BJ6122FCEVUH燃料电池客车整车

福田欧辉面向冬奥会使用环境，开展寒冷环境下高功率燃料电池电堆研发、-30℃低温环境下燃料电池客车混合动力系统优化及能量管理、高效动力电池及电驱动系统研发、整车集成及综合节能匹配研究，自主研发的BJ6122FCEVUH氢燃料12m级城间客车，采用福田欧辉客车全新的城间客车产品造型。整车结构造型简洁大气，凸显科技感、豪华感，让乘客倍感舒心。

金属质感打造，彰显卓越品质，人体工程学座椅，让乘客乘坐更舒适。整车采用福田欧辉专有4D车身技术，车内空间宽敞，利用合理，驾驶室与乘客区有效分离，确保驾驶不受干扰，实现“人——机——电”一体化智能操控平台，可定制用户的在线智能控制技术，在强电安全方面做到了世界领先。

图1  BJ6122FCEVUH燃料电池客车造型

BJ6122FCEVUH燃料电池客车，针对冬奥会使用环境，攻克寒冷地区燃料电池电堆冷启动、整车低温热管理、耐低温动力电池和高性能电驱动及整车动力系统集成和能量综合管理优化等关键技术。

采用整车集成设计、匹配与综合控制技术，优化动力系统关键零部件的性能参数和可靠性参数，重点解决了整车轻量化及节能问题，铝合金、复合材料等轻质材料在BJ6122FCEVUH燃料电池客车整车及部件上得到了充分的应用。整车进行低温续航里程及能耗试验验证，低温车辆性能试验验证，以及低温环境下的整车可靠性道路试验与测试。

BJ6122FCEVUH燃料电池客车适应冬奥会氢能基础设施布局和发展规划，围绕京津冀一体化的制氢、储氢、运氢和加氢基础设施发展规划开展了充分的研究。

一、整车性能及控制策略

BJ6122FCEVUH燃料电池客车采用了以燃料电池和蓄电池作为能量源，通过DC/DC调节燃料电池发动机输出电压，以跟踪蓄电池电压，通过燃料电池与动力电池的组合共同满足整车功率需求，以整车启动速度快、动力性强，可实现制动能量回收功能，续驶里程长，燃料电池可稳定工作在中负荷区域，燃料电池寿命长，氢耗最低为目标函数，以燃料电池输出功率为控制变量，并考虑燃料电池耐久性对控制变量进行约束，设计整车控制策略，实现在不同工况下均具有较好的燃料效率和动力性能。

燃料电池特性是合理使用燃料电池发动机、设计燃料电池客车动力系统构型、开发整车控制系统的基础。燃料电池的最佳运行区在中负荷区；当负荷较小（轻载区）时，由于空气压缩机等附件的寄生功率较大，所以系统总体效率较低；当负荷较大（重载区）时，虽然净功率密度较大，但所需燃料及空气量较大，其系统效率下降较快，又由于存在浓度损失，所以电压下降较快。同时，燃料电池在重载区工作对其使用寿命影响较大。因此，为了延长燃料电池的使用寿命，需要将燃料电池尽量控制在中负荷区工作。

1、能量管理策略

燃料电池客车的能量管理策略是整车控制策略的核心，整车的的动力性和经济性，燃料电池和锂离子电池的输出效率及使用寿命，动力系统的供电效率，燃料的利用率等，很大程度上由能量管理策略来决定。为了保证整车的动力性，可能会要求锂离子电池或 燃料电池系统过度放电，为了维持能源系统的性能可能要降低整车动力性，为了保证燃料电池系统的性能往往需要锂离子电池做一定的牺牲，为了提高动力系统的供电效率可能要求锂离子电池组过度放电。

因此，不同的能量管理目标对应不同的能量管理方法。在BJ6122FCEVUH燃料电池客车能量管理设计上采用了功率跟随式的能量管理策略，结合燃料消耗量总量最小为目标的全局优化控制。采用该最优控制策略进行能力管理，达成以下目标：

1）最优的燃料电池性能。保证燃料电池系统输出特性良好以及有尽可能长的使用寿命，要达到这一目标，能量管理策略需要控制燃料电池系统始终工作在合理的输出功率范围，由锂离子电池组承担大部分功率波动，在车辆急加速时提供功率补偿，保证燃料电池系统输出功率上升曲线的平缓。若锂离子电池的功率不足以承担功率波动，则应适当牺牲整车动力性，对行车曲线进行实时、适当调整。

