略對燃料電池汽車整車安全穩(wěn)定運行，及燃料電池使用效率和壽命有極為關(guān)鍵的作用。為推動中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康、科學(xué)有序的發(fā)展，2020年9月16日，國家各部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于展開燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，在支持燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的同時，重點支持重型燃料電池商用車的應(yīng)用，將其作為純電動重卡的續(xù)駛里程不足補充，帶動新能源商用車關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新突破。

氫燃料電池汽車的整車控制系統(tǒng)是整車匹配研發(fā)設(shè)計過程中的關(guān)鍵?；谡噷用鎭砜矗噯⑼?（純電及燃料電池系統(tǒng)上下電控制）、燃料電池系統(tǒng)的能量分配管理是最為重要的環(huán)節(jié)。

1 氫燃料商用車整車控制架構(gòu)

氫燃料電池商用車控制系統(tǒng)主要包括：整車控制器 （簡稱VCU）、氫燃料電池及其控制器 （簡稱FCU）、儲氫系統(tǒng)及其控制器 （簡稱HCU）、升壓DCDC等系統(tǒng)及其附件。

1.1 行業(yè)現(xiàn)有控制架構(gòu)方案

根據(jù)控制對象不同，新能源氫燃料電池商用車氫系統(tǒng)存在各種不同的控制方法。

1） 方案1：儲氫系統(tǒng)及控制器HCU、升壓DCDC由氫燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)商集成，HCU和升壓DCDC由FCU控制，具體見圖1。這種控制方案的優(yōu)點：HCU和升壓DCDC由FCU控制，整車控制相對容易，VCU工作量小。缺點：儲氫系統(tǒng)及控制器HCU、升壓DCDC由氫燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)商集成，不利于主機廠自主選型儲氫系統(tǒng)及控制器HCU、升壓DCDC。VCU不能直接控制HCU和升壓DCDC，必須經(jīng)過FCU才能控制，影響HCU和升壓DCDC控制的動態(tài)響應(yīng)。

圖1 控制方案1

2） 方案2：升壓DCDC由氫燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)商集成，F(xiàn)CU控制升壓DCDC，具體見圖2。儲氫系統(tǒng)及控制器HCU作為獨立系統(tǒng)，由主機廠集成和采購，HCU由VCU控制。這種控制方案的優(yōu)點：FCU控制升壓DCDC，減少了VCU的工作量，儲氫系統(tǒng)及HCU由主機廠選型配套，提高主機廠選型的靈活性。缺點：升壓DCDC由FCU集成，不利于主機廠自主選型升壓DCDC。VCU不能直接控制升壓DCDC，影響控制的動態(tài)響應(yīng)。為了氫燃料電池系統(tǒng)的安全，部分氫燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)商將FCU和升壓DCDC集成在一起出售。

圖2 控制方案2

3） 方案3：VCU集成FCU功能，氫燃料電池內(nèi)部各系統(tǒng)直接由VCU負責(zé)控制。升壓DCDC和HCU作為獨立系統(tǒng)，由VCU控制，具體見圖3。該方案的優(yōu)點：整車集成度高，氫系統(tǒng)全部都由主機廠選擇。缺點：氫燃料電池控制專業(yè)性強，控制難度大，主機廠必須有專業(yè)的燃料電池控制人員。目前國內(nèi)極少數(shù)技術(shù)實力很強的主機廠采用這種方案。

圖3 控制方案3

1.2 新的控制架構(gòu)

方案1和方案2存在的主要問題是，因為主機廠缺乏HCU和升壓DCDC控制技術(shù)，儲氫系統(tǒng)及HCU、升壓DCDC由氫燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)商集成，主機廠不能對儲氫系統(tǒng)及HCU、升壓DCDC自主選型。VCU不能直接控制HCU和升壓DCDC，影響HCU和升壓DCDC控制的動態(tài)響應(yīng)時間。方案3存在的問題是：氫燃料電池內(nèi)部各系統(tǒng)控制難度很大，必須有專業(yè)的研發(fā)團隊和設(shè)備。VCU集成FCU功能，增加VCU的軟硬件配置，造成VCU軟硬件復(fù)雜，控制難度大。

針對現(xiàn)有新能源氫燃料電池商用車氫系統(tǒng)控制方法存在的問題，為實現(xiàn)VCU控制HCU、升壓DCDC、FCU，實現(xiàn)主機廠對儲氫系統(tǒng)及HCU、升壓DCDC、FCU集成和選型。經(jīng)過研究分析開發(fā)一種新的控制架構(gòu)。

