三種供氫系統(tǒng)電氣控制方案介紹及比較

康燕語

（廈門金龍旅行車有限公司，福建廈門 361006）

引言

氫燃料電池客車具備加氫時間短、續(xù)駛里程長的特點，是未來新能源汽車的發(fā)展方向。氫燃料電池客車的儲供氫總成受控于控制器，既要能達(dá)到氫安全的基本標(biāo)準(zhǔn)，又要能滿足燃料電池發(fā)動機(jī)的供應(yīng)需求。本文對控制器的3 種方案進(jìn)行比較，體現(xiàn)各方案的優(yōu)缺點，為儲供氫總成、燃料電池發(fā)動機(jī)相關(guān)生產(chǎn)廠家及整車廠在電氣層面的設(shè)計提供參考意義。

儲供氫總成的特點

在現(xiàn)階段，氫燃料電池客車的“油箱”是以鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞瓶（Ⅲ型瓶）為主體構(gòu)成的儲供氫總成，這類瓶可存儲最高35MPa 的氫氣并保證一定的安全性[1-2]。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)廠家對單個儲供氫總成都會至少安裝一個集成了超溫超壓保護(hù)裝置（TPRD）的瓶口閥。相關(guān)瓶口閥可通過機(jī)械方式和電磁控制兩種方式開關(guān)[3-4]。當(dāng)然，從瓶閥輸出的氫氣屬于高壓氣體，因而需要減壓閥進(jìn)行減壓后方可進(jìn)入燃料電池發(fā)動機(jī)。目前減壓閥減壓后范圍在0.5～2Mpa 之間，從減壓閥到進(jìn)發(fā)動機(jī)的這段管路一般被稱為中壓管路（相對于發(fā)動機(jī)內(nèi)比例閥或氫噴再減壓至工作壓力的低壓而言）。為控制氫氣進(jìn)發(fā)動機(jī)啟停，一些廠家會在減壓閥后端增加主電磁閥以控制。另外，出于對氫氣安全性保護(hù)，還會增加過流閥、手動截止閥、放空閥等閥件[5]。以某4瓶組供氫系統(tǒng)為案例，圖1 示意了其管路原理圖。

圖1 供氫系統(tǒng)管路及各部件PID 圖

以上閥件中，瓶口閥和主氫閥都可由電磁控制。過流閥、TPRD 屬于被動式的機(jī)械保護(hù)裝置，本身也不需要電磁裝置參與。而手動截止閥、放空閥雖然也是由機(jī)械控制，但由于其可主動介入，未來也存在增加電磁控制的可能。另外，高壓傳感器、中壓傳感器和溫度傳感器也是供氫系統(tǒng)必不可少的監(jiān)控裝置，一些廠家還會增加氫濃度傳感器布置在供氫系統(tǒng)附近，以檢測是否有氫氣泄漏。

表1 供氫系統(tǒng)常見電氣部件及閥件匯總

上述表格展示了幾個供氫系統(tǒng)的電氣控制部件，對供氫系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。目前，不同廠家對于供氫控制有著不同的發(fā)展方向。本文即對目前市面上流行的3 種方案進(jìn)行介紹，并從多個層面進(jìn)行比較。

三種電氣控制方案介紹及工作原理

1.方案A：“功率控制”方案

該方案是將供氫系統(tǒng)的所有電氣閥件及傳感器的供電和通訊全部歸口至氫控制器（HMS），由氫控制器銜接供氫系統(tǒng)和整車之間的通訊網(wǎng)絡(luò)和供電。其實際應(yīng)用方案一般如圖2 所示。

圖2 “功率控制”方案內(nèi)外電氣原理圖

圖中的HMS 電氣插件分為2 個部分，其中AMP282088 的4pin 插件屬于功率用電部分用插件，而AMP282087 的3pin 屬于與整車CAN 通訊的插件。對于4pin 部分的供電區(qū)分成2 塊，其中1、4 腳為HMS 本體供電及各傳感器供電，2、3 腳為除前者外的其他氫系統(tǒng)電氣部件供電。

對于1、4 腳的本體用電需求可由整車直接供電。在車輛靜止或純電模式下，HMS 本身也處于待機(jī)狀態(tài)，靜態(tài)耗電功率極小，甚至可以采取直連鉛酸電池的方式。而當(dāng)車輛在混動模式狀態(tài)、燃料電池發(fā)動機(jī)開始啟動時，通過FCU 或者VCU 控制繼電器吸合在2、3 腳形成回路，給各功率部件供電。而在發(fā)動機(jī)冷吹掃完成后，由FCU 或VCU 控制繼電器斷開。當(dāng)然，HMS 本身也會通過整車CAN 通訊以調(diào)節(jié)各功率部件的啟停。該方案最大的特點就是HMS 內(nèi)部各功率閥件需經(jīng)過FCU 和VCU 的繼電器吸合才得以取電，能有效避免因FCU 或HMS 單一故障無法執(zhí)行閥件的斷開指令的問題。