2）保证锂离子电池组的合理充放电。确定锂离子电池组的合理充放电范围是SOC保持在30%—80%之间，防止锂离子电池过充与过放情况的发生。

3）保证前两条的基础上，尽量满足动力性要求。

2、整车性能优化匹配

对燃料电池客车动力系统进行研究，以保证车辆的动力性、维持电池合理的荷电状态、提高车辆的经济性和燃料电池的耐久性为研究目标，基于以上整车及能量管理策略。建立了燃料电池客车仿真模型，对能量管理策略进行仿真验证，对整车动力性和经济性进行了仿真分析。仿真设计了包括循环工况、驾驶员模型、VCU模型、电机模型、传动系模型、车辆模型、DC-DC模型、燃料电池模型、电池模型等在内的燃料电池客车仿真模型。如图2所示。

图2  燃料电池客车性能仿真模型原理图

采用了simulink/MATLAB和cruiser软件联合仿真的方法，对整车控制及能量管理策略，对燃料电池客车动力系统参数匹配，能量系统参数、总成参数匹配进行了验证和优化，优化零部件选型，从而降低整车成本。以整车整备质量作为经济性和成本特性的表征因素，在满足续驶里程约束的前提下满足整车降重目标；充分考虑工况和系统效率对整车性能的影响，采用基于联合仿真优化机制的全局优化方法，将整车经济性和整备质量作为多优化目标，以动力性为约束条件，对动力系统参数进行了综合寻优操作。

3、基于AutoSAR架构的汽车电子软件开发与集成技术

整车控制器如同电动汽车的大脑，指挥各个系统协调的工作，在整车动力性、驾驶舒适性以续驶里程之间取得最佳的平衡。整车控制器最主要的功能是进行整车动力系统的控制。

整车驱动控制策略负责整车动力输出控制，是纯电动车的核心内容。包括VCU硬件资源分配，输入信号采集，输入信号来源，输出信号逻辑，整车状态管理，上下电管理，充电管理，扭矩解析，附件管理，故障管理等。整车驱动控制策略是纯电动车整车控制系统的核心设计，它起到监督和调节各执行机构，实现和保证纯电动车行驶安全性、提高使用经济性的关键作用。

在现有整车控制算法的基础上，依照AutoSAR架构标准，使用完整AutoSAR开环环境和工具链，并依照汽车电子软件V形开发验证流程进行，开发出符合AutoSAR标准的整车控制器控制软件系统，以保证软件的可靠性、可验证性要求和分层、模块化要求。

基于ISO26262功能安全性标准的系统软硬件开发；在设计之初即对整机系统进行满足ISO26262功能安全性等级要求的技术需求分析，并制定相应的系统开发规格指标，并在设计过程中严格落实各项功能安全性要求，以开发出满足ISO26262功能安全性等级要求的整机软硬件系统。整车控制器软硬件系统设计达到ISO26262 ASIL-C功能安全等级标准。

二、燃料电池系统匹配设计

1、燃料电池系统

1）燃料电池低温启动损伤机理研究。通过实验研究其损伤机理，作为选择关键材料和关键结构设计的依据。包括电极含水量以及低温启动后损伤的影响；启动温度分布、热量传递的影响；扩散层与双极板表面特性对水运输的影响；所使用的膜、密封件以及电堆结构对高低温交变伸缩机械损伤影响；低温启动时规避反极、反极耐受的影响。

2）关键结构设计和关键材料遴选。基于低温启动损伤机理研究的基础，遴选燃料电池电堆的关键材料，包括如催化剂配方、质子交换膜、膜电极密封材料、电堆密封材料，双极板材料。验证其耐受在低温启动过程中出现的高低温交变膨胀收缩、热量控制失效条件下对冰晶膨胀、启动过程中大负载低电压下膜电极反极等。

3）低温启动电堆设计与低温启动控制策略验证。基于材料以及零部件验证前提下，完成实现无外界热源-20℃低温启动电堆整体设计，并检验其在高低温环境下电堆压紧力、弹性材料配合、电堆整体密封配合的耐受性。依据损伤机理下制定的低温启动控制策略，着重解决大电流启动快速产热与液态水大量聚集的矛盾、温度场均匀性控制与冷却液热容降温的矛盾，以及除水策略与双极板流道水残留的矛盾。

