彭 敏

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 株洲 412001

0 引言

在軌道交通領(lǐng)域,傳統(tǒng)車型主要?jiǎng)恿?lái)源為接觸網(wǎng)供電或通過(guò)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電進(jìn)行供電,存在能源轉(zhuǎn)型的需求[1]。目前,已經(jīng)有一部分列車用純動(dòng)力電池作為動(dòng)力源,如株洲電力機(jī)車研究所有限公司生產(chǎn)的虛擬軌道列車(ART),在首末站進(jìn)行快速充電,在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)再生制動(dòng)回收部分能量,續(xù)航里程可達(dá)到40 km;也有部分車輛采用超級(jí)電容作為動(dòng)力源。又如淮安現(xiàn)代有軌電車?yán)猛Ｕ镜拈g隙,在站臺(tái)30 s內(nèi)完成充電,續(xù)航里程可以達(dá)到4 km,以支撐其到達(dá)下一個(gè)站點(diǎn)。但是,無(wú)論是純動(dòng)力電池還是超級(jí)電容車輛,其單次充電的續(xù)航里程都還是偏低,僅適合于短線路里程或短站間距的線路應(yīng)用場(chǎng)景[2]。

為進(jìn)一步提高新能源列車的續(xù)航里程,拓寬新能源列車的應(yīng)用場(chǎng)景,本文提出采用氫燃料電池與動(dòng)力電池混動(dòng)供電的方案。氫燃料具有無(wú)污染、高效率的特點(diǎn),是真正意義上的綠色動(dòng)力來(lái)源,部分主機(jī)廠已經(jīng)開(kāi)始探索將氫燃料電池應(yīng)用于軌道交通車輛[3]。但是,氫燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)較為遲緩,無(wú)法直接滿足負(fù)載端劇烈變化的功率需求。為了避免加速時(shí)動(dòng)力不足的問(wèn)題,需要采用動(dòng)力電池進(jìn)行混合供電。動(dòng)力電池能夠滿足負(fù)載瞬時(shí)變化的需求,還能夠有效地回收有軌電車制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的制動(dòng)能量。

氫燃料電池和動(dòng)力電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠滿足軌道交通車輛的運(yùn)行供電需求,更好地響應(yīng)綠色低碳交通裝備的新目標(biāo)。本文主要結(jié)合某型低地板有軌電車的應(yīng)用需求,提出氫燃料電池和動(dòng)力電池混動(dòng)控制架構(gòu)和控制策略。

1 方案分析

混合動(dòng)力系統(tǒng)中,氫燃料電池作為主動(dòng)力源,動(dòng)力電池作為輔助動(dòng)力源。氫燃料電池在運(yùn)行過(guò)程中提供持續(xù)的功率輸出,動(dòng)力電池在加速啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)削峰填谷作用,以彌補(bǔ)氫燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲緩性,確保系統(tǒng)供電穩(wěn)定性[4]。

1.1 系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

以某項(xiàng)目有軌電車為例進(jìn)行研究,該車輛采用3節(jié)編組,“2動(dòng)1拖”配置。在中間車輛配置1套氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng),在兩頭的車輛各配置1套動(dòng)力電池,整列車的動(dòng)力源配置如圖1所示,其混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型如圖2所示。

圖1 動(dòng)力源配置

圖2 混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型

儲(chǔ)氫系統(tǒng):提供壓縮氫氣,接受能量控制單元(ECU)對(duì)其氫氣溫度、氫氣壓力、氫氣泄露情況進(jìn)行監(jiān)視,接受ECU提供的硬線氫閥開(kāi)閉指令,儲(chǔ)氫系統(tǒng)采用70 MPa儲(chǔ)氫瓶,總共可儲(chǔ)氫30 kg。

燃料電池:將氫氣轉(zhuǎn)換為電能,實(shí)時(shí)發(fā)布其輸出功率。燃料電池控制單元通過(guò)控制器局域網(wǎng)總線(CAN)與ECU相連。燃料電池可接受ECU的調(diào)度進(jìn)行功率輸出。單套燃料電池功率輸出為200 kW(由2個(gè)100 kW電堆組成)。

DC/DC:將燃料電池輸出電壓轉(zhuǎn)換為牽引和輔助系統(tǒng)所需的工作電壓,通過(guò)CAN與ECU相連。

動(dòng)力電池:提供動(dòng)力電池輸出,實(shí)時(shí)發(fā)布動(dòng)力電池所能允許的最大充放電能力給ECU。動(dòng)力電池控制單元通過(guò)CAN與ECU相連。動(dòng)力電池的額定輸出電壓為600 V,額定容量為240 kW·h。支持最大3C的瞬時(shí)充電和瞬時(shí)放電,以滿足急加速和急減速的功率充放需求。

