01 背  景

2020年9月22日，第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上我國(guó)政府提出：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，碳中和的實(shí)現(xiàn)必須推動(dòng)上游高耗能行業(yè)及下游應(yīng)用同步轉(zhuǎn)型，而氫能則是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要途徑，在下游交通環(huán)節(jié)的應(yīng)用中，柴油貨車雖然保有量只占汽車總量的7.95,但其一氧化碳、碳氧化合物、氮氧化合物及顆粒物的排放，卻占到了汽車排放總量的10%、18.8%、60%與84.6%以上，為實(shí)現(xiàn)碳中和，交通領(lǐng)域的電動(dòng)化為大勢(shì)所趨，而商用車特別是柴油貨車電動(dòng)化則是邁向碳中和的重要加速器，

而在新能源商用車的使用場(chǎng)景中，對(duì)于400km以內(nèi)的城配物流及運(yùn)距短、啟停工況多、且實(shí)行新能源路權(quán)政策等場(chǎng)景，純電將成為主要路線，純電在城配輕卡、市政環(huán)衛(wèi)、短途牽引將率先滲透，而對(duì)于諸如長(zhǎng)途牽引等400km以上且載重較大的城際長(zhǎng)距離運(yùn)輸場(chǎng)景，由于其對(duì)電池容量及耗電需求較高，純電車型實(shí)現(xiàn)困難，長(zhǎng)期將有氫燃料電池車型主導(dǎo)。

另外商用車用戶其在購(gòu)買車輛時(shí)，不只關(guān)注車輛的購(gòu)置成本，而是關(guān)注車輛的總擁有成本TCO（Total Cost Of Ownership）,包括采購(gòu)成本、運(yùn)營(yíng)成本、維護(hù)成本及管理成本，其中運(yùn)營(yíng)成本占TCO的比例最大，而運(yùn)營(yíng)成本中燃料成本則占比例最大，因此對(duì)于氫燃料重卡在國(guó)家推動(dòng)氫氣成本降低的同時(shí)降低單車的氫氣消耗將對(duì)其TCO的縮減帶來(lái)巨大的效益。

02  氫燃料電池重卡的基本構(gòu)型及動(dòng)力源工作特性

燃料電池汽車普遍使用的構(gòu)型如上，其包含如下主要部分：

1. 燃料電池系統(tǒng)：以質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）為例，其包含燃料電池電堆（多個(gè)單體電池的組合體）、進(jìn)氣系統(tǒng)（空濾、流量計(jì)、空壓機(jī)、中冷器等）、氫氣系統(tǒng)（氫氣循環(huán)泵/引射器、氫氣噴射器等）、熱管理系統(tǒng)（水泵、風(fēng)扇、水箱等）；

2. 燃料電池DCDC：燃料電池電堆的輸出電壓（取決于單體電壓個(gè)數(shù)及單體電壓）通常不能滿足整車高壓部件的工作電壓需求，需要有DCDC進(jìn)行升壓后輸出；

3. 儲(chǔ)氫系統(tǒng)：燃料電池汽車的主要能源來(lái)自車載儲(chǔ)氫瓶中存儲(chǔ)的氫氣（H2），通常根據(jù)車輛的續(xù)駛里程需求及單個(gè)氫瓶?jī)?chǔ)氫容量（35Mpa/70Mpa）會(huì)裝備不同數(shù)量的氫瓶；

4. 高壓動(dòng)力電池：由于車輛在行駛過(guò)程中工況復(fù)雜，會(huì)有頻繁的加速、爬坡、制動(dòng)等情況，而燃料電池因其自身的特性無(wú)法實(shí)時(shí)滿足整車的功率需求，需要有高壓動(dòng)力電池進(jìn)行“削峰填谷”；

5. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：對(duì)于重卡車型，可以是雙集成橋或分布式（4電機(jī)）等不同的驅(qū)動(dòng)形式，需要有電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱、差速器等將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)車輛行駛；

6. 控制系統(tǒng)：包含燃料電池控制系統(tǒng)、氫系統(tǒng)控制器、高壓動(dòng)力電池控制系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)以及整車控制器等；

在上述構(gòu)成中，燃料電池系統(tǒng)和高壓電池系統(tǒng)作為整車的動(dòng)力源，其具有不同的工作特性：

2.1 燃料電池系統(tǒng)特性分析

1. 燃料電池的耐久性

燃料電池的使用壽命問(wèn)題一直是制約燃料電池汽車大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵難題，對(duì)于燃料電池商用車而言，其車載燃料電池至少應(yīng)該有2萬(wàn)小時(shí)以上的正常壽命，然而在車載工況下通常無(wú)法滿足這一要求，導(dǎo)致燃料電池壽命衰減的主要劣化工況有：

頻繁啟停工況：燃料電池系統(tǒng)在頻繁啟停工況下會(huì)加劇其壽命衰減，因此能量管理的策略需合理控制減少燃料電池啟停工況出現(xiàn)的頻率，以延長(zhǎng)其使用壽命；

