余 卓，肖 磊，謝 軍，李 京

（1. 湖南中車智行科技有限公司，湖南 長沙 410006；2. 湖南省多鉸接膠輪運輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410006）

0 引言

為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，綠色能源在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛［1］。作為軌道交通行業(yè)的新成員，智軌電車采用車載儲能單元供電、膠輪驅(qū)動的新制式［2］，融合了有軌電車和公交車輛的特點，將具有廣闊的市場空間。隨著智軌電車技術(shù)的日益發(fā)展和市場的不斷擴(kuò)大，對智軌電車車載動力系統(tǒng)的要求也越來越多樣化。近年來，在軌道交通領(lǐng)域，清潔能源的應(yīng)用已逐步成為行業(yè)研究的熱點之一［3］，智軌電車氫燃料電池動力系統(tǒng)的研發(fā)亦是大勢所趨。目前，智軌電車采用快充型磷酸鐵鋰動力電池的儲能方式為整車高壓負(fù)載（包括牽引系統(tǒng)、輔助電源和空調(diào)等）供電，其能夠快速響應(yīng)車輛的功率需求，且其受電弓大電流的充電方式能夠滿足車輛10 min、25 km的續(xù)航要求［2］。然而，受能量密度的限制，磷酸鐵鋰電池在智軌電車有限的布置空間下很難通過堆放電池箱的方式來進(jìn)一步提高續(xù)航里程。

質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）作為一種清潔、高效率的發(fā)電裝置，近年來也越來越受到交通領(lǐng)域的青睞［4］。燃料電池雖然可以持續(xù)發(fā)電，但其功率響應(yīng)較慢、輸出特性偏軟且不能回收車輛電制動時的反饋能量［5］。為了適應(yīng)車輛頻繁啟停的行駛特點以及承擔(dān)電制動工況下的能量回收任務(wù)，在使用燃料電池的車輛上往往還需要配置儲能系統(tǒng)，為燃料電池啟動提供輔助供電，同時為智軌電車提供初始動力。因此，本文結(jié)合質(zhì)子交換膜燃料電池和磷酸鐵鋰動力電池的特性，提出一套適用于智軌電車的“燃料電池-鋰電池混合動力系統(tǒng)”。

本文首先對智軌電車氫能源動力系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括氫能源動力系統(tǒng)的整體架構(gòu)；然后，針對兩種不同能量源，提出了相應(yīng)的控制策略；最后，通過車輛道路試驗，驗證了其能夠滿足智軌電車牽引及制動工況下的能量需求，并在此基礎(chǔ)上較大程度地提高了智軌電車的續(xù)航里程。

1 氫能源混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

氫能源智軌電車采用3節(jié)編組形式，中間通過鉸接裝置相連，其組成形式為“=Mc1+Mp+Mc2=”；其牽引系統(tǒng)采用分布式輪邊驅(qū)動，每節(jié)車廂均有驅(qū)動能力。智軌電車的氫能源混合動力系統(tǒng)由燃料電池系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、磷酸鐵鋰動力電池和能量控制單元（energy control unit，ECU）組成。系統(tǒng)采取2套燃料電池系統(tǒng)并聯(lián)方式為整車提供動力，其布置方式如圖1所示。氫能源動力系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2 所示。2 套燃料電池系統(tǒng)通過直流母線與磷酸鐵鋰動力電池并聯(lián)，為牽引系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)和空調(diào)供電。其中，動力電池負(fù)責(zé)吸收電制動時的反饋能量，燃料電池也可為動力電池充電。當(dāng)燃料電池接收ECU 啟動指令后，其向儲氫系統(tǒng)發(fā)出開閥指令；儲氫系統(tǒng)收到指令后，其電磁閥打開，通過供氫軟管向燃料電池輸送壓力為0.7～1.2 MPa 的氫氣。每套儲氫系統(tǒng)獨立向一組燃料電池供氣，當(dāng)一組燃料電池故障時，另一組燃料電池仍可為車輛供電。車輛有兩臺ECU，其硬件配置一致，功能互為冗余。ECU 通過CAN 總線接收燃料電池與儲氫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)（ETH）傳輸給列車控制與監(jiān)控系統(tǒng)（TCMS），實現(xiàn)對燃料電池和儲氫系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控；同時，動力電池數(shù)據(jù)、牽引系統(tǒng)設(shè)備信息及車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)通過TCMS 轉(zhuǎn)發(fā)給ECU，ECU 根據(jù)自身控制策略及車輛控制指令，實現(xiàn)對燃料電池的啟?？刂坪凸β史峙淇刂?。