牽引系統(tǒng):根據(jù)ECU提供的動(dòng)力系統(tǒng)最大的功率輸出/吸收能力,發(fā)揮合適的牽引/制動(dòng)力。尤其在制動(dòng)時(shí),盡量考慮通過(guò)動(dòng)力電池吸收一部分回饋能量。

輔助系統(tǒng):提供整車輔助負(fù)載供電,并實(shí)時(shí)發(fā)布附件消耗功率。

ECU:實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的監(jiān)視和控制功能。對(duì)氫動(dòng)力系統(tǒng)以及動(dòng)力電池輸出功率進(jìn)行分配控制以滿足車輛運(yùn)行所需功率;實(shí)現(xiàn)燃料電池的啟?？刂坪凸β士刂?實(shí)時(shí)發(fā)布動(dòng)力系統(tǒng)的最大組合允許功率,該值提供給牽引系統(tǒng),牽引系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功率須低于該值,同時(shí)牽引功率增長(zhǎng)斜率須低于組合允許功率的斜率增長(zhǎng)。

列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS):實(shí)現(xiàn)整車通信控制。

1.2 整車運(yùn)行工況

在不同的工況下,燃料電池和動(dòng)力電池的投入程度也不一樣,基于有軌電車運(yùn)行場(chǎng)景和2種動(dòng)力源的特性,規(guī)劃典型的運(yùn)行工況,如圖3所示。

0～10 s:車速為0 km/h,整車處于停車狀態(tài),燃料電池輸出在一個(gè)較低水平保證整車輔件系統(tǒng)能量消耗,動(dòng)力電池基本不對(duì)外進(jìn)行電流輸出。

0～50 s:車速開(kāi)始由0 km/h提高至50 km/h,燃料電池根據(jù)整車需求提高自身輸出能力至200 kW左右,此時(shí)動(dòng)力電池開(kāi)始對(duì)外輸出電流以滿足整車的需求。

50～90 s:車速保持在50 km/h,整車對(duì)功率需求下降,燃料電池功率也隨之下降,燃料電池和整車的需求基本持平,動(dòng)力電池基本不對(duì)外進(jìn)行電流輸出,如果剩余電量(state of charge,SOC)過(guò)低,且整車需求功率小于對(duì)應(yīng)SOC下燃料電池靜態(tài)輸出功率,燃料電池給動(dòng)力電池充電,盡可能讓動(dòng)力電池?fù)碛泻线m的電量。

90～130 s:車速由50 km/h減速到0 km/h,整車進(jìn)行動(dòng)能回饋,燃料電池功率下降到最低以避免過(guò)流,動(dòng)力電池進(jìn)行充電將動(dòng)能回收。

130～140 s:車速為0 km/h,整車處于停車狀態(tài),此時(shí)燃料電池會(huì)根據(jù)SOC進(jìn)行輸出給動(dòng)力電池充電,如果SOC超過(guò)65,燃料電池輸出在一個(gè)較低水平來(lái)保證整車輔件系統(tǒng)能量消耗,動(dòng)力電池基本不對(duì)外進(jìn)行電流輸出。

140～280 s:重復(fù)之前的工況。

綜上,可以看出,在加速階段,以動(dòng)力電池為主提供牽引所需瞬時(shí)大功率需求;在巡航階段,以燃料電池為主提供牽引所需穩(wěn)定的功率;在減速階段,以動(dòng)力電池消納牽引系統(tǒng)反饋的電制動(dòng)功率。即由氫燃料電池和動(dòng)力電池共同組成穩(wěn)定的動(dòng)力源[5]。

圖3 運(yùn)行工況曲線

2 能量控制方案

能量控制主要是指電源端的氫燃料電池輸出控制,以及負(fù)載端的牽引或電制動(dòng)功率限值控制。而動(dòng)力電池是非受控電源,只能根據(jù)外部的負(fù)載和電壓波動(dòng)情況,自行進(jìn)行功率輸出或功率輸入[6]。

基于上述不同的工況,制定氫燃料混動(dòng)系統(tǒng)的能量控制方案,如圖4所示。

2.1 基本算法

對(duì)于整車的系統(tǒng)功率有:Pfuel+Pbat=Pm+Paux

各參數(shù)的說(shuō)明如表1所示。

圖4 系統(tǒng)能量流示意圖

表1 參數(shù)說(shuō)明

2.2 目標(biāo)功率計(jì)算和分配

1)ECU通過(guò)TCMS獲取牽引需求功率Prequest,其中Prequest=Pm+Paux,Pm根據(jù)中間電流和中間電壓之積進(jìn)行計(jì)算。