4）燃料电池系统性能参数

表1 燃料电池系统性能参数

2、整车一体化热管理系统及低温启动策略

整车一体化热管理系统原理图如下。

图3  整车一体化热管理系统原理图

1）在燃料电池系统和整车采暖系统之间设置余热换热器，在低温条件下，利用燃料电池系统余热对乘客舱进行供暖。

2）整车控制系统监测循环水温，实时调节燃料电池系统的余热利用状态，避免燃料电池系统的温度骤变。

3）余热换热器选用铝制板翅式换热器，二通道逆流换热技术，体积小，重量轻。换热器真空钎焊成型，通道间完全隔离，设计压力1.0MPa，安全可靠。

图4  余热换热器结构示意图

4）在非采暖季，使用手动阀门（球阀1、球阀2）关断水暖循环，避免燃料电池系统向车内散热。余热换热器水暖侧受热产生的膨胀压力，通过膨胀水箱释放。

5）低温启动策略：采暖系统启动时，电加热器工作和水泵工作，快速提高采暖循环的水温。当余热换热器的采暖侧入口水温（T1）达到目标温度时，余热换热器开始从燃料电池系统获取热量。采暖系统监测获取的余热量大小，实时调节电加热器的功率。当余热换热器的采暖侧出口水温（T2）达到目标温度时，关闭电加热器，采暖系统完全依靠燃料电池系统的余热供暖。

6）整车控制系统监测和调节车内暖风散热器的入口水温（T3），确保暖风散热器出风温度的舒适性，避免吹冷风现象。

3、燃料电池散热系统

采用了全新的导流悬浮式集成散热器，如下图所示。

图5 全新的导流悬浮式集成散热器

1）该种新型式顶置散热器区别于其它顶置散热器，集成散热器、护风罩、风扇、膨胀水箱、导流装饰罩等部件，平铺悬浮在车顶，从下部、侧面进风，从风扇顶部出风，总成高度≤300mm；低的总成高度带来整车总高度低，稳定性好、美观、可以满足不同车型的需求.

2）该种新型式顶置散热器模块化集成度高，可以根据不同散热量需求集成不同个数子散热器。

3）采用新型散热器进风方式和导流结构，散热效率更高，风扇能耗更低。

4）该种新型式顶置散热器与散热器布置在车身机仓相比，不占用机仓空间，且机舱内各零部件不会因为风扇造成水、灰造成引发的故障。

5）散热器总成精准的控制策略，可以根据车速、环境温度、散热器进出水口水温、电堆输出功率等参数，控制风扇、水泵的功率，实现精确控制，降低风扇工作时噪音，提高整车NVH。

4、70MPa集成氢系统方案

70MPa氢系统采用铝内胆碳纤维缠绕瓶，系统集成组合阀替代原有系统阀，即下图示红色区域内的所有阀件由几个集成阀替代，（集成功能：瓶口阀、安全阀、泄放阀、溢流阀、电磁阀、压力传感器、温度传感器、）可以减轻系统重量，缩小阀件体积，减少泄漏点，提高了安全性。

图6  70MPa集成氢系统方案图

三、动力蓄电池匹配设计

动力电池系统适应-30～55℃环境，采用2C充放电能力的锰酸锂动力电池组，额定电压DC591.3V，动力电池总配电量75.68kWh，动力电池组能够保证8年使用寿命和高安全性。电池箱单箱采用液冷系统和内部电加热系统，具备全气候工作的能力，具备IP67等级防水、防尘；同时具备过流保护、温度调节功能。电池舱与电机等具有高温热源的设备舱采取隔热措施，防止外部热源导致电池过热。

1、电池管理系统功能

1）单体电池电压、电池组电压的检测。

2）电池组温度的检测。

3）电池组工作电流的检测。

4）具有绝缘电阻检测功能或单设绝缘电阻检测装置。

5）电池组冷却和加热控制（根据需要）。

6）充放电次数记录；电池组SOC的估测。

7）电池故障分析与在线报警。

8）各箱电池离散性评价与自均衡功能。

9）与车载监、控设备通信，为整车控制提供必要的电池数据。

10）与充电机通讯，实现电池的安全充电，并向充电机提供完整的电池技术参数。

11）符合电磁兼容要求。

12）具备MSD保险，当电池系统出现问题四级故障时或整车维修时可以立即断开高压回路，保证乘车人员安全。

表2 动力电池组主要技术参数

2、动力电池组采用先进的液冷热管理系统

动力电池系统采用锰酸锂体系电芯，经过全面测试验证其能够满足持续和峰值两种工况高充放电倍率的要求，低温环境下性能释放程度的要求，额定容量保持率的要求。

电池箱体采用标准动力电池箱体，箱体内部采用液冷方式冷却电芯，电芯极耳与液冷板接触安装，冷却液在液冷板内循环流动，带走电芯通过液冷板壁面传导来的热量，从而保证电芯工作在最佳温度区间，冷却效果好，结构紧凑。