連續(xù)低載或怠速工況：當(dāng)燃料電池處于連續(xù)低載或怠速工況下，電堆單電池會(huì)維持在一個(gè)接近于開(kāi)路電壓的高電位狀態(tài)，此時(shí)陰極電位通常在0.85V-0.9V，這種高電位狀態(tài)會(huì)引起質(zhì)子交換膜的化學(xué)腐蝕，從而引起電堆不可逆的壽命衰退，因此能量管理策略需在低負(fù)荷的情況下盡量維持燃料電池工作在高效區(qū)內(nèi)，通過(guò)給高壓動(dòng)力電池充電來(lái)減少低載或怠速工況的出現(xiàn)，以延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命；

大幅變載工況：由于重卡的載重量大，路況復(fù)雜，載荷波動(dòng)范圍大，當(dāng)燃料電池處于劇烈變載工況下，會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)氣體供應(yīng)不足進(jìn)而引起壽命衰減，此外，連續(xù)變載會(huì)進(jìn)一步加劇電堆內(nèi)部催化劑和碳載體的損傷，因此能量管理策略需減少燃料電池系統(tǒng)大幅變載的工況，減緩燃料電池壽命的衰減；

過(guò)載工況：燃料電池具有一定的過(guò)載能力，但是長(zhǎng)期的滿負(fù)荷運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致燃料電池壽命衰減，因此能量管理策略需避免燃料電池長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行或過(guò)載運(yùn)行。

2. 燃料電池效率分析

由如下燃料電池的功率-效率曲線可知，當(dāng)燃料電池的輸出功率較小小于c點(diǎn)時(shí)，其效率較低，當(dāng)輸出功率繼續(xù)降低時(shí)，其效率會(huì)急劇降低，而當(dāng)其輸出功率大于d點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)效率也會(huì)出現(xiàn)加速下降趨勢(shì)，因此能量管理策略應(yīng)將燃料電池的工作區(qū)間限制在高效率區(qū)（c-d）,并盡量維持在最佳效率區(qū)（a-b）。

燃料電池工作特性曲線

燃料電池功率-效率曲線

03  燃料電池重卡的能耗優(yōu)化方向

3.1 燃料電池與高壓電池功率分配優(yōu)化

基于上面對(duì)氫燃料重卡的基本構(gòu)型及兩種動(dòng)力源（燃料電池+高壓電池）工作特性的說(shuō)明，在氫燃料重卡不同運(yùn)行工況下如何合理的分配燃料電池的輸出功率和高壓電池的輸出功率，從而在滿足整車動(dòng)力性需求提高燃料電池的壽命并使氫耗最小，針對(duì)該問(wèn)題目前行業(yè)內(nèi)有不同的控制策略，主要分為如下幾類：

開(kāi)關(guān)控制：簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，其核心在于始終控制燃料電池工作在高效區(qū)間，當(dāng)動(dòng)力電池SOC達(dá)到設(shè)定的最大值后關(guān)閉燃料電池，由動(dòng)力電池單獨(dú)工作，當(dāng)動(dòng)力電池SOC低于設(shè)定值是開(kāi)啟燃料電池，控制其在滿足整車功率需求的同時(shí)為動(dòng)力電池充電，直到動(dòng)力電池SOC達(dá)到最大值然后再次關(guān)閉燃料電池，由動(dòng)力電池單獨(dú)工作，以此不斷往復(fù)，此種控制策略，動(dòng)力電池會(huì)不斷進(jìn)行深層次的充放電，燃料電池會(huì)頻繁的啟停，該策略會(huì)對(duì)動(dòng)力電池和燃料電池的壽命產(chǎn)生影響；

功率跟隨控制：核心在于控制動(dòng)力電池的SOC向目標(biāo)期望值靠近，而燃料電池則在允許的范圍內(nèi)根據(jù)動(dòng)力電池的SOC和整車需求功率實(shí)時(shí)調(diào)整輸出功率；

模糊控制：不需要精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜的燃料電池具有較好的適應(yīng)性，但是該策略更多的依賴工程經(jīng)驗(yàn)積累，如基于WAFA符合模糊控制策略；

瞬時(shí)優(yōu)化-等效氫耗最小控制：建立整車的瞬時(shí)等效氫耗模型，并建立對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)目標(biāo)函數(shù)，始終以瞬時(shí)氫耗最小為控制目標(biāo)，從而進(jìn)行燃料電池和動(dòng)力電池的功率分配，如等效消耗最小ECMS（Equivalent Consumption Minimization Strategy）；

全局最優(yōu)控制：一般是針對(duì)固定的典型運(yùn)行工況下，實(shí)現(xiàn)全局的能耗最小等控制目標(biāo)，核心在于建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型或預(yù)測(cè)模型，通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算實(shí)現(xiàn)特定條件下的最優(yōu)控制，其控制效果受到模型準(zhǔn)確性的影響較大，實(shí)現(xiàn)難度較大，如預(yù)測(cè)性自適應(yīng)巡航PACC（Predictive Adaptive Cruise Control）；

3.1.1 功率跟隨控制

功率跟隨控制以燃料電池的輸出功率為主，動(dòng)力電池進(jìn)行峰值功率補(bǔ)充，根據(jù)高壓動(dòng)力電池的當(dāng)前SOC其主要分為三種模式：