2)ECU通過(guò)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)BMS獲取動(dòng)力電池SOC和Pbat-allow;通過(guò)TCMS獲取車輛速度,并根據(jù)速度判斷模式(分為動(dòng)態(tài)運(yùn)行和靜態(tài)模式)。

3)燃料電池系統(tǒng)包含2個(gè)獨(dú)立的電堆,當(dāng)2個(gè)電堆均正常工作時(shí),平均分配目標(biāo)功率給2個(gè)電堆;當(dāng)其中一臺(tái)故障時(shí),將部分或者全部的功率需求轉(zhuǎn)移給另外一臺(tái)燃料電池。

4)當(dāng)Prequest小于等于Pfuel-allow時(shí),將Prequest直接賦值給Pfuel-set,作為燃料電池的功率輸出進(jìn)行控制。燃料電池加載過(guò)程中,瞬時(shí)的功率缺口由動(dòng)力電池補(bǔ)足。

5)當(dāng)Prequest大于Pfuel-allow時(shí),將Pfuel-allow賦值給Pfuel-set,即燃料電池按照最大功率進(jìn)行輸出。期間,系統(tǒng)的功率缺口由動(dòng)力電池補(bǔ)足。

2.3 燃料電池輸出功率控制策略

基于車輛獨(dú)享路權(quán),規(guī)律性的加急速、緩加速、勻速、按計(jì)劃制動(dòng)等運(yùn)行工況,采取“跟隨運(yùn)行工況,實(shí)施調(diào)節(jié)”的燃料電池輸出控制模式[7]。此時(shí),燃料電池輸出主要參考車輛運(yùn)行狀態(tài)和電池SOC。其中車輛運(yùn)行狀態(tài)包括靜態(tài)模式、動(dòng)態(tài)模式,動(dòng)態(tài)模式又包括急加速、緩加速、勻速及制動(dòng)模式。

不同SOC和運(yùn)行模式下,燃料電池目標(biāo)功率Pfuel-set的計(jì)算策略如表2所示。

表2 車輛正常運(yùn)行控制策略

續(xù)表

1)任何情況下,調(diào)整FCU的輸出功率,均須在燃料電池的的升降載曲線包絡(luò)線內(nèi)執(zhí)行。

2)任何模式下,SOC大于85%時(shí),立刻關(guān)閉燃料電池。

2.4 燃料電池功率分配策略

1)2套燃料電池正常或報(bào)2級(jí)、3級(jí)故障時(shí),平均分配給2個(gè)燃料電池電堆。

2)某單一的電堆報(bào)1級(jí)故障時(shí),該套FCU無(wú)輸出,功率全部分配給另外一臺(tái)燃料電池。

3 能量控制防護(hù)策略

采用混合動(dòng)力系統(tǒng)車輛,為了確保母線電壓平穩(wěn)和各系統(tǒng)正常工作,需要進(jìn)行相關(guān)功率限制。

3.1 牽引工況時(shí)牽引功率限制

1)在牽引時(shí),整車功率由燃料電池與動(dòng)力電池共同提供。此時(shí),整車牽引系統(tǒng)的最大牽引功率須滿足:

Pm≤Pfuel+Pbat-allow-Paux=Pfuel+Vbat×Ibat-allowout-Paux

2)在上式中,Pfuel使用2臺(tái)FCU實(shí)時(shí)提供的數(shù)據(jù)之和。Vbat、Ibat-allowout使用BMS通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),而Paux則使用之前TCMS提供的數(shù)值。

3)牽引對(duì)手柄信號(hào)和該牽引功率限制取最小值進(jìn)行控制,以保證動(dòng)力電池以及燃料電池處于正常工作狀態(tài)。

3.2 制動(dòng)工況電制動(dòng)功率限制

在制動(dòng)時(shí),整車功率由燃料電池與牽引系統(tǒng)再生制動(dòng)回饋的能量共同提供,動(dòng)力電池和輔助系統(tǒng)負(fù)責(zé)消耗該能量。此時(shí),各個(gè)器件的功率須滿足:

Pm≤Pbat-allow+Paux-Pfuel=Vbat×Ibat-allowin+Paux-Pfuel

即通過(guò)控制再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量,以保證中間電壓不過(guò)壓,動(dòng)力電池不過(guò)充。

牽引對(duì)手柄信號(hào)和該制動(dòng)功率限制取最小值進(jìn)行電制動(dòng)控制,若該值不滿足整車制動(dòng)要求,則剩余制動(dòng)力由氣制動(dòng)補(bǔ)充。

3.3 能量管理優(yōu)先級(jí)

優(yōu)稱級(jí)從高到低依次為:各部件安全(如防止電池過(guò)充)、整車動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性(氫好、壽命)。

