氫燃料重卡散熱風扇故障排查分析對策

【摘要】

本文針對新一代氫燃料重卡車型研發過程中出現的燃電散熱風扇過壓、欠壓問題，分析了問題產生的原因以及對應的整改對策，該故障排查分析實例對于600V和800V混合高壓架構中高壓上下電的設計具有重要參考意義，高壓上下電流程應綜合考慮高壓架構拓撲、各高壓部件的工作電壓范圍、部件工作特性及相互之間的依賴關系，合理設計高壓部件的上電時序及下電時序，從而在避免出現高壓部件故障的情況下縮短高壓上下電時間。

【關鍵詞】氫燃料重卡，800V，高壓上下電，燃電散熱風扇

1.1 引言

氫能是新興能源體系的重要組成部分，既是推動能源低碳轉型發展的關鍵動力，也是戰略性新興產業的重點方向，具有重大戰略意義。我國先后發布了多個國家級中長期發展規劃，明確了以燃料電池為代表的氫能利用技術是我們實現能源清潔低碳轉型、零排放能源利用的重要依托，發展氫能是我國實現“碳中和”的必由之路。燃料電池汽車是我國發展氫能的先行領域，也是帶動綠色氫能全產業鏈發展的重要抓手【1】，在新能源商用車的使用場景中，對于400km以內的城配物流及運距短、啟停工況多、且實行新能源路權政策等場景，純電將成為主要路線，純電在城配輕卡、市政環衛、短途牽引將率先滲透，而對于諸如長途牽引等400km以上且載重較大的城際長距離運輸場景，由于其對電池容量及耗電需求較高，純電車型實現困難，長期將有氫燃料電池車型主導。針對氫燃料電池車型其高壓上下電流程相對于純電車型增加對燃料電池相關的狀態判斷和控制，如郭志培對氫燃料重卡高壓上下電策略的研究【2】，但其研究的車型基于560V平臺，且燃電散熱風扇采用的為低壓（24V）風扇，在高壓上下電的流程中無需考慮，但是低壓風扇通常要安裝多個，存在安裝空間大，效率低等問題，針對800V氫燃料重卡且采用高壓燃電散熱風扇領域的研究相對缺少。

1.2 系統架構

如下為全新正向開發800V氫燃料重卡的高壓架構，在該架構中燃料電池系統FCS(Fuel Cell System)為600V平臺，其輸出電壓需要經過雙向DCDC進行升壓后給整車800V平臺部件供電，同時因燃料電池系統運行過程中需要的散熱量很大，為提高散熱效率及減少燃電熱管理系統的能量消耗，采用了高壓風扇，同時考慮高壓風扇的正常工作電壓范圍以及降低升壓過程的能量損耗，將燃電散熱風扇HVEF（High Voltage Electrical Fan）掛在雙向DCDC的低壓側，同時在雙向DCDC的低壓側部件還有高壓水泵，而在雙向DCDC的高壓側則連接多合一控制器HCM（High Voltage Control Module）,其連接高壓動力電、電機控制器MCU為整車高壓部件配電，并集成轉向油泵控制器、氣泵控制器以及24VDCDC，為整車所有低壓部件提供電能。

圖1：氫燃料重卡高壓系統架構

2.1 正常運行范圍電壓

正常運行范圍電壓介于下部運行電壓和上部運行運行電壓范圍內，在正常工作范圍內，高壓系統應完全運行，不會收到基于時間的限制，可達到指定的最高性能，在上部運行電壓和最大運行電壓范圍內，部件的運行可能降級，在下部運行電壓和最小運行電壓范圍內部件的運行也可能降級；

2.2 高壓總線欠壓

欠壓范圍是指0V DC和最小工作電壓之間的電壓值，如果工作電壓從欠壓轉換到標準工作電壓范圍或限制性能范圍內，高壓系統應能夠恢復正常工作或限制性能，在欠壓范圍內，高壓系統應執行響應措施以停止所有高壓用電設備。