圖1 智軌電車氫能源混合動力系統(tǒng)布置Fig. 1 Layout of the hydrogen hybrid power system in autonomous-rail rapid tram

圖2 氫能源混合動力系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.2 Association of hydrogen hybrid power system

智軌電車在燃料電池與動力電池的混合動力模式下，也需要滿足基本牽引及電制動性能要求，如表1所示。

表1 智軌電車基本性能參數(shù)Tab.1 Basic performance parameters of autonomous-rail rapid tram

2 燃料電池系統(tǒng)

智軌電車目前使用的燃料電池系統(tǒng)包括電堆模塊、散熱器、隔離型DC/DC變換器、低壓控制盒和管路閥件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of fuel cell system

2.1 燃料電池

燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置［6］。與動力電池相比，氫燃料電池不需要充電，只要供應(yīng)氫氣就能持續(xù)發(fā)電。氫氣進(jìn)入電堆的陽極后在催化劑作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氫離子和電子，氫離子穿過質(zhì)子交換膜，電子則通過外部電路流動到電堆的陰極，最終氫離子與氧氣在陰極處反應(yīng)生成水［7］，工作原理如圖4 所示。氫燃料電池發(fā)電過程不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40% ～ 60%，排放產(chǎn)物主要為水和二氧化碳，對環(huán)境較為友好。

圖4 氫燃料電池工作原理Fig.4 Working principle of hydrogen fuel cell

根據(jù)工作溫度，常用燃料電池可分為高溫型、中溫型和低溫型。高溫型燃料電池的工作溫度在500 ℃以上，其包括熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。中溫型燃料電池為磷酸型燃料電池（PAFC），其工作溫度范圍為100 ～ 500 ℃。低溫型燃料電池工作溫度范圍為25 ～ 100 ℃，其包括堿性燃料電池（AFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）［8］。根據(jù)實際工作環(huán)境，智軌電車選擇低溫型燃料電池。由于堿性燃料電池氧化劑需要純氧來保證其輸出性能，一般很少用于陸上交通領(lǐng)域，而PEMFC可選取空氣作為氧化劑，且具有較高的功率密度，因此智軌電車選用PEMFC作為能量來源。

2.2 燃料電池系統(tǒng)功能

隔離型DC/DC變換器將電堆發(fā)出的電能有效、穩(wěn)定地輸送到車輛直流母線并維持整個燃料電池系統(tǒng)的輔助零部件正常運轉(zhuǎn)，空氣壓縮機(jī)、水泵和散熱風(fēng)扇等所需的功率電源均由系統(tǒng)內(nèi)部通過相關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊供電；低壓系統(tǒng)通過電氣箱配電，給散熱器、傳感器、繼電器、控制器及各種閥類供電，維持整個燃料電池系統(tǒng)的正常運行以及各部件之間的聯(lián)系。系統(tǒng)需具備以下功能：

（1） 控制功能。燃料電池通過內(nèi)部控制器與外部ECU 進(jìn)行通信和控制交互，實現(xiàn)燃料電池啟停、功率響應(yīng)和狀態(tài)監(jiān)測等功能。

（2） 絕緣檢測功能。在電堆與DC/DC 變換器的高壓輸入端設(shè)置絕緣監(jiān)測裝置，以實時檢測燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部正、負(fù)極與殼體之間的絕緣電阻并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給車輛TCMS。

（3） 氣體過濾功能。對進(jìn)入電堆的氫氣和空氣能進(jìn)行物理及化學(xué)過濾，以防止其對燃料電池電堆產(chǎn)生污染。

（4） 散熱功能。保證電堆及中冷器持續(xù)工作在指定溫度，同時通過中冷器降低經(jīng)空壓機(jī)壓縮后空氣的溫度，使得進(jìn)入電堆的空氣處在指定溫度區(qū)間。

（5） 保護(hù)功能。內(nèi)部電氣設(shè)備具備對過載、短路、過溫及接地等的保護(hù)功能，燃料電池具有對超壓、欠壓和過溫等的保護(hù)功能。

3 動力電池系統(tǒng)

磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)包括動力電池包、高壓箱及電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS），其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示。系統(tǒng)共包含3 條電池支路，每條支路配備4個電池包，支路通過高壓箱并聯(lián)后與整車直流母線相連，為整車負(fù)載供電。燃料電池也可通過高壓箱對動力電池進(jìn)行充電。電池管理系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)控電芯電壓及溫度，檢測電池系統(tǒng)充放電電流和系統(tǒng)總電壓，估測電池系統(tǒng)荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）和健康狀態(tài)（state of health，SOH），并實時反饋故障信息給整車。

圖5 動力電池系統(tǒng)基本拓?fù)銯ig.5 Basic topology of power battery system

3.1 動力電池

動力電池采用功率型電池，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31467.3—2015 的高安全要求，在保證較高比功率、長壽命和快速充放電特性的同時，也具備較高的比能量。BMS具備電池單體電壓和溫度的檢測、電池組SOC和SOH 的估測、電池均衡及故障分析和在線報警等功能。

3.2 儲氫系統(tǒng)

車輛配置了2 套儲氫系統(tǒng)，每套高壓儲氫系統(tǒng)主要由高壓儲氫瓶、瓶閥、減壓閥和泄放閥等零部件組成。儲氫系統(tǒng)在接收燃料電池開閥指令后，打開瓶閥與減壓閥，為燃料電池提供一定壓力范圍的氫氣，其接口位置如圖6所示。

圖6 儲氫系統(tǒng)接口Fig.6 Interface of hydrogen storage system

儲氫系統(tǒng)根據(jù)燃料電池的工作需求控制減壓閥和瓶閥，監(jiān)測儲氫系統(tǒng)壓力、溫度和氫氣剩余量。系統(tǒng)兼容35 MPa 和70 MPa 兩種壓力等級的氫氣加注，通過氫氣過濾器實現(xiàn)對物理顆粒與氣體雜質(zhì)的過濾，以確保氫氣的純凈度。

4 氫能源混合動力系統(tǒng)控制策略設(shè)計

智軌電車在牽引工況下，其燃料電池與動力電池同時為整車牽引系統(tǒng)及輔助電源系統(tǒng)進(jìn)行供電；在制動工況下，優(yōu)先響應(yīng)電制動，電制動功率不足的部分，通過制動系統(tǒng)進(jìn)行氣制動補(bǔ)充。對于混合能量源的系統(tǒng)，為了充分發(fā)揮各自系統(tǒng)的優(yōu)點，需要綜合各能量源的特點制定一套合適的控制方案，而能量管理策略（energy management strategy， EMS）就是實現(xiàn)整車能量控制的關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 方案選擇

目前，EMS主要分為基于優(yōu)化的能量管理策略和基于規(guī)則的能量管理策略［9］，圖7 示出目前幾種主要的能量控制策略。

圖7 能量管理策略分類Fig.7 Classification of energy management strategies

基于優(yōu)化的EMS 主要是通過動態(tài)規(guī)劃來優(yōu)化控制全局問題的最優(yōu)解［10］，可以選取動力系統(tǒng)能量效率、經(jīng)濟(jì)性能和動力性能作為優(yōu)化的指標(biāo)，以混合動力系統(tǒng)各個設(shè)備性能參數(shù)為邊界條件，在車輛工況提前獲知的情況下求出全局最優(yōu)的能量管理策略［11］。全局優(yōu)化方案需要提前知道車輛在整個工況下的運行狀態(tài)，其優(yōu)化過程極為復(fù)雜，受道路情況和駕駛習(xí)慣影響較大，能量管理穩(wěn)定性無法得到保障；而智軌電車在非專有路權(quán)下的車況是很難預(yù)測的，因此基于全局優(yōu)化的能量控制方案在現(xiàn)實中較難實現(xiàn)。

基于規(guī)則的EMS 是按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)則和邏輯來進(jìn)行能量優(yōu)化分配的策略［12］，其根據(jù)整車的功率需求和電池的荷電狀態(tài)等信息來控制氫能源動力系統(tǒng)的工作模式。該方案具有穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)和適用場景廣等優(yōu)點。因此，本文選擇基于規(guī)則的EMS 作為氫能源混合動力系統(tǒng)控制策略。