1. SOC＜SOCmin

此時(shí)動(dòng)力電池的SCO較低，應(yīng)盡可能避免或減少動(dòng)力電池功率輸出，重卡的整車需求功率全部由燃料電池提供，并為動(dòng)力電池進(jìn)行充電，直到動(dòng)力電池的SOC＞SOCmin，此階段燃料電池按照最大功率輸出Pfc=Pfc-max；

2. SOCmin ＜SOC＜SOCmax

此時(shí)動(dòng)力電池處于理想的工作區(qū)間，可以對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)某潆娀蚍烹姡藭r(shí)的控制方法為盡量讓燃料電池工作在其高效區(qū)，并盡可能的滿足整車重卡功率需求，動(dòng)力電池進(jìn)行峰值功率的補(bǔ)充或多余能量的回收，此時(shí)燃料電池的輸出功率變化范圍為：

Pfc-min≤Pfc≤Pfc-max

3. SOC＞SOCmax

此時(shí)動(dòng)力電池不宜繼續(xù)進(jìn)行充電，否則會(huì)影響能量回收的效果，此時(shí)的控制方法為：維持燃料電池在高效區(qū)的前提下盡可能控制以較小的功率輸出，以加快動(dòng)力電池的電量消耗，使動(dòng)力電池SOC盡快回歸到合理的區(qū)間范圍內(nèi)。

3.1.2 基于WAFA復(fù)合模糊控制能量管理策略

上述功率跟隨控制能量管理策略，雖然具有簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)勢(shì)，但其無(wú)法適應(yīng)重卡車型的動(dòng)態(tài)工況，而模糊控制是邏輯門限控制的非線性擴(kuò)展，屬于高魯棒性的非線性控制，對(duì)于動(dòng)態(tài)工況復(fù)雜的燃料電池重卡具有很好的適應(yīng)性。

WAFA復(fù)合模糊控制邏輯結(jié)構(gòu)

WAFA復(fù)合模糊控制策略以單一模糊控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，滿足重卡動(dòng)力系統(tǒng)的功率需求，并通過(guò)增加子模糊控制系統(tǒng)對(duì)燃料電池和動(dòng)力電池的輸出功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池SOC的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，在此基礎(chǔ)上采用加權(quán)均值濾波算法WAFA對(duì)經(jīng)復(fù)合模糊控制輸出的燃料電池功率進(jìn)行平滑處理以降低高頻功率的輸出，并通過(guò)變載速率限制法對(duì)燃料電池的變載速率進(jìn)行限制，以避免大幅度劣化工況的出現(xiàn)，該策略在兼顧燃料電池經(jīng)濟(jì)性、耐久性和動(dòng)力電池穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種動(dòng)力源之間功率的合理分配。

1. 主模糊控制器設(shè)計(jì)

主模糊控制器的作用是根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)的功率需求和動(dòng)力電池的SOC確定燃料電池輸出功率，使動(dòng)力系統(tǒng)滿足重卡動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的需求，首先需要確定輸入變量動(dòng)力系統(tǒng)功率需求Prep、動(dòng)力電池SOC和輸出變量燃料電池輸出功率Pfc三個(gè)變量的隸屬度函數(shù)，即設(shè)定基本論域。

主模糊控制器系統(tǒng)界面

動(dòng)力系統(tǒng)需求功率Prep隸屬度函數(shù)的論域定為【0,300】，將隸屬度函數(shù)劃分為{VS，S,M,B,VB}五個(gè)模糊子集，其中VS,S,M,B,VB分別代表很小，小，中，大，很大。

動(dòng)力電池SOC的論域定為【0,1】，SOC的隸屬度函數(shù)劃分為{XS，S,M,B,XL}五個(gè)模糊子集，XS，S,M,B,XL分別代表很小，小，中，大，很大。

將燃料電池輸出功率 Pfc 隸屬度函數(shù)的論域定為[20，75]。劃分 Pfc 為五個(gè)模糊子集：{SS，S，M，B，BB}，其中SS、S、M、B、BB 的含義分別是很小、小、中、大、很大。

制定模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

降低燃料電池的啟停次數(shù)；

保證燃料電池運(yùn)行在高效率區(qū)間，使氫耗盡可能小，并盡量運(yùn)行在最佳效率區(qū)間；

動(dòng)力電池過(guò)放會(huì)降低動(dòng)力電池的循環(huán)壽命，能量管理策略應(yīng)將動(dòng)力電池SOC限制在合理的工作范圍內(nèi)，并可能得避免動(dòng)力電池以大倍率方式參與充放電；

當(dāng)重卡處于起步、加速、爬坡等大功率需求時(shí)，動(dòng)力電池應(yīng)及時(shí)為整車提供瞬時(shí)峰值功率；

在重卡減速制動(dòng)狀態(tài)下，利用動(dòng)力電池進(jìn)行制動(dòng)能量回收；

根據(jù)以上目標(biāo)制定IF-THEN規(guī)則表如下：

主模糊控制器IF-THEN規(guī)則表

由上述控制規(guī)則得到模糊控制器的功率分布圖如下

主模糊控制器的功率分布

2. 子模糊控制器設(shè)計(jì)

子模糊控制器的作用是針對(duì)重卡動(dòng)力電池SOC波動(dòng)大，調(diào)節(jié)遲滯的缺點(diǎn)，根據(jù)動(dòng)力電池SOC與目標(biāo)SOC的差值大小對(duì)主模糊控制器輸出的燃料電池功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，使動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)節(jié)更加靈活，以適應(yīng)重卡的工況。

