燃料電池汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)怠速啟?？刂蒲芯?/h1>
2021-03-07 02:29:12李正輝贠海濤魏永琪
電源技術(shù) 2021年2期 關(guān)鍵詞：系統(tǒng)
李正輝， 贠海濤，胡 帥， 魏永琪
(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東青島266520)
化石燃料對(duì)環(huán)境的影響促使人們致力于開發(fā)一種可替代的清潔和可持續(xù)的能源，近年來，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)由于改進(jìn)了轉(zhuǎn)換效率、生態(tài)友好、靜音操作和靈活，逐漸取代了其他傳統(tǒng)的燃料電池[1]。隨著燃料電池汽車技術(shù)的興起，燃料電池汽車被認(rèn)為是21 世紀(jì)最有前途的新能源清潔型汽車，世界各國的汽車廠商正竟相研究開發(fā)[2]。怠速及啟停等工況是影響燃料電池壽命及其耐久性、燃料電池系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及其商業(yè)化等的主要技術(shù)難題。
袁弘勛等建立了燃料電池三維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了車用怠速工況下的仿真研究，獲得了使燃料電池保持在較優(yōu)怠速工況下的最優(yōu)參數(shù)水平組合，及其對(duì)燃料電池性能影響的主次因素[3]。衣寶廉等提出燃料電池在啟動(dòng)、停車、怠速以及帶有高電位的動(dòng)態(tài)循環(huán)過程中，會(huì)導(dǎo)致材料性能加速衰減，如催化劑的溶解與聚集、聚合物膜降解等[4]。此外，美國UTC 公司在專利中闡述了怠速限電位的方法，提出通過調(diào)小空氣量同時(shí)循環(huán)尾排空氣、降低氧濃度的辦法，達(dá)到抑制電位過高的目的[5]。趙勇等對(duì)于燃料電池汽車在頻繁變載、啟停、連續(xù)低載和怠速工況下導(dǎo)致的燃料電池壽命衰減問題，設(shè)計(jì)了基于模糊控制與開關(guān)控制的滑動(dòng)平均濾波復(fù)合能量管理策略。仿真結(jié)果表明，該策略在保證蓄電池安全性的情況下，減少了燃料電池壽命衰減的工況并且提升了其耐久性[6]。
目前，大多文獻(xiàn)都對(duì)燃料電池的模型與內(nèi)部特性以及燃料電池系統(tǒng)壓力溫度控制等進(jìn)行了研究，涉及燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的怠速啟?？刂婆c流程相關(guān)的研究文獻(xiàn)較少。故本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)某燃料電池汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)，提出了適用于車用質(zhì)子交換膜燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的怠速啟停控制策略，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，整車功率需求能夠滿足燃料電池汽車怠速啟停需求功率輸出，實(shí)現(xiàn)了燃料的高效利用。
1 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
對(duì)燃料電池的陽極供應(yīng)燃料氣體氫氣，對(duì)陰極供應(yīng)氧化劑氣體空氣，則電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而發(fā)電，只生成無害的水。因此從對(duì)環(huán)境的影響來說，燃料電池作為汽車動(dòng)力源也是優(yōu)選。怠速工況與整車系統(tǒng)的工作過程關(guān)系密切，本文針對(duì)某燃料電池汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)燃料電池怠速啟停控制進(jìn)行研究分析，整車動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 燃料電池混和動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括燃料電池系統(tǒng)、單向DC/DC、氫鎳電池系統(tǒng)、超級(jí)電容、雙向DC/DC、電機(jī)以及控制器等，其中燃料電池作為動(dòng)力系統(tǒng)的主動(dòng)力源，氫鎳電池與超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力源。