4.2 方案特點

具體控制方案應(yīng)具備以下特點：

（1） 根據(jù)動力電池的SOC 和允許的充、放電電流大小來制定燃料電池的能量輸出規(guī)則，同時兼顧整車的功率需求和能量需求，避免出現(xiàn)因過度充電或過度放電而造成的動力電池壽命縮短現(xiàn)象。

（2） 利用動力電池的制動能量回收功能將制動時產(chǎn)生的能量存儲在動力電池中，減少因氣制動的頻繁介入而導(dǎo)致制動系統(tǒng)過熱，最大化地吸收電制動產(chǎn)生的能量，從而提高能量利用率［13］。

（3） 根據(jù)智軌電車的整車功率需求，合理分配燃料電池系統(tǒng)的輸出功率，確保在整個行程中都有足夠的能量支持，即使在兩套儲氫系統(tǒng)氫氣耗盡的情況下，動力電池依然有能量維持智軌電車正常運行。

（4） 避免燃料電池頻繁啟停。

4.3 控制策略

考慮智軌電車實際運行中可能存在的牽引與制動頻繁切換的工況，采用給定規(guī)則的能量管理控制策略。由于燃料電池的輸出功率無法做到與動力電池一樣的實時響應(yīng)［14］，因此在盡量發(fā)揮車輛最大電制動能力的前提下，通過對動力電池不同SOC區(qū)間的判斷來控制兩套燃料電池系統(tǒng)的輸出功率。ECU控制燃料電池的啟動和關(guān)閉，在燃料電池加載和減載斜率要求范圍內(nèi)，根據(jù)整車功率需求，控制燃料電池的能量輸出。

根據(jù)圖8所示動力電池在不同溫度下的充放電性能，智軌電車使用動力電池SOC 最佳性能區(qū)間為20% ～ 80%，發(fā)揮最大電制動能力下最佳SOC 控制區(qū)間為20% ～ 70%?？紤]燃料電池啟動進(jìn)入怠速功率區(qū)需要向整車提供一定的功率輸出，當(dāng)SOC不大于10%時，燃料電池處于關(guān)機(jī)狀態(tài)且不會啟機(jī)（此時燃料電池不進(jìn)入能量控制模式）；當(dāng)SOC大于10%時，燃料電池進(jìn)入能量控制模式。兩臺燃料電池執(zhí)行相同控制策略，燃料電池運行功率不超過100 kW，鋰電池電壓在500 ～ 700 V 之間變化；在車輛運行期間，燃料電池與鋰電池存在多種工作模式。

圖8 動力電池充放電性能Fig.8 Charging and discharging performance of power battery

根據(jù)圖2所示系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，假設(shè)PDC為燃料電池DC/DC 輸出功率，VDC為燃料電池DC/DC 輸出電壓，IDC為燃料電池DC/DC 輸出電流；Pm為牽引逆變器直流側(cè)功率，Vm為輸入電壓，Im為輸入電流。當(dāng)Pm＞0、Vm＞0、Im＞0時，車輛處于牽引狀態(tài)；當(dāng)Pm＜0、Vm＞0、Im＜0時，車輛處于制動能量回收狀態(tài)。

假設(shè)Pbat為動力電池的功率，Pbatmax為動力電池的功率限值，Vbat為動力電池的電壓，Ibat為動力電池的電流，Ibatmax為動力電池最大允許充放電電流。當(dāng)Pbat＞ 0、Vbat＞ 0、Ibat＞ 0時，動力電池處于放電狀態(tài)；當(dāng)Pbat＜ 0、Vbat＞ 0、Ibat＜ 0 時，動力電池處于充電狀態(tài)。

針對控制方案需要具備的特點及以上對車輛運行狀態(tài)的判斷，本文提出控制目標(biāo)為“保障車輛續(xù)航里程”。當(dāng)燃料電池輸出功率較低時，鋰電池提供差值功率來保證車輛功率需求，并回收電制動能量；在車輛運行過程中，同時考慮鋰電池SOC工作在最佳充放電性能區(qū)間內(nèi)，因此在車輛需求功率Preq和燃料電池最大功率PFCmax之外，還要考慮鋰電池SOC 是否工作在最佳區(qū)間內(nèi)。基于此，本文制定的控制規(guī)則如圖9 所示，其中，SOCmax和SOCmin分別為鋰電池工作區(qū)間荷電狀態(tài)的上限和下限。

圖9 智軌電車氫系統(tǒng)控制策略流程Fig.9 Control strategy process of hydrogen hybrid power system for autonomous-rail rapid tram