子模糊控制器系統(tǒng)界面

子模糊控制器以動(dòng)力電池當(dāng)前 SOC 與其期望值 SOC* 的差值 ΔSOC 為輸入，以燃料電池的輸出功率修正系數(shù) α 為輸出。根據(jù)計(jì)算和控制需求，設(shè)置ΔSOC 的論域?yàn)閇-0.5，0.5]，將其隸屬度函數(shù)劃分為{Small，Middle，Big} 三個(gè)模糊子集，表示低、中、高；將α 的論域設(shè)置為[0，2]，將其隸屬度函數(shù)劃分為 {S，M，L} 三個(gè)模糊子集，表示小、中、大。并制定子模糊控制器的控制規(guī)則，得到燃料電池輸出功率的修正系數(shù)分布圖

修正系數(shù)α的規(guī)則曲線

3. 劣化工況控制算法設(shè)計(jì)

由于模糊控制的細(xì)節(jié)不可控，該策略下的燃料電池易出現(xiàn)劣化工況。為提高燃料電池的使用壽命，基于燃料電池保護(hù)優(yōu)先的控制方法，根據(jù)控制需求對(duì)模糊控制策略進(jìn)行補(bǔ)充。

（1）加權(quán)均值濾波算法平滑燃料電池的輸出功率

燃料電池輸出功率的頻繁波動(dòng)會(huì)加劇其壽命衰減，因此通過(guò)加權(quán)均值濾波算法對(duì)其輸出功率進(jìn)行平滑處理，以達(dá)到降低高頻功率輸出的目的。燃料電池的功率輸出信號(hào)是一組離散的時(shí)間信號(hào)，濾波窗口沿離散時(shí)間序列連續(xù)滑動(dòng)采樣 N 個(gè)數(shù)據(jù)，每采樣一次，移動(dòng)一次濾波窗口，然后將濾波窗口內(nèi) N 個(gè)采樣時(shí)刻對(duì)應(yīng)的功率值進(jìn)行加權(quán)平均。各功率值所占權(quán)重由其采樣時(shí)刻與當(dāng)前采樣時(shí)刻 t 的時(shí)間差決定，差值越大，所占的權(quán)重越小；

加權(quán)均值濾波算法示意圖

對(duì)每次滑動(dòng)后濾波窗口內(nèi)的 N 個(gè)值進(jìn)行加權(quán)平均，即可求得一組經(jīng)過(guò)平滑處理的功率輸出信號(hào)。在滿足燃料電池重卡動(dòng)力系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)能力的前提下，綜合考慮燃料電池輸出功率變載速率范圍和動(dòng)力電池峰值充放電能力對(duì) N 值進(jìn)行選取。N 取值太小會(huì)達(dá)不到平滑燃料電池輸出功率的目的，取值太大則會(huì)出現(xiàn)燃料電池輸出功率過(guò)度平滑的問(wèn)題，進(jìn)而影響燃料電池正常的輸出能力，導(dǎo)致整車性能降低。為兼顧燃料電池的輸出功率平滑度和正常功率輸出的能力，本文選取滑動(dòng)濾波窗口的數(shù)據(jù)容納個(gè)數(shù) N 為 4

4. 對(duì)燃料電池輸出功率的變載速率進(jìn)行限制

大幅變載工況會(huì)加劇燃料電池的壽命衰減，為保護(hù)燃料電池，通常根據(jù)燃料電池供應(yīng)商反饋的變速速率限值對(duì)經(jīng)過(guò)平滑處理的輸出功率的變化速率做進(jìn)一步的限制。

3.1.3 等效氫耗最小ECMS能量控制策略

該策略通過(guò)將動(dòng)力電池的電能等效為燃料消耗，在不考慮動(dòng)力電池內(nèi)阻及其帶來(lái)的充放電過(guò)程能量損耗，蓄電池充放電時(shí)的等效燃料消耗Cbat:

式中Cst，svg 為燃料電池的平均燃料消耗率；Pst，avg 為燃料電池的平均輸出功率；Pbat 為蓄電池的瞬時(shí)功率。系統(tǒng)的等效燃料消耗函數(shù)為：

Csys = Cst + γ (SOC) Cbat

式中的 γ 為 SOC 補(bǔ)償系數(shù)，用以保證高壓動(dòng)力電池的SOC在合理的范圍內(nèi)，其值為：

SOCH 為SOC 的給定最高限值；SOCL 為SOC的給定最低限值；β 為等效因子（0 < β < 1）。將系統(tǒng)等效燃料消耗Jmin作為優(yōu)化目標(biāo)：

