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二次電池輸出不足？豐田這樣保證充沛動力輸出

2019-09-17 11:11

燃料電池電電混動是通過控制燃料電池、二次電池、控制單元以及電機等部件的協同作用，快速響應車輛不同工況下的功率需求。其中二次電池在電電混動過程中起到了至關重要的作用，不僅能夠提升動力輸出響應速度，還能大大提高能量利用率。

然而在車輛實際運轉過程中，不可避免地會出現一些造成二次電池功率輸出不足的情況，如二次電池SOC（即荷電狀態，反映電池的剩余容量）過低、低溫、二次電池故障等。而燃料電池功率調節速度較慢，在燃料電池功率不能及時響應整車功率需求的情況下，二次電池為整車的驅動系統和燃料電池輔助設備（如氫氣泵、空壓機、水泵、加熱器等）提供電能。因此，若二次電池輸出功率不足，則會在整車加速過程等功率需求較大的情況下，不能向燃料電池系統輔助設備提供充足電力，導致空壓機轉速難以迅速提升并向燃料電池提供充足的氧化劑氣體，最終使得燃料電池無法迅速響應整車的高功率需求。在這種情況下，駕駛員會明顯感到車輛的加速性能下降，影響駕駛體驗。

為了解決上述問題，豐田提供了至少兩種解決思路，其中一種解決思路是提高怠速工況下的燃料電池動力系統輸出功率，即讓燃料電池怠速工況下的功率輸出高于維持該工況下系統運轉所需的功率，并將多余的電力消耗或儲存，然后在控制系統接收到加速指令時，將這部分多余的電力用于加速工況下的系統需求，這樣就可以在二次電池不能正常運轉的情況下，快速響應車輛的加速請求（JP2017085694A，JP2018074901A）；另一種解決思路是通過直接提高燃料電池空氣系統的加速響應速度，來提升燃料電池電力輸出的響應速度，從而解決車輛的動力響應速度（JP2018074901A）。

基于上述第一種解決思路，豐田在專利中至少提到了2種解決方案，第一是將燃料電池怠速過程中的功率輸出提高并用于輔助設備消耗，并在加速啟動時將上述功率輸出轉移為車輛的實時動力需求，以此來提高加速時的功率輸出（JP2017085694A）。第二是將燃料電池怠速過程的功率輸出提高并存儲到指定電容中，從而提高加速時的功率輸出（JP2018074901A）。

其中，JP2017085694A的解決方案具體為：在判斷電池故障后，斷開二次電池和動力系統之間的連接，并在怠速工況下，使得車輛燃料電池動力系統輔助設備以高于怠速需求的功率Pg1運轉，并將燃料電池輸出的功率Pg1全部用于輔助設備的功率消耗Pa1，當接收到加速信息時，燃料電池動力系統減少輔助設備的功率消耗至Pa2，這樣就能夠直接為驅動電機輸出（Pa1－Pa2）的功率，使得驅動電機的功率需求得到快速響應，從而消除蓄電池故障帶來的動力系統響應延遲問題。

圖1 怠速狀態下的燃料電池功率輸出分布圖

圖2 加速工況下的燃料電池功率輸出分布圖

JP2017085694A還指出不同功率與控制系統接收指令值（油門大小）大致的對應關系（參見圖3）：燃料電池功率輸出為Pa，驅動電機所需功率輸出為Pm，在指令值M處于0－M1代表上述控制過程的怠速工況，此時燃料電池的電力輸出對應Pa1，當指令值大于M1的加速工況時，燃料電池輸出功率隨著M增大而增大；驅動電機所需電力輸出Pm在M＜Th時被設置為0，M＞Th時，Pm隨著M的增大而增大。M1對應的Pa1大于維持空轉輔助設備所需最小功率Pa min，且小于輔助設備可消耗最大功率Pa max。

圖3 指令值M（加速踏板的踩下量）與功率供需關系示意圖

此外，JP2018074901A中提到了在二次電池SOC低或者低溫情況下，不能在加速工況下保障空壓機的加速功率，燃料電池的功率提升會延遲，驅動電機動力響應也會變慢，還可能會影響二次電池的使用壽命。JP2018074901A通過在燃料電池動力系統中設置電容器來存儲燃料電池怠速階段輸出的多余的電力。參考附圖4，在檢測到二次電池供電無法維持空壓機加速工況所需功率最低需求時，利用燃料電池發電將電容器保持在增壓狀態（如650v）；收到加速指令后，利用電容器提供的電力輸出來保證空壓機的加速運轉，確保動力響應速度。

圖4 JP2018074901A系統關系拓撲圖

JP2018074901A中還提到了解決加速響應問題的第二個解決思路，就是將怠速工況下的空壓機轉速保持在高響應狀態，并通過對空壓機旁通閥的控制來提高空氣系統在加速過程中的響應速度，從而提高車輛動力響應速度。參見圖5，在檢測到二次電池供電無法維持空壓機加速工況所需功率最低需求時，利用燃料電池對空壓機供電，并將燃料電池空氣閥門Va、Vb、Vc全部打開，保證空壓機MG1的轉速與要求車輛加速時所需轉速大致相同，當收到加速請求時，控制系統通過關閉旁通閥Vc或減小旁通閥Vc的開度來調節供應到燃料電池的空氣量，這樣既可以保證加速階段空壓機的正常運轉，增加燃料電池的發電量，保障動力響應速度。