超級(jí)電容具有快充快放的特點(diǎn)，滿足車輛突然加速等工況的瞬間大功率輸出要求；氫鎳電池可以穩(wěn)定系統(tǒng)的電機(jī)母線端電壓，彌補(bǔ)在超級(jí)電容電量不足時(shí)的功率輸出。在以這樣的燃料電池系統(tǒng)為動(dòng)力源的燃料電池車輛中，如果在交通堵塞或者遇到紅燈等待時(shí)，通過判斷車輛系統(tǒng)的狀態(tài)，使燃料電池繼續(xù)進(jìn)行怠速停止或發(fā)電的情況。當(dāng)整車系統(tǒng)有功率輸出，燃料電池系統(tǒng)正常工作，超級(jí)電容和氫鎳電池電量不足時(shí)，燃料電池系統(tǒng)自然會(huì)多輸出一部分功率來給兩大電源進(jìn)行充電。本文重點(diǎn)討論的是當(dāng)整車系統(tǒng)無功率輸出時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)通過判斷車輛狀態(tài)、超級(jí)電容和氫鎳電池的電量來使燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入到怠速狀態(tài)。
2 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)怠速啟停控制要求
對(duì)于燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)和燃料電池的怠速控制的文獻(xiàn)較少，且燃料電池系統(tǒng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)大多分離進(jìn)行研究，但燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的怠速過程與燃料電池系統(tǒng)的狀態(tài)以及控制過程是密切相關(guān)的。二者的相關(guān)性體現(xiàn)在：(1)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入怠速狀態(tài)的控制信號(hào)由整車系統(tǒng)提供，在控制架構(gòu)上整車VCU 控制器對(duì)燃料電池系統(tǒng)所起到的是上位機(jī)的作用；(2)整車系統(tǒng)VCU 會(huì)直接影響燃料電池系統(tǒng)的控制效果，因?yàn)槿剂想姵氐妮敵鲭娏骱凸β适怯烧囅到y(tǒng)直接進(jìn)行控制的；(3)整車系統(tǒng)的優(yōu)化控制會(huì)影響燃料電池本身的性能，而燃料電池性能的提高也會(huì)促進(jìn)整車系統(tǒng)的發(fā)展，二者都肩負(fù)整個(gè)系統(tǒng)的效率和使用壽命的任務(wù)，二者之間是相互影響相互促進(jìn)的一種關(guān)系，要實(shí)現(xiàn)的功能效果都是一致的。
設(shè)計(jì)怠速策略時(shí)必須考慮兩點(diǎn)，怠速狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，除了要求滿足燃料電池的壽命要求外，還要滿足其快速拉載要求，以實(shí)現(xiàn)怠速狀態(tài)快速啟動(dòng)，主要影響在于冷卻液溫度，在冷卻液溫度過低時(shí)不宜快速拉載。燃料電池壽命受影響存在兩種狀態(tài)：(1)單電池電壓過高，高于0.85～0.90 V 時(shí)會(huì)影響電堆壽命[4]。而燃料電池輸出功率越低，單電池電壓越高，最高到1 V，燃料電池在低功率時(shí)必然影響壽命。燃料電池怠速就是讓燃料電池工作在低功率狀態(tài)，因此如何降低燃料電池功率的同時(shí)降低單電池電壓也就是該問題的核心；(2)根據(jù)反向電流機(jī)理，燃料電池在啟動(dòng)和停機(jī)的過程時(shí)，由于濃度作用導(dǎo)致陽極部分區(qū)域被陰極空氣占據(jù)，從而導(dǎo)致氧氣被還原，形成氫-空界面，最終導(dǎo)致陰極的電勢高達(dá)1.44 V，催化劑載體很容易發(fā)生氧化反應(yīng)使電堆性能發(fā)生永久性衰減[7]。在控制電堆啟停時(shí)應(yīng)該使這一過程盡可能地變短，從而提高燃料電池的輸出特性，減緩其性能的衰減以及提高電堆使用壽命，因此，燃料電池在怠速狀態(tài)時(shí)也同樣應(yīng)該避免或縮短這一過程。燃料電池系統(tǒng)在直接關(guān)機(jī)后，氫氣會(huì)被空氣路殘余氧氣消耗，最后氫氣路氣壓低，氧氣會(huì)透過膜電極進(jìn)入陽極，當(dāng)燃料電池陽極存在氫氣氧氣時(shí)，相對(duì)電勢可達(dá)1.4 V 會(huì)影響電堆壽命。