設(shè)置優(yōu)化問(wèn)題的限制條件如下：

燃料電池的輸出功率與高壓動(dòng)力電池的輸出功率之和等于整車的功率需求；

高壓動(dòng)力電池輸出功率在其當(dāng)前SOC決定的輸出范圍內(nèi)；

燃料電池的輸出功率在其允許的最大值、最小值范圍內(nèi)；

燃料電池系統(tǒng)的輸出功率變化率滿足電堆系統(tǒng)供應(yīng)商提出的需求（如34Kw/S）；

燃料電池系統(tǒng)工作的最小功率需滿足電堆系統(tǒng)供應(yīng)商提出的需求（如24Kw）；

在ECMS控制策略中，等效因子的作用是調(diào)節(jié)高壓電池的SOC調(diào)整到目標(biāo)值的快慢，若等效因子選取過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池SOC較高時(shí)過(guò)量用電，當(dāng)SOC很快降低后，則會(huì)為了充電使氫耗大為增加，最終增大了氫燃料消耗，如果等效因子選取過(guò)小，當(dāng)SOC降低后充電過(guò)慢，可能導(dǎo)致SOC過(guò)低，影響蓄電池的輸出效率和使用壽命，因此等效因子的制定與高壓動(dòng)力電池的SOC有很大的關(guān)系；因此在制定等效因子時(shí)應(yīng)考慮高壓電池SOC，當(dāng)SOC很高時(shí)，增大等效因子以利用蓄電池的空余能量，當(dāng)SOC很低時(shí)，也要增大等效因子，以快速維持高壓動(dòng)力電池SOC，當(dāng)SOC處于合理范圍內(nèi)時(shí)則應(yīng)降低等效因子，既可以更好維持SOC，也可以降低等效因子，因此設(shè)置等效因子β

當(dāng)SOCH 與SOCL 分別取為0. 8、0. 2 時(shí)，最優(yōu)等效因子隨 SOC 變化如下圖 所示?？梢钥闯?，當(dāng)蓄電池 SOC 接近SOCH 或SOCL，最優(yōu)等效因子β 接近1；當(dāng)蓄電池SOC 接近（SOCH + SOCL）/2 時(shí)，最優(yōu)等效因子β 趨近于0，與以上分析中的理想最優(yōu)等效因子具有相同的特性。

最優(yōu)等效因子-動(dòng)力電池SOC曲線

3.2 制動(dòng)能量回收優(yōu)化

制動(dòng)能量回收控制策略的主要步驟為：制動(dòng)時(shí)制動(dòng)控制器（如EBS）根據(jù)駕駛員踩制動(dòng)踏板的行程計(jì)算駕駛員需求的總制動(dòng)力，在滿足制動(dòng)強(qiáng)度需求及制動(dòng)穩(wěn)定性的前提下進(jìn)行前軸、后軸的制動(dòng)力分配，之后在將分配到后軸的制動(dòng)力進(jìn)行電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)的分配，原則為盡量使用電制動(dòng)減少機(jī)械制動(dòng)的使用，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)不滿足制動(dòng)力需求時(shí)，由機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，保證車輛平穩(wěn)減速，同時(shí)在電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)的銜接過(guò)程不能對(duì)駕駛員的制動(dòng)感受產(chǎn)生影響。另外在電制動(dòng)過(guò)程中若激活制動(dòng)防抱死ABS或激活車身穩(wěn)定性控制ESC相關(guān)功能，需要退出電制動(dòng)，由EBS進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)控制。

3.2.1 再生制動(dòng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如下圖再生制動(dòng)系統(tǒng)主要包含如下組成部分：

制動(dòng)閥（腳閥）：采用電和氣雙回路設(shè)計(jì)，通過(guò)雙踏板位移傳感器監(jiān)測(cè)駕駛員的制動(dòng)意圖；

橋控模塊：分為前橋控制模塊、后橋控制模塊，中橋控制模塊（3軸車裝備），橋孔模塊能夠通過(guò)電磁閥控制對(duì)應(yīng)軸左右輪的制動(dòng)氣壓，其有兩種工作模式：電控模式和氣控模式，實(shí)現(xiàn)冗余備份，當(dāng)電控模式出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入氣控狀態(tài)；

儲(chǔ)氣筒：通過(guò)打氣泵將空氣打入儲(chǔ)氣筒，維持制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓；

制動(dòng)器（彈簧缸）：輪端產(chǎn)生制動(dòng)力的器件；

輪速傳感器：檢測(cè)各輪的輪速，接入EBS控制器，用于路面附著系數(shù)識(shí)別等；

電控制動(dòng)控制器EBS：作為制動(dòng)的主控模塊，采集各傳感器的信號(hào)，進(jìn)行制動(dòng)力計(jì)算、分配，協(xié)調(diào)電制動(dòng)及機(jī)械制動(dòng)等；

電機(jī)/電控：在制動(dòng)過(guò)程電機(jī)處于發(fā)電模式，提供反向的制動(dòng)扭矩；

高壓電池等：在制動(dòng)過(guò)程中存儲(chǔ)回收的電能。

再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2.2 再生制動(dòng)控制策略

1. 前后制動(dòng)力分配

前后制動(dòng)力主要根據(jù)理想制動(dòng)力分配曲線、GB12676標(biāo)準(zhǔn)及常用循環(huán)工況減速度分布情況進(jìn)行分配，在保證制動(dòng)穩(wěn)定性的前提下，盡可能將制動(dòng)力分配到后輪。根據(jù)汽車?yán)碚?，理想制?dòng)力分配曲線及前后輪同時(shí)抱死，對(duì)路面附著條件的利用、制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性均較為有利。