2.方案B：“通訊控制”方案

該方案也是將供氫系統(tǒng)的所有電氣閥件及傳感器的供電和通訊全部歸口至HMS，由HMS 銜取電及整車通訊問題。如圖3 所示，在市場端的應(yīng)用中，常選用AMP282090 的6pin 插件單獨與整車交互。其中，1 腳24V+為供電腳，一般為整車過手閘供電。2 腳為IGN 喚醒腳，一般接整車ON 檔信號，用于激活/休眠HMS。3 腳是地線，為1、2 腳的共地。后3 個腳位則是通訊腳位。

圖3 “通訊控制”方案內(nèi)外電氣原理圖

在車輛已開啟手閘而未上鑰匙電時，即在1、3腳形成回路以供電。此時一般只有HMS 本體受電，且處于上電休眠狀態(tài)。只有在ON 檔上電后，IGN 處于高電平，HMS 喚醒，此時也只有各傳感器部件處于工作狀態(tài)。而各個功率閥件的開啟、關(guān)閉，則由HMS 接收整車CAN 網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)指令后執(zhí)行。而當(dāng)鑰匙下ON 檔后，IGN 處于低電平。HMS 會設(shè)置一個倒計時。在倒計時過程中，各功率部件依然保持之前的狀態(tài)，直到收到燃電電池發(fā)動機(jī)吹掃完成的指令或倒計時結(jié)束才關(guān)閉，HMS 進(jìn)入休眠狀態(tài)。其下電邏輯如圖4 所示。

圖4 “通訊控制”方案下電邏輯

3.方案C：外部電氣控制器方案

由于HMS 本身電氣控制邏輯較簡單，部分具備VCU 開發(fā)能力的主機(jī)廠在對氫系統(tǒng)有較深入研究后，將HMS 取消，將其功能全部移交給VCU。即各功率閥件和傳感器與整車控制器直連。如此一來，供氫系統(tǒng)各電氣部件直接受VCU 控制。該方案的優(yōu)勢是，任一電氣部件的狀態(tài)都由VCU 直接把控，VCU 可以根據(jù)FCU 狀態(tài)直接發(fā)送指令給相應(yīng)部件。同時，假設(shè)某一部件出現(xiàn)故障，也可以通過VCU 直接進(jìn)行判斷，而不需要經(jīng)由HMS 的轉(zhuǎn)發(fā)和重新對接。

三種電氣控制方案比較

在現(xiàn)階段，供氫系統(tǒng)的安全性是燃料電池客車中的重點。而在上述3 種方案中，方案A 由于將功率部件的硬線管控由HMS 和FCU（或VCU）2 個控制器同時把控，在電氣層面上，確實具有更高的安全可靠性。這一方案也是早期燃料電池客車的常用方案。但是，隨著控制器的可靠性能的不斷提升，A 方案相比于后二者，其優(yōu)勢不再凸顯。相反地，由于供電受限于FCU 或VCU，當(dāng)供氫系統(tǒng)有保壓置換需求時，反而需要額外引入24V 電源以使得相應(yīng)閥件可以開啟。

方案A 和B 都是供氫系統(tǒng)所有電氣部件的管控歸口于HMS。這樣的好處是對氫系統(tǒng)的工作邊界有了明確的劃分。當(dāng)氫系統(tǒng)出現(xiàn)故障時完全交由氫系統(tǒng)自行處理。方案C 顯然不具備這一優(yōu)勢。但另一方面，HMS 硬件本身增加了成本，在遇到電氣故障時就不得不尋求供氫廠家?guī)椭?，同時供氫系統(tǒng)的各部件與整車的交互性不高。在需要完成如保壓置換等工作時，仍然需要HMS 本身處于工作狀態(tài)。

方案C 明顯是一種集成度高的解決方案。具備一定實力的主機(jī)廠選用方案C，無論從成本上還是部件把控上都有很大的優(yōu)勢。但是，在供氫系統(tǒng)電氣部件的選型和品控上，就對主機(jī)廠提出了很高的要求。另一方面，由于深度參與供氫系統(tǒng)的電氣控制，工作邊界往往較為模糊，在遇到故障時往往難以判定責(zé)任劃分。

表2 3 種控制方案的優(yōu)劣勢比較

可以看出，方案C 總體優(yōu)勢要優(yōu)于前二者的方案。然而，直接有VCU 直接參與，要求主機(jī)廠擁有很強(qiáng)的硬件控制能力和軟件開發(fā)能力。這也是主要的瓶頸之一。相應(yīng)地，方案A 和方案B 則較為成熟，同時方案B 對方案A 的優(yōu)勢體現(xiàn)在保壓和置換的便捷性。在總體安全和失效處理上如果能有效把控，則方案B 要優(yōu)于方案A。

結(jié)束語

本文對目前市面上常見的燃料電池客車供氫系統(tǒng)的3 種方案進(jìn)行了介紹并比較，就目前階段而言，采用HMS 管控的兩種方案較為合理。而“通訊控制”的方案從實用角度要優(yōu)于“功率控制”的方案，具備一定條件的主機(jī)廠進(jìn)行簡單改進(jìn)即可實現(xiàn)，也是目前的主流方向。而由VCU 直接參與管理的方案，則是未來的一個發(fā)展方向。