車輛輸入高壓時，ECU 首先判斷車輛動力電池SOC所處區(qū)間，然后向兩臺燃料電池發(fā)送所處SOC區(qū)間對應(yīng)功率值，燃料電池進(jìn)入恒功率運行。當(dāng)SOC 出現(xiàn)上升趨勢時，ECU會根據(jù)回差設(shè)置區(qū)間與SOC區(qū)間綜合判斷車輛是否進(jìn)入相應(yīng)的低功率輸出區(qū)間，并適當(dāng)降低燃料電池功率輸出；同理，當(dāng)SOC 出現(xiàn)下降趨勢時，ECU會根據(jù)回差設(shè)置區(qū)間與SOC區(qū)間綜合判斷車輛是否進(jìn)入相應(yīng)的高功率輸出區(qū)間，并適當(dāng)提高燃料電池功率輸出。

5 測試驗證

為驗證所提控制策略對動力電池SOC 的控制效果，本文參考工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心于2021 年發(fā)布的《燃料電池汽車測試規(guī)范》及相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，對氫能源智軌電車開展了車輛儲氫系統(tǒng)控制策略響應(yīng)試驗以及車輛續(xù)航試驗。將兩端儲氫系統(tǒng)加氫至30 MPa，鋰電池處于滿電狀態(tài)，利用多普勒雷達(dá)傳感器采集車輛速度曲線，通過得到位移曲線，從而計算車輛續(xù)駛里程。整車外觀如圖10 所示。由氫系統(tǒng)試驗曲線（圖11）可以看出，車輛啟動時，鋰電池SOC 為40%左右，兩套燃料電池系統(tǒng)同時啟動，以70 kW功率運行；保持該功率直至SOC 為50%時，燃料電池降功至45 kW；SOC繼續(xù)上升至65%時，燃料電池繼續(xù)降功至30 kW；之后，SOC 趨于穩(wěn)定并保持在70%左右。該試驗說明燃料電池功率分配滿足ECU控制策略，燃料電池能夠根據(jù)整車需求以及SOC狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

圖10 氫燃料電池混合動力智軌電車Fig.10 Hydrogen hybrid power autonomous-rail rapid tram

圖11 氫系統(tǒng)試驗曲線Fig.11 Test curves of hydrogen power system

在續(xù)航試驗中，將兩端儲氫系統(tǒng)氫氣加至30 MPa。圖12 示出續(xù)航試驗曲線?？梢钥闯觯_始時動力電池SOC為65%，兩端燃料電池以30 kW功率運行，此后智軌電車在道路上平穩(wěn)運行6.5 h；當(dāng)儲氫系統(tǒng)氫氣壓力低于3 MPa時，減壓閥關(guān)閉并向燃料電池發(fā)送關(guān)機(jī)指令，燃料電池進(jìn)入吹掃模式并關(guān)機(jī)?？梢钥闯?，在此車輛運行區(qū)間內(nèi)，燃料電池能夠根據(jù)SOC變化進(jìn)行功率響應(yīng)，在車輛運行過程中SOC基本維持在50% ～ 70%范圍內(nèi)。最終車輛運行結(jié)果顯示，在AW0載荷下車輛達(dá)到322 km續(xù)航，平均氫能消耗約11.9 kg/100 km；AW3載荷下車輛達(dá)到258 km續(xù)航，平均氫能消耗約13.6 kg/100 km，符合設(shè)計預(yù)期要求。

圖12 車輛續(xù)航試驗曲線Fig.12 Curves of vehicle endurance test

6 結(jié)束語

智能軌道快運系統(tǒng)作為城市軌道交通中低運量的新制式，已經(jīng)在株洲、宜賓等地進(jìn)入了載客運營階段［15］。多種儲能方式也為智軌電車的運行提供了不同的選擇。本文根據(jù)智軌電車運營特點，結(jié)合燃料電池與鋰電池的工作特性，提出了一套適用于智軌電車的氫能源混合動力系統(tǒng)方案，并對系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、能量控制方案進(jìn)行了詳細(xì)分析。試驗結(jié)果表明，該方案能夠滿足智軌電車總體運行要求。隨著能量控制方案的不斷優(yōu)化以及燃料電池性能的提升，后續(xù)將在保證車輛功率需求和續(xù)航里程的前提下，進(jìn)一步提高儲氫系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。