為了實(shí)現(xiàn)最大化的制動(dòng)能量回收，并且兼顧制動(dòng)穩(wěn)定性，考慮常用工況下的制動(dòng)強(qiáng)度在某一標(biāo)定值以下（如0.15），故在制動(dòng)強(qiáng)度0.15以下時(shí)將制動(dòng)力全部分配到后輪，在制動(dòng)強(qiáng)度大于0.15時(shí)前輪機(jī)械制動(dòng)逐步介入，依據(jù)以上原則將制動(dòng)過(guò)程大致分為如下圖3段：

0A段：此時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度降低，將制動(dòng)力全部分配到后輪，通過(guò)電機(jī)回饋制動(dòng)；

AB段：其制動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較高，需要前后輪共同提供制動(dòng)力；

B段之后：則按照理想制動(dòng)分配曲線（I曲線）進(jìn)行前后橋的制動(dòng)力分配；

2. 電機(jī)回饋扭矩計(jì)算

電機(jī)的最大回饋扭矩受當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)的溫度、高壓系統(tǒng)的狀態(tài)、高壓動(dòng)力電池的SOC以及充電功率限制，在進(jìn)行電機(jī)的制動(dòng)扭矩計(jì)算時(shí)要考慮如下因素：

電機(jī)回饋的最大電壓、回饋電流不能超過(guò)高壓動(dòng)力電池當(dāng)前的瞬時(shí)充電電流限值，通常在SOC較高時(shí)電池的可充電電流會(huì)降低，因此為了提高制動(dòng)能量回收的效率，通常避免高壓動(dòng)力電池的SOC過(guò)高，但是如上3.2章節(jié)所述，高壓動(dòng)力電池在氫燃料電池重卡車型上需要承擔(dān)動(dòng)態(tài)工況“削峰填谷”的作用，電池的SOC也不能太低。如何根據(jù)不同的駕駛工況動(dòng)態(tài)調(diào)整高壓電池的目標(biāo)SOC將是一項(xiàng)復(fù)雜且重要的工作，如結(jié)合高階智能駕駛系統(tǒng)高精地圖信息預(yù)測(cè)前方道路的拓?fù)?、道路交通情況等，在上坡前適當(dāng)提高動(dòng)力電池目標(biāo)SOC，在長(zhǎng)下坡前適當(dāng)降低動(dòng)力電池SOC，從而最大化的進(jìn)行制動(dòng)能量回收；

當(dāng)前電機(jī)的回饋扭矩限值，EBS需要接收各中橋及后橋的各電機(jī)回饋扭矩限值，從而在分配到電制動(dòng)的扭矩不能超過(guò)當(dāng)前電機(jī)的扭矩限值；

ABS或ESC激活時(shí)要退出制動(dòng)能量回收，在ABS激活或ESC激活等緊急工況下，電制動(dòng)不能滿足實(shí)時(shí)要求，需要通過(guò)機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行控制；

當(dāng)采用分布式驅(qū)動(dòng)形式時(shí)，制動(dòng)時(shí)需要考慮分布式電機(jī)之間的扭矩協(xié)調(diào)及分配。

3.3 基于效率的電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化

在相同的行駛工況下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要輸出相同的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，即輸出功率一致。轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配的意義在于提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，從而降低電池的輸入功率。則轉(zhuǎn)矩的最優(yōu)分配問(wèn)題可以簡(jiǎn)化為前后軸之間的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù) λ 的最優(yōu)解問(wèn)題:

λ = Tf /Td，   Td = Tf + Tr

式中: λ 為前軸轉(zhuǎn)矩的分配系數(shù)，當(dāng)前置電機(jī)作為主驅(qū)電機(jī)時(shí)，0．5 ≤λ≤1; Tf 為前 軸 需 求 的 轉(zhuǎn) 矩( N·m) ; Tr 為后軸需求的轉(zhuǎn)矩( N·m) ; Td 為總的轉(zhuǎn)矩需求( N·m) 。所選用電機(jī)的效率 map如下圖，

驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率Map

同時(shí)將電機(jī)的輸出效率 η 看做一個(gè)是關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)矩 T 與轉(zhuǎn)速n 的函數(shù) η( T，n) 。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量利用率為

綜上，得到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率最優(yōu)的數(shù)學(xué)模型為

約束條件為

其中 Tmax 為當(dāng)中軸電機(jī)能夠提供的最大轉(zhuǎn)矩。上式表示電機(jī)能夠提供的最大輸出特性的限制。利用 Matlab 進(jìn)行數(shù)值求解，得到 λ 關(guān)于轉(zhuǎn)矩 T 與轉(zhuǎn)速 n 的最優(yōu)效率

分配系數(shù)如下 λ 所示

從上圖可以看出分配系數(shù)在0.5和1的區(qū)域分布最廣，說(shuō)明在低轉(zhuǎn)矩需求下，可由單電機(jī)工作提供汽車行駛所需的動(dòng)力，此時(shí)λ = 1，當(dāng)動(dòng)力需求較大時(shí)，整車的轉(zhuǎn)矩需求由前后平均分配（前后電機(jī)相同），此時(shí)λ = 0.5，這樣可以避免單個(gè)電機(jī)工作在邊緣的低效區(qū)；