燃料電池的怠速應(yīng)該存在兩種狀態(tài)[8]：(1)怠速充電狀態(tài)：該狀態(tài)下，燃料電池發(fā)出一部分功率給超級(jí)電容或者氫鎳電池充電，這可以讓燃料電池存在一定的輸出功率，使電壓低于0.85 V，減少燃料電池壽命或者性能衰減；(2)怠速“關(guān)機(jī)”：首先并非直接關(guān)機(jī)，而是讓燃料電池低功率運(yùn)行，僅保持自身輔助系統(tǒng)(BOP)功率消耗需求，或者更低的功率需求。同時(shí)產(chǎn)生一定熱量使冷卻液溫度不快速降低，滿足快速拉載要求。目前市場常見商用車系統(tǒng)由于配備電池功率較大，不存在怠速“關(guān)機(jī)”工況，但乘用車由于動(dòng)力電池電量有限，必須考慮該工況。
據(jù)以上考慮，本文的怠速控制過程如圖2 所示。整車VCU 控制器通過判斷氫鎳電池、超級(jí)電容和車輛狀態(tài)使燃料電池系統(tǒng)從正常運(yùn)行進(jìn)入到怠速過程，氫鎳電池或超級(jí)電容電量不足時(shí)，燃料電池系統(tǒng)發(fā)出一部分功率給其充電，充電完成后關(guān)閉燃料電池空氣系統(tǒng)，用DC 或者負(fù)載進(jìn)行拉載消耗剩余氧氣，再進(jìn)入怠速等待狀態(tài)(此時(shí)的怠速等待過程是指燃料電池空氣系統(tǒng)關(guān)閉，燃料電池電壓低于200 mV，氫氣系統(tǒng)并沒有關(guān)閉)。若車輛系統(tǒng)有功率需求再使燃料電池恢復(fù)正常運(yùn)行輸出功率的狀態(tài)；若整車系統(tǒng)并無功率需求且等待時(shí)間較長，燃料電池系統(tǒng)將關(guān)閉進(jìn)入到準(zhǔn)備啟動(dòng)的狀態(tài)；如果燃料電池系統(tǒng)在怠速充電過程中并且整車對(duì)燃料電池系統(tǒng)有功率需求，這時(shí)燃料電池系統(tǒng)就會(huì)重新進(jìn)入到正常運(yùn)行的狀態(tài)。
圖2 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的怠速控制過程
3 燃料電池系統(tǒng)在混合動(dòng)力系統(tǒng)中怠速啟停Simulink 控制流程模型
3.1 燃料電池怠速控制過程的Stateflow 模型及狀態(tài)
通過在燃料電池系統(tǒng)Simulink 控制過程中搭建其怠速控制過程的Stateflow 模型，并下載到控制器在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架應(yīng)用，如圖3 所示。燃料電池系統(tǒng)通過接收到整車VCU 的怠速控制信號(hào)進(jìn)入怠速狀態(tài)。各狀態(tài)間的切換過程有燃料電池上電初始化、啟動(dòng)過程、正常工作過程、故障停機(jī)過程、鑰匙關(guān)機(jī)、緊急停機(jī)過程、怠速停機(jī)和怠速等待過程。
圖3 燃料電池系統(tǒng)怠速啟停Stateflow控制流程模型
本文重點(diǎn)討論燃料電池系統(tǒng)在怠速狀態(tài)間的切換以及啟停過程。其中，燃料電池在進(jìn)入怠速充電過程時(shí)，是通過判斷超級(jí)電容電壓和氫鎳電池SOC 的值來進(jìn)行狀態(tài)切換，因?yàn)槌?jí)電容在放電過程中電量減小時(shí)，其電壓是在下降的；在從怠速等待過程進(jìn)入燃料電池重新啟動(dòng)時(shí)，可通過判斷燃料電池電壓、氫鎳電池SOC 值或者整車功率需求來進(jìn)行狀態(tài)切換。
3.2 燃料電池怠速程序?qū)崿F(xiàn)過程
燃料電池系統(tǒng)在進(jìn)入怠速時(shí)，其程序?qū)崿F(xiàn)過程如圖4 所示。燃料電池系統(tǒng)接到整車VCU 控制器的怠速停止信號(hào)時(shí)，通過判斷超級(jí)電容電壓、氫鎳電池的SOC 值和燃料電池電壓來使燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入到怠速狀態(tài)。進(jìn)入怠速充電狀態(tài)時(shí)，若車輛在此有功率需求，燃料電池系統(tǒng)又會(huì)回到正常運(yùn)行狀態(tài)，怠速充電本身就是燃料電池低功率狀態(tài)的正常運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)在進(jìn)入到怠速停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉空氣系統(tǒng)，使陽極氫氣消耗陰極氧氣，這時(shí)可用DC 變換器或者小型負(fù)載消耗此時(shí)產(chǎn)生的電流，防止燃料電池單體電壓過高，燃料電池性能衰減。燃料電池單體電壓小于200 mV 時(shí)就可以進(jìn)入到怠速等待過程，此時(shí)再通過判斷超級(jí)電容電壓、氫鎳電池和車輛需求功率來使燃料電池系統(tǒng)重新啟動(dòng)，若此時(shí)車輛沒有功率需求，超級(jí)電容和氫鎳電池也沒有輸出功率，通過時(shí)限使燃料電池氫氣系統(tǒng)關(guān)閉，進(jìn)入準(zhǔn)備啟動(dòng)狀態(tài)。