3.4 車輛故障運(yùn)行模式控制

車輛故障運(yùn)動(dòng)模式控制如下所示:動(dòng)力電池、TCMS、燃料電池三者都正常時(shí),正常控制; 動(dòng)力電池和TCMS正常,燃料電池故障時(shí),車輛以純電動(dòng)方式運(yùn)行,并由網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)功率和速度限制;動(dòng)力電池或TCMS故障時(shí),動(dòng)力電池主接觸器斷開(kāi),車輛無(wú)法停止運(yùn)行。

4 裝車測(cè)試

基于以上控制算法,進(jìn)行裝車后的測(cè)試。

4.1 燃料電池啟機(jī)測(cè)試

燃料電池啟機(jī)測(cè)試(見(jiàn)圖5)主要是完成動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)機(jī)、嘗試加載等步驟,測(cè)試啟動(dòng)過(guò)程時(shí)序及耗時(shí)。

試驗(yàn)結(jié)果表明,開(kāi)機(jī)時(shí)序、開(kāi)機(jī)耗時(shí)滿足混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求;動(dòng)力系統(tǒng)可以正常開(kāi)機(jī),開(kāi)機(jī)過(guò)程和怠速狀態(tài)運(yùn)行無(wú)故障。

4.2 恒定工況運(yùn)行測(cè)試

恒定工況運(yùn)行測(cè)試(見(jiàn)圖6)主要是驗(yàn)證燃料電池穩(wěn)定輸出能力,試驗(yàn)規(guī)定為(30±5) kW。

試驗(yàn)結(jié)果表明,動(dòng)力系統(tǒng)可以正常開(kāi)機(jī),并按照恒定的外部負(fù)載進(jìn)行工作,且整個(gè)過(guò)程無(wú)故障。

圖5 燃料電池開(kāi)機(jī)測(cè)試曲線

圖6 恒定工況輸出測(cè)試

4.3 混動(dòng)模式輸出測(cè)試

混動(dòng)模式輸出測(cè)試主要測(cè)試基于有軌電車典型的運(yùn)行曲線進(jìn)行實(shí)測(cè)運(yùn)行,下載數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,運(yùn)行過(guò)程中的有軌電車參數(shù)變化如圖7所示。

圖7 混動(dòng)模式輸出測(cè)試

從圖7可以看出,運(yùn)行過(guò)程中,燃料電池輸出平穩(wěn)、有規(guī)律,恒定工作區(qū)間在185 kW左右,居于經(jīng)濟(jì)、高效區(qū)間。動(dòng)力電池SOC能夠維持在55%～65%,燃料電池和動(dòng)力電池的輸出之和能夠滿足有軌電車運(yùn)行所需功率,證明控制策略可行。符合上述整車運(yùn)行工況的要求。

4.4 燃料電池緊急停機(jī)測(cè)試

燃料電池緊急停機(jī)測(cè)試見(jiàn)圖8,主要驗(yàn)證燃料電池緊急關(guān)機(jī)功能。

圖8 燃料電池緊急停機(jī)測(cè)試

如圖8所示,燃料電池收到緊急停機(jī)指令后緊急停機(jī),100 ms內(nèi)功率降為零。緊急停機(jī)后,斷電重啟,燃料電池正常啟動(dòng)。

4.5 續(xù)航里程測(cè)試

在儲(chǔ)氫系統(tǒng)加滿動(dòng)力電池情況下,進(jìn)行了續(xù)航里程測(cè)試,測(cè)試的結(jié)果如表4所示。

表4 續(xù)航里程測(cè)試數(shù)據(jù)

由表4可知,在滿氫滿電情況下,續(xù)航里程至少達(dá)到了290 km,相比純電池方案提升明顯。

4.6 試驗(yàn)總結(jié)

本文對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的各種典型運(yùn)用場(chǎng)景進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:系統(tǒng)控制方案合理,能夠適應(yīng)外部恒定或變化負(fù)載的應(yīng)用需求,控制過(guò)程中各系統(tǒng)均正常運(yùn)行,尤其是燃料電池工作在經(jīng)濟(jì)、高效區(qū)間。

采用氫燃料混合動(dòng)力系統(tǒng)的有軌電車?yán)m(xù)航里程,相比同編組形式的傳統(tǒng)車輛增長(zhǎng)5～6倍,能夠有效拓寬其應(yīng)用場(chǎng)景,可納入更多線路規(guī)劃時(shí)的車輛方案選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)氫燃料混合動(dòng)力有軌電車的混動(dòng)系統(tǒng)方案、控制策略進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證,是軌道交通綠色能源轉(zhuǎn)型的探索和嘗試,并為氫燃料電池在軌道交通應(yīng)用提供了參考。