关于整车燃料电池系统和动力电池耦合策略说明

众所周知，在现阶段的氢燃料车中存在两套能量供给系统。能量供给系统之一就是主能量供给系统氢燃料电池系统；之二就是动力电池系统（常见的磷酸铁锂、三元锂、镍氢等等）。两者既有紧密关联又可相互独立。今天我们从能量供给回收、寿命、安全的角度我们来从理论层面做一些讨论说明。

首先，从氢燃料电池系统层面需求来看

1.不希望频繁的变载和启停。否则会影响寿命。

燃料电池工作电压迅速升高时，碳载体表面的铂催化剂会发生溶解，当工作电压降低时铂催化剂又会沉积下来，反复的电压波动带来催化剂的团聚，造成燃料电池催化剂活性表面积的下降，从而造成性能的下降。

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不同电压下催化剂的状态示意图

2.从氢气发电效率的角度看

希望燃料电池的工作状态是在最高效率点附近。如下图所示，我们从氢气发电效率的角度看，希望至少是在40%以上的区域去利用，否则发电效率低。

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随便找的一个燃料电池系统输出功率示意图

3.从输出功率的角度看。

希望是在一个相对较大的输出功率范围内工作。如上图所示（绿线区间），为了满足车辆的性能需求，我们又希望能有较高的功率输出。

4.低温启动对动力电池的放电需求。

对于采用辅热达到冷启动的燃料电池系统，在低温启动时都要求外界快速给予足够电能去升温。除了外接电源外，唯一能够提供电能的就是动力电池部分了。这对动力电池的低温性能是个考验。

其次，从动力电池的需求来看

1.不希望频繁的充放电。

动力电池多数都有充放电次数的要求。关于动力锂电池电芯循环使用次数国家强制要求必须要在1000次以上，磷酸铁锂一般可以做到2000次，而三元锂离子电池一般也能1000次以上。电池循环次数是以周期来计算的，也可以反过来说锂离子电池充电周期是以循环次数来计算的。

假设锂离子电池的寿命是500个充电周期。怎么才能算作是一个充放电周期呢？一个充电周期意味着锂离子电池的所有电量由满用到空，再由空充到满的过程，这并不等同于充一次电。所谓的500次，是指锂离子电池厂家在恒定的放电深度（80%）实现了625次左右的可充次数，达到了500个充电周期。再来个算式就更清楚了：625×80%＝500.（忽略锂离子电池容量减少等因素）。

2.过充和过放的保护。

以单体锂电池来看：

充电：根据锂电池的结构特性，最高充电终止电压应为4.2V，不能过充，否则会因正极的锂离子拿走太多，而使电池报废。其充放电要求较高，可采用专用的恒流、恒压充电器进行充电。通常恒流充电至4.2V/节后转入恒压充电，当恒压充电电流降至100mA以内时，应停止充电。充电电流（mA）=0.1～1.5倍电池容量（如1350mAh的电池，其充电电流可控制在135～2025mA之间）。常规充电电流可选择在0.5倍电池容量左右，充电时间约为2～3小时。

放电：因锂电池的内部结构所致，放电时锂离子不能全部移向正极，必须保留一部分锂离子在负极，以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则，电池寿命就相应缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子，就要严格限制放电终止最低电压，也就是说锂电池不能过放电。放电终止电压通常为3.0V/节，最低不能低于2.5V/节。电池放电时间长短与电池容量、放电电流大小有关。电池放电时间（小时）=电池容量/放电电流。锂电池放电电流（mA）不应超过电池容量的3倍。（如1000mAH电池，则放电电流应严格控制在3A以内）否则会使电池损坏。

当然，电池本身是有这些保护设置，但是站在整车能量系统管理来看，是不希望有这种工况出现的，也就是说整车不希望回收的电能没有地方去，需要大功率放电时整个能量系统又提供不了对应能量。

再次，再从整车的需求来看

1.在加速等需求快速释放能量的工况下有足够的电能释放；在刹车等紧急情况下能回收能量。

2.在一套能量供给系统异常时还能有另外的系统维持基础续航里程。（两套系统异常状况时的紧急隔离）

最后，来看如何更好的耦合。

1.以丰田的BUS系统为例：

关于整车燃料电池系统和动力电池耦合策略说明

燃料电池客车运行过程中动力首先由燃料电池系统提供，当燃料电池功率受限于工作电压时动力系统开始启动，也就是下图第一阶段；在第二阶段动力电池和燃料电池共同提供客车所需功率，但此时动力电池的SOC值不断降低，直到达到SOC值的限值；此时燃料电池功率提升至另一电压稳态工作，为整车提供动力输出的同时对动力电池进行充电。

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2.归纳耦合原则

1）基于燃料电池最佳工作区间和负载功率输出需求确立燃料电池的最佳工作范围（可以以电压或者输出电流来作为参考数据基准）。负载功率需求可以去根据实际车辆需求工况去做动态调整。

2）基于动力电池特性确立SOC的上下限值。

3）坚持以尽可能燃料电池相对稳态输出的原则，仅仅是原则不是绝对。

4）基于PID的负载需求预测，短周期内的负载需求变化尽可能由动力电池输出调整去满足。

5）有异常时的立即出列机制。

6）基于安全考虑燃料电池也需要监控动力电池除SOC 之外的如电池单体电压、温度等信息对整体能量系统做出预判。

7）基于更好的低温启动模式，降低对动力电池低温放电需求。

结语：

业界一直流传和确实存在“做车的不懂燃料电池，燃料电池不理解整车需求”，只有相互了解各自的工作特性才能尽可能满足整车需求，避免短板效应使各系统在相对最佳的状态工作。控制语言只是工具，真正理解控制逻辑才是最佳的控制系统。

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：关于整车燃料电池系统和动力电池耦合策略说明

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