對(duì)于采用分布式驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)，如三電機(jī)（中橋集成橋+后橋分布橋）、四電機(jī)（中橋后橋分布橋），此在考慮上述基于經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配基礎(chǔ)上，還有考慮基于穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)矩分配，在高附著系統(tǒng)路面上即通過(guò)優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配實(shí)現(xiàn)電機(jī)效率最大化，在低附著系數(shù)路面上，則采用基于穩(wěn)定性的電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配，從而保證車輪的滑移率在最優(yōu)的滑移率附近。

基于穩(wěn)定性的扭矩控制示意

3.4 基于余熱回收的熱管理優(yōu)化

燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)主要將駕駛室熱管理、燃料電池?zé)峁芾?、?dòng)力電池?zé)峁芾砑半姍C(jī)及高壓附件熱管理等進(jìn)行整合，統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，改變?cè)械南鄬?duì)獨(dú)立管理方式。由于熱泵空調(diào)具有高效、節(jié)能、冷熱一體化調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，故可基于熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種夏季可為駕駛室制冷、為燃料電池和動(dòng)力電池散熱，冬季可為駕駛室制熱、為燃料電池和動(dòng)力電池預(yù)熱保溫、電池組及電機(jī)余熱再利用的整車熱管理方案。

燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)原理示意圖

熱管理系統(tǒng)原理如上圖所示。整車熱管理系統(tǒng)由熱泵空調(diào)循環(huán)回路、燃料電池循環(huán)回路、動(dòng)力電池循環(huán)回路、電機(jī)冷卻循環(huán)回路等4 個(gè)循環(huán)回路組成。熱泵空調(diào)循環(huán)回路中共有1 個(gè)四通換向閥和5 個(gè)電磁閥用于調(diào)節(jié)回路中制冷劑的循環(huán)路徑與方向，通過(guò)電動(dòng)壓縮機(jī)調(diào)節(jié)回路中制冷劑流速。燃料電池回路和動(dòng)力電池循環(huán)回路分別通過(guò)水泵1 和水泵2調(diào)節(jié)回路中制冷劑流速。電機(jī)冷卻回路中有1 個(gè)三通電磁閥用于調(diào)節(jié)回路中制冷劑的路徑，通過(guò)水泵3 調(diào)節(jié)回路中制冷劑流速。熱泵空調(diào)循環(huán)回路與燃料電池循環(huán)回路、動(dòng)力電池循環(huán)回路在熱泵換熱器中實(shí)現(xiàn)熱量交換; 電機(jī)冷卻循環(huán)回路通過(guò)車內(nèi)換熱器與駕駛室實(shí)現(xiàn)熱量交換。由于電機(jī)只需要冷卻而不需要預(yù)熱，因此將電機(jī)冷卻循環(huán)回路單獨(dú)設(shè)置，不與熱泵空調(diào)循環(huán)回路進(jìn)行熱量交換。各循環(huán)回路通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻劑流速達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的目的。

整車熱管理系統(tǒng)的工作模式通過(guò)邏輯門限值控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，采集實(shí)時(shí)環(huán)境溫度Tamb、駕駛室溫度Tcab、燃料電池溫度Tful、動(dòng)力電池溫度Tpow、電機(jī)溫度Tm。邏輯門限值控制狀態(tài)的邏輯關(guān)系如下圖所示。

熱管理系統(tǒng)邏輯門限值邏輯關(guān)系框圖

根據(jù)邏輯門限值控制，整車熱管理系統(tǒng)分為以下具體工作模式:

模式1 駕駛室單冷: 環(huán)境溫度Tamb ＞ 20 ℃，駕駛室溫度Tcab ＞ 25 ℃，燃料電池溫度80 ℃ ＞Tful ＞ 70 ℃，動(dòng)力電池溫度45 ℃ ＞ Tpow ＞ 18 ℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，開(kāi)啟電磁閥5，關(guān)閉其余4 個(gè)電池閥。

模式2 駕駛室制冷、電池組散熱: 環(huán)境溫度Tamb ＞ 20 ℃，駕駛室溫度Tcab ＞ 25 ℃，燃料電池溫度Tful ＞ 80 ℃，動(dòng)力電池溫度Tpow ＞ 45 ℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，開(kāi)啟電磁閥2、4 和5，關(guān)閉電磁閥1 和3。

模式3 駕駛室制冷、電池組預(yù)熱: 環(huán)境溫度Tamb ＞ 20 ℃，駕駛室溫度Tcab ＞ 25 ℃，燃料電池溫度Tful ＜ 70 ℃，動(dòng)力電池溫度Tpow ＜ 18 ℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，開(kāi)啟電磁閥1 和3，關(guān)閉電磁閥2、4 和5。

模式4 駕駛室單熱: 環(huán)境溫度Tamb ＜ 10 ℃，駕駛室溫度Tcab ＜ 18 ℃，燃料電池溫度80 ℃ ＞Tful ＞ 70 ℃，動(dòng)力電池溫度45 ℃ ＞ Tpow ＞ 18 ℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制熱位，開(kāi)啟電磁閥5，關(guān)閉其余4 個(gè)電池閥。