1） 新的控制架構(gòu)由主機廠選擇獨立的儲氫系統(tǒng)及控制器HCU、獨立的升壓DCDC進行集成和控制，具體見圖4。主機廠制定整車CAN通信網(wǎng)絡(luò)拓撲，編制FCU、HCU、升壓DCDC與VCU的通信協(xié)議和電氣接口。實現(xiàn)主機廠對氫燃料電池及FCU、儲氫系統(tǒng)及HCU、升壓DCDC的集成、匹配選型。

圖4 新控制架構(gòu)

2） 針對新的控制架構(gòu)，主機廠開發(fā)升壓DCDC、HCU、FCU的控制策略和相應(yīng)的VCU控制程序，滿足整車需求和FCU控制的需求?？刂撇呗灾贫ㄍ瓿珊?，通過VCU實施。

2 新控制架構(gòu)控制方法

上述新控制架構(gòu)適合現(xiàn)階段各主機廠的整車控制開發(fā)模式，本文對新控制架構(gòu)的整車啟停控制及運行過程中的能量管理控制進行具體論述。

2.1 燃料電池啟動控制

氫燃料電池車型可以在純電模式下運行，純電部分啟停功能獨立于燃料電池系統(tǒng)，主要功能為結(jié)合駕駛員意圖，BMS、氫燃料電池和多合一控制器的反饋狀態(tài)，控制整車高壓回路繼電器的開閉，以實現(xiàn)整車純電系統(tǒng)正常上下高壓。純電系統(tǒng)啟?？刂剖袌鰬?yīng)用已成熟本文不再論述。

2.1.1 燃料電池系統(tǒng)喚醒待機條件

1） 整車低壓上電完成，整車各控制器自檢完成。

2） 整車純電系統(tǒng)上電完成處于wait狀態(tài)。

3） VCU給HCU發(fā)送開氫瓶閥指令，HCU打開氫氣瓶閥并自檢，無報警信息后保持瓶閥打開狀態(tài)并向VCU反饋瓶閥狀態(tài)和氫氣壓力。

4） FCU判斷高壓上電狀態(tài)及內(nèi)部氫氣壓力狀態(tài)滿足要求進入待機狀態(tài)。

注：在以上過程中若FCU或HCU檢測到故障則上報故障給VCU，VCU則停止喚醒流程。

2.1.2 燃料電池系統(tǒng)啟動運行流程

1） VCU判斷以下條件同時滿足向氫燃料電池控制器發(fā)送開機命令：①整車未處于充電狀態(tài)；②整車狀態(tài)為Ready；③燃料電池系統(tǒng)處于喚醒待機狀態(tài)；④燃料系統(tǒng)開啟開關(guān)信號有效；⑤VCU判斷SOC及整車功率需求滿足燃料電池啟動條件。

2） FCU啟動后，VCU根據(jù)動力電池SOC值和整車需求功率確定目標(biāo)功率，再將目標(biāo)功率發(fā)送給FCU，燃料電池系統(tǒng)進入運行狀態(tài)。

3） FCU根據(jù)目標(biāo)功率和燃料電池當(dāng)前可輸出功率給VCU反饋燃料電池預(yù)測功率，VCU將預(yù)測功率發(fā)送給升壓DCDC。

4） 升壓DCDC將預(yù)測功率輸出給整車。

2.1.3 燃料電池啟動流程圖

燃料電池啟動流程圖見圖5。

2.2 燃料電池系統(tǒng)停機控制

整車停機控制分為正常關(guān)機控制和故障關(guān)機控制，正常關(guān)機是指車輛正常工作完成后，正常停機所執(zhí)行的關(guān)機控制流程，故障關(guān)機是指整車在運行過程出現(xiàn)3級故障后需執(zhí)行的關(guān)機控制流程。

2.2.1 燃料電池正常關(guān)機

1） VCU根據(jù)ON擋信號或FC信號狀態(tài)給FCU發(fā)送關(guān)機指令。

2） FCU收到關(guān)機指令，按照流程關(guān)機，此階段不能關(guān)斷低壓電源和高壓電源。

圖5 燃料電池啟動流程圖

3） 燃料電池關(guān)機完成進入待機狀態(tài)，若燃料電池故障則進入故障狀態(tài)，并將狀態(tài)反饋給VCU。

4） VCU給HCU發(fā)送關(guān)閉瓶閥指令，HCU關(guān)閉瓶閥。

2.2.2 燃料電池系統(tǒng)故障關(guān)機

1） 整車出現(xiàn)3級故障時，VCU給FCU發(fā)送關(guān)機指令，F(xiàn)CU收到關(guān)機指令，按照流程關(guān)機，此階段不能關(guān)斷低壓電源和高壓電源。如果動力電池發(fā)生極限電壓、極限過溫、火災(zāi)報警，則由BMS主動斷開高壓連接。