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析
本文通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，測試并記錄了混合動(dòng)力系統(tǒng)在燃料電池開機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)入到怠速充電過程，再到怠速停止等待，最后再收到整車需求功率時(shí)，再重新恢復(fù)運(yùn)行的工作狀態(tài)，其過程如圖4 所示。狀態(tài)碼值為4 表示燃料電池處于準(zhǔn)備啟動(dòng)狀態(tài)，為1 表示燃料電池處于啟動(dòng)狀態(tài)，為2 表示燃料電池處于正常運(yùn)行狀態(tài)，為12 表示燃料電池處于怠速停止?fàn)顟B(tài)，為13 表示燃料電池處于怠速等待狀態(tài)，為5 表示燃料電池處于鑰匙停機(jī)狀態(tài)。
圖4 燃料電池怠速程序?qū)崿F(xiàn)
由圖5可以看到，燃料電池系統(tǒng)從準(zhǔn)備啟動(dòng)狀態(tài)經(jīng)啟動(dòng)過程到正常運(yùn)行狀態(tài)，接到怠速信號(hào)時(shí)進(jìn)行怠速充電，充電完成后又經(jīng)過怠速停機(jī)進(jìn)入怠速等待狀態(tài)，接到重啟命令后又快速回到正常運(yùn)行狀態(tài)的過程。在這個(gè)過程中，燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)電源的電流如圖6 所示，燃料電池系統(tǒng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)燃料電池的功率需求的關(guān)系如圖7 所示。結(jié)合兩圖數(shù)據(jù)可以看出，混合動(dòng)力系統(tǒng)在300 s附近時(shí)沒有功率輸出，此時(shí)燃料電池系統(tǒng)接收到怠速命令進(jìn)入到怠速充電狀態(tài)。
圖6 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)電流
圖7 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)與燃料電池的功率關(guān)系
圖8 和圖9 分別描述了超級(jí)電容和氫鎳電池的SOC 值以及其電壓的變化過程，混合動(dòng)力系統(tǒng)分別在數(shù)據(jù)記錄的開始和最后經(jīng)過兩次功率輸出，通過判斷兩個(gè)輔助電源的電量和整車系統(tǒng)的狀態(tài)，使燃料電池分別進(jìn)入到相應(yīng)的狀態(tài)。從兩圖可以看出，燃料電池在800 s 左右時(shí)其狀態(tài)達(dá)到相應(yīng)限值進(jìn)入到怠速等待狀態(tài)，當(dāng)車輛系統(tǒng)又進(jìn)行功率輸出時(shí)，燃料電池快速重新啟動(dòng)。
圖9 超級(jí)電容與燃料電池電壓
在整個(gè)測試過程中，記錄了部分燃料電池單體電壓的變化過程，如圖10 所示。在整車動(dòng)力系統(tǒng)功率輸出即車輛在加速減速時(shí)，超級(jí)電容和氫鎳電池也會(huì)補(bǔ)充系統(tǒng)能量，燃料電池的功率在頻繁變化，其單體電壓也在波動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入到怠速充電時(shí)，燃料電池以一定功率給兩個(gè)輔助電源充電，單體電壓的變化相對(duì)穩(wěn)定，基本在800 mV 左右波動(dòng)。而在800～900 s 燃料電池關(guān)閉空氣系統(tǒng)進(jìn)入到怠速等待狀態(tài)時(shí)，燃料電池單體電壓在升高，這是由于實(shí)驗(yàn)條件限制，并沒有用負(fù)載來拉載燃料電池系統(tǒng)，若此時(shí)拉載燃料電池，其陰極氧氣將會(huì)被迅速消耗，燃料電池電壓將會(huì)快速降低。
圖10 燃料電池的單體電壓變化
圖11 混合動(dòng)力系統(tǒng)各動(dòng)力源輸出功率
圖11 為混合動(dòng)力系統(tǒng)燃料電池、超級(jí)電容和氫鎳電池的輸出功率關(guān)系，其中氫鎳電池輸出功率為正表示其在充電，超級(jí)電容輸出功率為負(fù)表示其在放電，可以看出其趨勢變化與圖6 中電流的變化趨勢相吻合。超級(jí)電容的輸出功率變化較為頻繁，這是由于其快充快放的特性決定的。圖中經(jīng)過0～300 s 和800～1 000 s 時(shí)，是混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)外輸出功率的過程，結(jié)合圖7 可以看出，基本上能夠滿足混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率需求。而在300～800 s 過程中是混合動(dòng)力系統(tǒng)的兩個(gè)輔助動(dòng)力源的怠速充電過程，充電完成后進(jìn)入怠速等待的狀態(tài)，在800 s 附近混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)燃料電池系統(tǒng)有功率需求時(shí)，又進(jìn)行了重新啟動(dòng)。