模式5 駕駛室制熱、電池組預(yù)熱: 環(huán)境溫度Tamb ＜ 10 ℃，駕駛室溫度Tcab ＜ 18 ℃，燃料電池溫度Tful ＜ 70 ℃，動(dòng)力電池溫度Tpow ＜ 18 ℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制熱位，開(kāi)啟電磁閥2、4 和5，關(guān)閉電磁閥1 和3。

模式6 駕駛室制熱、電池組散熱: 環(huán)境溫度Tamb ＜ 10 ℃，駕駛室溫度Tcab ＜ 18 ℃，燃料電池溫度Tful ＞ 80 ℃，動(dòng)力電池溫度Tpow ＞ 45 ℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制熱位，開(kāi)啟電磁閥1 和3，關(guān)閉電磁閥2、4 和5。

模式7 電池組熱源除霜模式: 環(huán)境溫度Tamb ＜ 10 ℃，燃料電池溫度Tful ＞ 80 ℃，動(dòng)力電池溫度Tpow ＞ 45 ℃，車外換熱器結(jié)霜。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，開(kāi)啟電磁閥2 和4，關(guān)閉電磁閥1、3和5。

模式8 駕駛室熱源除霜模式: 環(huán)境溫度Tamb ＜ 10 ℃，燃料電池溫度Tful ＜ 70 ℃，動(dòng)力電池溫度Tpow ＜ 18 ℃，車外換熱器結(jié)霜。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，只開(kāi)啟電磁閥5，關(guān)閉其余4 個(gè)電磁閥。

模式9 電池組單獨(dú)熱管理、電池組單獨(dú)散熱: 開(kāi)啟電磁閥1 和4，關(guān)閉電磁閥2、3 和5。當(dāng)環(huán)境溫度20 ℃ ＞ Tamb ＞ 10 ℃，駕駛室不需制冷或制熱; 燃料電池溫度Tful ＞ 80 ℃，動(dòng)力電池溫度Tpow ＞45 ℃，進(jìn)入電池組散熱工況; 燃料電池溫度Tful ＜70 ℃，動(dòng)力電池溫度Tpow ＜ 18 ℃，進(jìn)入電池組預(yù)熱工況。

模式10 電機(jī)散熱模式: 當(dāng)電機(jī)溫度Tm ＞100 ℃，電機(jī)進(jìn)入散熱模式: 當(dāng)環(huán)境溫度Tamb ＜10 ℃，電機(jī)余熱利用，否則電機(jī)單獨(dú)散熱。

3.5 低壓系統(tǒng)能量管理優(yōu)化

1. DC-DC工作模式優(yōu)化：

在重卡不同的工況下，提高24VDCDC的轉(zhuǎn)換效率，使其盡量工作在高效區(qū)，例如在智能補(bǔ)電功能開(kāi)啟時(shí)應(yīng)提高DCDC的輸出電壓，采用高功率補(bǔ)電模式，降低在補(bǔ)電期間整車各高壓部件的能量消耗，盡量縮短補(bǔ)電時(shí)間；同時(shí)可在充電期間，采用DCDC間隔工作的模式，因?yàn)槌潆姇r(shí)整車的低壓用電器功率相對(duì)行駛工況較小，采用間隔工作模式可使DCDC盡量工作在高效區(qū)，在低壓蓄電池SOC較高時(shí)停止DCDC輸出，盡量由低壓蓄電池供給整車低壓用電器的功率消耗，當(dāng)?shù)蛪盒铍姵豐OC低于設(shè)定的閾值，再啟動(dòng)DCDC給整車負(fù)載供電以及蓄電池充電。

2. 電源分配優(yōu)化

通過(guò)采用智能MOS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的保險(xiǎn)和繼電器，可降低整車導(dǎo)線回路，縮減導(dǎo)線線徑，據(jù)統(tǒng)計(jì)采用智能配電后整車線束成本可降低28%左右，同時(shí)當(dāng)采用智能配電后，可基于車輛不同的工況及場(chǎng)景，關(guān)閉無(wú)工作需求的負(fù)載，降低整車的低壓功率消耗。

04  總  結(jié)

基于氫燃料電池車型在未來(lái)高載重、長(zhǎng)續(xù)航場(chǎng)景應(yīng)用的必然趨勢(shì)，以及燃料消耗成本在整個(gè)重卡TCO中的較大占比，梳理了OEM需要重點(diǎn)關(guān)注并不斷優(yōu)化的方向，包含燃料電池與高壓電池的功率分配優(yōu)化，再生制動(dòng)的能量?jī)?yōu)化、基于效率的電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化、基于余熱回收的熱管理系統(tǒng)優(yōu)化以及低壓系統(tǒng)能量管理優(yōu)化等，上述優(yōu)化方向?qū)?duì)氫燃料電池重卡的燃料消耗成本降低帶來(lái)巨大的貢獻(xiàn)，但是上述內(nèi)部并不完全覆蓋所有能夠帶來(lái)氫耗降低的方法，其他如采用800V SiC IGBT提高高壓系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率，采用48V供電系統(tǒng)降低低壓系統(tǒng)能耗，降低整車自重等都可以帶來(lái)氫耗的降低，在此不能一一列舉，借助于本文自己也對(duì)氫燃料電池重卡能量管理有了一個(gè)相對(duì)清晰的脈絡(luò)，同時(shí)分享給對(duì)該話題感興趣的同行，希望有所幫助。