2） 如果燃料電池出現(xiàn)3級故障，VCU給FCU發(fā)關(guān)機指令，燃料電池出現(xiàn)1、2級故障，VCU不做處理。

3） 如果儲氫系統(tǒng) （HCU） 出現(xiàn)3級故障，VCU給FCU發(fā)關(guān)機指令，儲氫系統(tǒng) （HCU） 出現(xiàn)1、2級故障，VCU不做處理。

4） 燃料電池進入待機狀態(tài)，VCU給HCU發(fā)送關(guān)閉瓶閥指令，HCU關(guān)閉瓶閥。

2.3 整車能量管理控制

高效率低功耗是整車經(jīng)濟性的重要體現(xiàn)，在保證整車動力性的前提下，能量管理控制是整車控制的核心，現(xiàn)階段氫燃料電池能量控制策略基本采用3種方式，分別是On/Off控制策略、功率跟隨控制策略、瞬時優(yōu)化最佳能耗控制策略。On/Off控制策略中的燃料電池輸出目標(biāo)功率單純以動力電池的SOC上下閾值為參考，只關(guān)聯(lián)和保證動力電池的SOC，沒有慮燃料電池的效率及需求，燃料電池頻繁啟停，效率較低。功率跟隨控制策略中，燃料電池系統(tǒng)輸出功率一直在變化，效率較低。瞬時優(yōu)化最佳能耗控制策略控制比較復(fù)雜，控制系統(tǒng)控制困難，難以實現(xiàn)且故障較高。

氫燃料車型整車能量平衡公式如下：

燃料電池輸出功率（PFCU）+動力電池輸出功率（PBAT）=驅(qū)動系統(tǒng)消耗功率（PMOT）+附件消耗功率（PAUX）

整車運行過程中，燃料電池可以輸出功率，即PFCU=PMOT+PAUX-PBAT，若PFCU＞（PMOT+PAUX），燃料電池輸出功率過剩，向動力電池充電，若PFCU＜（PMOT+PAUX），燃料電池輸出功率不足，由動力電池補償。

氫燃料車型能量管理策略不僅要實現(xiàn)燃料電池發(fā)動機和動力電池兩個動力源輸出功率平衡，還要解決運行過程中燃料電池頻繁啟動帶來的燃料電池壽命低、故障率高的問題及因為燃料電池輸出目標(biāo)功率和整車需求功率實時關(guān)聯(lián)，造成車輛在加速、減速、制動等整車需求功率變化而導(dǎo)致燃料電池輸出目標(biāo)功率大幅變化，從而影響燃料電池壽命，效率降低的問題。

為實現(xiàn)燃料電池輸出功率與動力電池SOC值、整車用功功率進行控制，將動力電池SOC劃分成N個SOC段，N＞3，將整車用功功率需求劃分成M個功率段，M＞3，N個SOC段和M個功率段構(gòu)成N×M個燃料電池輸出目標(biāo)功率段，控制每個目標(biāo)功率段內(nèi)輸出功率不變化，段和段之間采用滯回控制，整車控制簡單，易于實現(xiàn)。每個整車用功功率段根據(jù)動力電池的荷電狀態(tài)SOC的不同，來進行控制；燃料電池的輸出目標(biāo)功率同時關(guān)聯(lián)動力電池的SOC和整車功率需求；在整車功率需求相同的情況下，燃料電池的輸出目標(biāo)功率根據(jù)動力電池SOC增加而減少；在動力電池SOC相同的情況下，燃料電池的輸出目標(biāo)功率根據(jù)整車功率需求增加而增加。

以100kW燃料電池系統(tǒng)為例，VCU請求燃料電池系統(tǒng)輸出功率如表1所示。

3 結(jié)語

各主機廠在不同階段應(yīng)采取適應(yīng)該階段產(chǎn)品開發(fā)的控制架構(gòu)，合適的控制架構(gòu)不僅能使主機廠對關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)進行自主選型，同時也能夠使其掌握整車開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，對企業(yè)的長遠發(fā)展有著很大的幫助，為了保證整車的安全性、可靠性及經(jīng)濟性，主機廠在制定控制策略時要仔細、慎重，必須經(jīng)過反復(fù)多次的試驗驗證才能確認(rèn)最終的技術(shù)狀態(tài)。

表1 VCU請求燃料電池系統(tǒng)輸出功率表kW