5 結(jié)論
本文研究了燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的怠速起?？刂菩Ч?，針對(duì)某燃料電池混合動(dòng)力汽車提出了混合動(dòng)力系統(tǒng)的怠速啟停控制策略。經(jīng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析可知：
(1)怠速控制過程可由輔助電源和車輛系統(tǒng)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)；
(2)燃料電池單體電壓在怠速過程中可用小型負(fù)載來使其降低；
(3)控制策略過程可以根據(jù)整車功率需求滿足燃料電池汽車怠速啟停需求功率，滿足汽車系統(tǒng)在啟停狀態(tài)下的功率輸出與狀態(tài)要求，能夠縮短系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，有利于對(duì)燃料高效利用，對(duì)燃料電池系統(tǒng)怠速運(yùn)行過程的研究與應(yīng)用具有重要意義。
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對(duì)燃料電池的陽極供應(yīng)燃料氣體氫氣，對(duì)陰極供應(yīng)氧化劑氣體空氣，則電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而發(fā)電，只生成無害的水。因此從對(duì)環(huán)境的影響來說，燃料電池作為汽車動(dòng)力源也是優(yōu)選。怠速工況與整車系統(tǒng)的工作過程關(guān)系密切，本文針對(duì)某燃料電池汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)燃料電池怠速啟停控制進(jìn)行研究分析，整車動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 燃料電池混和動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括燃料電池系統(tǒng)、單向DC/DC、氫鎳電池系統(tǒng)、超級(jí)電容、雙向DC/DC、電機(jī)以及控制器等，其中燃料電池作為動(dòng)力系統(tǒng)的主動(dòng)力源，氫鎳電池與超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力源。超級(jí)電容具有快充快放的特點(diǎn)，滿足車輛突然加速等工況的瞬間大功率輸出要求；氫鎳電池可以穩(wěn)定系統(tǒng)的電機(jī)母線端電壓，彌補(bǔ)在超級(jí)電容電量不足時(shí)的功率輸出。在以這樣的燃料電池系統(tǒng)為動(dòng)力源的燃料電池車輛中，如果在交通堵塞或者遇到紅燈等待時(shí)，通過判斷車輛系統(tǒng)的狀態(tài)，使燃料電池繼續(xù)進(jìn)行怠速停止或發(fā)電的情況。當(dāng)整車系統(tǒng)有功率輸出，燃料電池系統(tǒng)正常工作，超級(jí)電容和氫鎳電池電量不足時(shí)，燃料電池系統(tǒng)自然會(huì)多輸出一部分功率來給兩大電源進(jìn)行充電。本文重點(diǎn)討論的是當(dāng)整車系統(tǒng)無功率輸出時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)通過判斷車輛狀態(tài)、超級(jí)電容和氫鎳電池的電量來使燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入到怠速狀態(tài)。
2 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)怠速啟停控制要求