图7  BJ6122FCEVUH燃料电池客车电池Pack示意图

箱体内部采用电加热膜方式加热冷却电芯，电加热膜紧贴在液冷板一侧壁面上，液冷板另一侧与电芯极耳接触安装，热量通过液冷板传导至电芯处，从而保证电芯能工作在低温环境下迅速升温，正常工作。

动力电池液冷系统进行创新优化，采用整车空调集成板换的方案；在板换中通过冷却液和制冷剂进行换热，由制冷剂吸收冷却液从电池系统中换取的热量，本方案节能降耗，设备结构紧凑，并充分挖掘了现有整车热管理系统的潜力。

动力电池系统液冷系统整车空调集成板式换热器的方案原理图如下：

图8  BJ6122FCEVUH燃料电池客车热管理方案示意图

3、动力电池组配备动力电池自动灭火装置

1）动力电池箱体内部配置高效自动灭火装置。

2）启动功能：按手动启动按钮，系统会进入手动工作模式。自动模式优先，当系统故障时启动手动模式。

3）消防启动信号反馈功能：当系统感应到火情信号时通过数据线及时反馈到驾驶区并发出蜂鸣声。

4）故障自动检测功能：灭火系统有自动诊断功能，当灭火系统检测到传感器失效、罐体压力泄漏等故障时能在司机驾驶区发出蜂鸣声。

5）系统火情识别与启动消防功能：系统具有自动识别火情信号并启动消防工作。

四、驱动系统匹配设计

1、驱动系统系统方案

采用双电机匹配行星排式两挡变速器的构型，即将一个电机的输出通过合理变速增扭后，与另一个直连于驱动桥的电机同轴动力耦合。

图9  BJ6122FCEVUH燃料电池客车驱动系统总成

2、驱动系统系统特点

1）换挡过程双电机协同控制持续输出动力，无动力中断。

2）快速、平顺、可靠的挡位切换。

3）智能识别工况和驾驶员意图，多模式切换，兼顾动力性与经济性需求。

4）兼容性系统构型及参数匹配设计，提升总成的多种整车平台适用性。

5）冗余故障处理机制使系统具备跛行功能。

图10  BJ6122FCEVUH燃料电池客车驱动系统架构

3、最优控制策略

1）基于动力性的换挡规律制定，全踏板开度下换挡车速根据一、二挡外特性曲线交点确定，为44 km/h，0踏板开度下的换挡车速则按经验定为20 km/h，根据车速增高降挡延迟减小的原则，降挡曲线的各点按照随车速减小逐渐发散的规律排布。

图11  基于动力性的换挡规律制定

2）采用能耗最优的模式识别和扭矩分配策略，通过遍历搜索全工况点，找出当前需求扭矩下的最优工作点，最优工作点包括挡位及扭矩分配系数的制定，满足系统消耗电功率最小，考虑到换挡延迟及换挡点稳定性，将上述全工况点搜索后得到的挡位分界线进行提取，得到当前策略下的驱动换挡规律曲线。通过在线实时应用瞬态优化策略，计算得到当前挡位和扭矩分配系数

图12 基于瞬态优化的模式识别策略

4、主要技术参数

表3 驱动系统主要技术参数

五、整车能量管理的动态分配

1、整车控制器的区域感知技术的决策管理

VCU带区域定位功能，根据精细化地图将奥运区域进行划分，根据地图标定功率分配方案：

1）VCU采集到车辆处于高海拔区域时，将SOC动态调整到低位，在驶入的低海拔的过程进行更多的制动能量回收。

2）VCU采集到车辆处于低海拔区域时，将SOC动态调整到高位，在驶入的高海拔的过程中保证车辆的动力性。

2、根据运行坡度的智能化能量管理策略

BJ6122FCEVUH燃料电池客车，整车配置坡度传感器，VCU根据坡度传感器采集的坡度信号进行能量的动态管理：

1）VCU采集到坡度大于某一值（根据实际路况可标定），车辆处于上坡状态后，增大请求电堆的发电功率，并根据坡度的变化实行动态能量分配。

2）VCU采集到坡度小于某一值（根据实际路况可标定），车辆处于下坡状态后，根据坡度大小和动力电池状态减小发电功率或关闭电堆，开启回馈优先模式，在此模式下，VCU根据动力电池的当前允许充电功率尽量多的将制动能量回收回来。

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