對(duì)于燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)和燃料電池的怠速控制的文獻(xiàn)較少，且燃料電池系統(tǒng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)大多分離進(jìn)行研究，但燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的怠速過程與燃料電池系統(tǒng)的狀態(tài)以及控制過程是密切相關(guān)的。二者的相關(guān)性體現(xiàn)在：(1)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入怠速狀態(tài)的控制信號(hào)由整車系統(tǒng)提供，在控制架構(gòu)上整車VCU 控制器對(duì)燃料電池系統(tǒng)所起到的是上位機(jī)的作用；(2)整車系統(tǒng)VCU 會(huì)直接影響燃料電池系統(tǒng)的控制效果，因?yàn)槿剂想姵氐妮敵鲭娏骱凸β适怯烧囅到y(tǒng)直接進(jìn)行控制的；(3)整車系統(tǒng)的優(yōu)化控制會(huì)影響燃料電池本身的性能，而燃料電池性能的提高也會(huì)促進(jìn)整車系統(tǒng)的發(fā)展，二者都肩負(fù)整個(gè)系統(tǒng)的效率和使用壽命的任務(wù)，二者之間是相互影響相互促進(jìn)的一種關(guān)系，要實(shí)現(xiàn)的功能效果都是一致的。
設(shè)計(jì)怠速策略時(shí)必須考慮兩點(diǎn)，怠速狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，除了要求滿足燃料電池的壽命要求外，還要滿足其快速拉載要求，以實(shí)現(xiàn)怠速狀態(tài)快速啟動(dòng)，主要影響在于冷卻液溫度，在冷卻液溫度過低時(shí)不宜快速拉載。燃料電池壽命受影響存在兩種狀態(tài)：(1)單電池電壓過高，高于0.85～0.90 V 時(shí)會(huì)影響電堆壽命[4]。而燃料電池輸出功率越低，單電池電壓越高，最高到1 V，燃料電池在低功率時(shí)必然影響壽命。燃料電池怠速就是讓燃料電池工作在低功率狀態(tài)，因此如何降低燃料電池功率的同時(shí)降低單電池電壓也就是該問題的核心；(2)根據(jù)反向電流機(jī)理，燃料電池在啟動(dòng)和停機(jī)的過程時(shí)，由于濃度作用導(dǎo)致陽極部分區(qū)域被陰極空氣占據(jù)，從而導(dǎo)致氧氣被還原，形成氫-空界面，最終導(dǎo)致陰極的電勢高達(dá)1.44 V，催化劑載體很容易發(fā)生氧化反應(yīng)使電堆性能發(fā)生永久性衰減[7]。在控制電堆啟停時(shí)應(yīng)該使這一過程盡可能地變短，從而提高燃料電池的輸出特性，減緩其性能的衰減以及提高電堆使用壽命，因此，燃料電池在怠速狀態(tài)時(shí)也同樣應(yīng)該避免或縮短這一過程。燃料電池系統(tǒng)在直接關(guān)機(jī)后，氫氣會(huì)被空氣路殘余氧氣消耗，最后氫氣路氣壓低，氧氣會(huì)透過膜電極進(jìn)入陽極，當(dāng)燃料電池陽極存在氫氣氧氣時(shí)，相對(duì)電勢可達(dá)1.4 V 會(huì)影響電堆壽命。
燃料電池的怠速應(yīng)該存在兩種狀態(tài)[8]：(1)怠速充電狀態(tài)：該狀態(tài)下，燃料電池發(fā)出一部分功率給超級(jí)電容或者氫鎳電池充電，這可以讓燃料電池存在一定的輸出功率，使電壓低于0.85 V，減少燃料電池壽命或者性能衰減；(2)怠速“關(guān)機(jī)”：首先并非直接關(guān)機(jī)，而是讓燃料電池低功率運(yùn)行，僅保持自身輔助系統(tǒng)(BOP)功率消耗需求，或者更低的功率需求。同時(shí)產(chǎn)生一定熱量使冷卻液溫度不快速降低，滿足快速拉載要求。目前市場常見商用車系統(tǒng)由于配備電池功率較大，不存在怠速“關(guān)機(jī)”工況，但乘用車由于動(dòng)力電池電量有限，必須考慮該工況。
據(jù)以上考慮，本文的怠速控制過程如圖2 所示。整車VCU 控制器通過判斷氫鎳電池、超級(jí)電容和車輛狀態(tài)使燃料電池系統(tǒng)從正常運(yùn)行進(jìn)入到怠速過程，氫鎳電池或超級(jí)電容電量不足時(shí)，燃料電池系統(tǒng)發(fā)出一部分功率給其充電，充電完成后關(guān)閉燃料電池空氣系統(tǒng)，用DC 或者負(fù)載進(jìn)行拉載消耗剩余氧氣，再進(jìn)入怠速等待狀態(tài)(此時(shí)的怠速等待過程是指燃料電池空氣系統(tǒng)關(guān)閉，燃料電池電壓低于200 mV，氫氣系統(tǒng)并沒有關(guān)閉)。若車輛系統(tǒng)有功率需求再使燃料電池恢復(fù)正常運(yùn)行輸出功率的狀態(tài)；若整車系統(tǒng)并無功率需求且等待時(shí)間較長，燃料電池系統(tǒng)將關(guān)閉進(jìn)入到準(zhǔn)備啟動(dòng)的狀態(tài)；如果燃料電池系統(tǒng)在怠速充電過程中并且整車對(duì)燃料電池系統(tǒng)有功率需求，這時(shí)燃料電池系統(tǒng)就會(huì)重新進(jìn)入到正常運(yùn)行的狀態(tài)。
圖2 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的怠速控制過程
3 燃料電池系統(tǒng)在混合動(dòng)力系統(tǒng)中怠速啟停Simulink 控制流程模型
3.1 燃料電池怠速控制過程的Stateflow 模型及狀態(tài)
通過在燃料電池系統(tǒng)Simulink 控制過程中搭建其怠速控制過程的Stateflow 模型，并下載到控制器在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架應(yīng)用，如圖3 所示。燃料電池系統(tǒng)通過接收到整車VCU 的怠速控制信號(hào)進(jìn)入怠速狀態(tài)。各狀態(tài)間的切換過程有燃料電池上電初始化、啟動(dòng)過程、正常工作過程、故障停機(jī)過程、鑰匙關(guān)機(jī)、緊急停機(jī)過程、怠速停機(jī)和怠速等待過程。
圖3 燃料電池系統(tǒng)怠速啟停Stateflow控制流程模型
本文重點(diǎn)討論燃料電池系統(tǒng)在怠速狀態(tài)間的切換以及啟停過程。其中，燃料電池在進(jìn)入怠速充電過程時(shí)，是通過判斷超級(jí)電容電壓和氫鎳電池SOC 的值來進(jìn)行狀態(tài)切換，因?yàn)槌?jí)電容在放電過程中電量減小時(shí)，其電壓是在下降的；在從怠速等待過程進(jìn)入燃料電池重新啟動(dòng)時(shí)，可通過判斷燃料電池電壓、氫鎳電池SOC 值或者整車功率需求來進(jìn)行狀態(tài)切換。
3.2 燃料電池怠速程序?qū)崿F(xiàn)過程
燃料電池系統(tǒng)在進(jìn)入怠速時(shí)，其程序?qū)崿F(xiàn)過程如圖4 所示。燃料電池系統(tǒng)接到整車VCU 控制器的怠速停止信號(hào)時(shí)，通過判斷超級(jí)電容電壓、氫鎳電池的SOC 值和燃料電池電壓來使燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入到怠速狀態(tài)。進(jìn)入怠速充電狀態(tài)時(shí)，若車輛在此有功率需求，燃料電池系統(tǒng)又會(huì)回到正常運(yùn)行狀態(tài)，怠速充電本身就是燃料電池低功率狀態(tài)的正常運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)在進(jìn)入到怠速停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉空氣系統(tǒng)，使陽極氫氣消耗陰極氧氣，這時(shí)可用DC 變換器或者小型負(fù)載消耗此時(shí)產(chǎn)生的電流，防止燃料電池單體電壓過高，燃料電池性能衰減。燃料電池單體電壓小于200 mV 時(shí)就可以進(jìn)入到怠速等待過程，此時(shí)再通過判斷超級(jí)電容電壓、氫鎳電池和車輛需求功率來使燃料電池系統(tǒng)重新啟動(dòng)，若此時(shí)車輛沒有功率需求，超級(jí)電容和氫鎳電池也沒有輸出功率，通過時(shí)限使燃料電池氫氣系統(tǒng)關(guān)閉，進(jìn)入準(zhǔn)備啟動(dòng)狀態(tài)。
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析
本文通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，測試并記錄了混合動(dòng)力系統(tǒng)在燃料電池開機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)入到怠速充電過程，再到怠速停止等待，最后再收到整車需求功率時(shí)，再重新恢復(fù)運(yùn)行的工作狀態(tài)，其過程如圖4 所示。狀態(tài)碼值為4 表示燃料電池處于準(zhǔn)備啟動(dòng)狀態(tài)，為1 表示燃料電池處于啟動(dòng)狀態(tài)，為2 表示燃料電池處于正常運(yùn)行狀態(tài)，為12 表示燃料電池處于怠速停止?fàn)顟B(tài)，為13 表示燃料電池處于怠速等待狀態(tài)，為5 表示燃料電池處于鑰匙停機(jī)狀態(tài)。
圖4 燃料電池怠速程序?qū)崿F(xiàn)
由圖5可以看到，燃料電池系統(tǒng)從準(zhǔn)備啟動(dòng)狀態(tài)經(jīng)啟動(dòng)過程到正常運(yùn)行狀態(tài)，接到怠速信號(hào)時(shí)進(jìn)行怠速充電，充電完成后又經(jīng)過怠速停機(jī)進(jìn)入怠速等待狀態(tài)，接到重啟命令后又快速回到正常運(yùn)行狀態(tài)的過程。在這個(gè)過程中，燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)電源的電流如圖6 所示，燃料電池系統(tǒng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)燃料電池的功率需求的關(guān)系如圖7 所示。結(jié)合兩圖數(shù)據(jù)可以看出，混合動(dòng)力系統(tǒng)在300 s附近時(shí)沒有功率輸出，此時(shí)燃料電池系統(tǒng)接收到怠速命令進(jìn)入到怠速充電狀態(tài)。
圖6 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)電流
圖7 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)與燃料電池的功率關(guān)系
圖8 和圖9 分別描述了超級(jí)電容和氫鎳電池的SOC 值以及其電壓的變化過程，混合動(dòng)力系統(tǒng)分別在數(shù)據(jù)記錄的開始和最后經(jīng)過兩次功率輸出，通過判斷兩個(gè)輔助電源的電量和整車系統(tǒng)的狀態(tài)，使燃料電池分別進(jìn)入到相應(yīng)的狀態(tài)。從兩圖可以看出，燃料電池在800 s 左右時(shí)其狀態(tài)達(dá)到相應(yīng)限值進(jìn)入到怠速等待狀態(tài)，當(dāng)車輛系統(tǒng)又進(jìn)行功率輸出時(shí)，燃料電池快速重新啟動(dòng)。
圖9 超級(jí)電容與燃料電池電壓
在整個(gè)測試過程中，記錄了部分燃料電池單體電壓的變化過程，如圖10 所示。在整車動(dòng)力系統(tǒng)功率輸出即車輛在加速減速時(shí)，超級(jí)電容和氫鎳電池也會(huì)補(bǔ)充系統(tǒng)能量，燃料電池的功率在頻繁變化，其單體電壓也在波動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入到怠速充電時(shí)，燃料電池以一定功率給兩個(gè)輔助電源充電，單體電壓的變化相對(duì)穩(wěn)定，基本在800 mV 左右波動(dòng)。而在800～900 s 燃料電池關(guān)閉空氣系統(tǒng)進(jìn)入到怠速等待狀態(tài)時(shí)，燃料電池單體電壓在升高，這是由于實(shí)驗(yàn)條件限制，并沒有用負(fù)載來拉載燃料電池系統(tǒng)，若此時(shí)拉載燃料電池，其陰極氧氣將會(huì)被迅速消耗，燃料電池電壓將會(huì)快速降低。
圖10 燃料電池的單體電壓變化
圖11 混合動(dòng)力系統(tǒng)各動(dòng)力源輸出功率
圖11 為混合動(dòng)力系統(tǒng)燃料電池、超級(jí)電容和氫鎳電池的輸出功率關(guān)系，其中氫鎳電池輸出功率為正表示其在充電，超級(jí)電容輸出功率為負(fù)表示其在放電，可以看出其趨勢變化與圖6 中電流的變化趨勢相吻合。超級(jí)電容的輸出功率變化較為頻繁，這是由于其快充快放的特性決定的。圖中經(jīng)過0～300 s 和800～1 000 s 時(shí)，是混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)外輸出功率的過程，結(jié)合圖7 可以看出，基本上能夠滿足混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率需求。而在300～800 s 過程中是混合動(dòng)力系統(tǒng)的兩個(gè)輔助動(dòng)力源的怠速充電過程，充電完成后進(jìn)入怠速等待的狀態(tài)，在800 s 附近混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)燃料電池系統(tǒng)有功率需求時(shí)，又進(jìn)行了重新啟動(dòng)。
5 結(jié)論
本文研究了燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的怠速起?？刂菩Ч?，針對(duì)某燃料電池混合動(dòng)力汽車提出了混合動(dòng)力系統(tǒng)的怠速啟停控制策略。經(jīng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析可知：
(1)怠速控制過程可由輔助電源和車輛系統(tǒng)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)；
(2)燃料電池單體電壓在怠速過程中可用小型負(fù)載來使其降低；
(3)控制策略過程可以根據(jù)整車功率需求滿足燃料電池汽車怠速啟停需求功率，滿足汽車系統(tǒng)在啟停狀態(tài)下的功率輸出與狀態(tài)要求，能夠縮短系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，有利于對(duì)燃料高效利用，對(duì)燃料電池系統(tǒng)怠速運(yùn)行過程的研究與應(yīng)用具有重要意義。
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