2.3 高壓總線過壓

過壓是高于最大工作電壓的HV DC電壓，由可接受的過壓范圍和不允許的過壓范圍兩種情況組成，可接受的過壓范圍介于最大工作電壓和最大允許運行電壓之間，不允許的過壓范圍指高于最大工作電壓，在可接受的過壓范圍內，不允許高壓系統發生故障或損壞，整車需進行降級運行或者關閉高壓系統。

如果工作電壓從可接受的過壓范圍轉換到正常工作范圍或限制性能范圍內，高壓系統應能夠恢復正常工作或限制性能。當高壓總線測得的高壓電壓高于最大工作電壓時，高壓系統應識別不允許的過壓事件。在任何情況下都應避免不允許的過壓范圍，以防止高壓部件發生不可逆的損壞。在檢測到不允許的過電壓范圍后，應觸發高壓系統下電。

圖2：高壓部件工作電壓范圍定義

為了保證所有高壓部件在開始工作時其輸入電壓都處于正常運行電壓范圍內，本文以氫燃料重卡車型開發過程中出現的燃電散熱風扇過壓、欠壓問題進行示例說明在高壓上下電流程中如何根據高壓系統架構、各部件的工作特性及依賴關系合理設計上下電時序，避免出現過壓、欠壓等問題。

3.1 燃電散熱風扇報過壓故障

該故障發生在車輛下電工況，燃電系統停機后FCU停止發送燃電散熱風扇使能及轉速請求，同時停止BRDCDC使能，BRDCDC關機，在此工況下，因為燃電散熱風扇運行慣性，其轉速下降過程有3s左右，而此時BRDCDC已經關機，燃電散熱風扇運行過程產生的電能無法釋放，引起燃電散熱風扇母線電壓從540V上升到830V，高于燃電散熱風扇報過壓的閾值，觸發過壓故障。

圖3：燃電散熱風扇過壓故障數據分析

圖4：燃電散熱風扇過壓問題整改對策

3.2 燃電散熱風扇報欠壓故障

3.2.1 欠壓故障類型1

車輛上電，PCU使能BRDCDC后，BRDCDC反饋運行狀態，PCU給燃料電池電堆啟堆指令，FCU給HVEF_FC發使能，但是此時BRDCDC低壓側電壓只有300V左右，導致HVEF_FC報欠壓故障，進入STOP狀態，從而導致燃電無法啟動。

圖5：燃電散熱風扇欠壓問題1問題分析

該故障的原因為車輛上電時，雙向DCDC的升壓過程較慢，雙向DCDC電路的工作原理基于Buck和Boost電路的組合，通過控制開關管的開斷來實現能量的雙向流動。雙向DCDC電路可以在兩種模式下工作：Buck模式和Boost模式，Boost升壓模式下雙向DCDC雖然反饋處于運行狀態，但其從反饋運行狀態到電壓上升到590V需要3S左右時間，故障發生時刻其低壓側電壓只有303V，而燃電散熱風扇報欠壓的閾值為低于340V，觸發燃電散熱風扇報欠壓故障并停機；

圖6：雙向DCDC工作原理圖

針對該問題的整改措施是在高壓上電后， 車輛動力模式切換-燃料電池啟堆條件判斷sigFuCellStrtPrecndnChk 設置為"True"的條件，在判斷雙向DCDC處于運行狀態BRDCDC_StsFdbk="運行狀態"的基礎上同步判斷雙向DCDC低壓側電壓，在BRDCDC_StsFdbk="運行狀態"&&雙向DCDC低壓側電壓BRDCDC_LVVltg＞590V持續1S且滿足其他條件后允許啟堆，考慮雙向DCDC低壓側各部件的正常工作電壓范圍，雙向DCDC低壓側目標電壓設定值為600V，同時為避免因雙向DCDC低壓側負載波動帶來的輸出電壓變化在判斷條件中增加了低壓側電壓BRDCDC_LVVltg＞590V持續1S的濾波，避免電壓波動帶來的啟停堆條件跳變。

圖7：燃電散熱風扇欠壓故障1整改對策

3.2.2 欠壓故障類型2

車輛快速上下電（車輛電源模式從Standy跳到Awake然后再上Standy，間隔時間在4S左右），整車高壓下電流程未走完又切換到上電流程，PCU給BRDCDC發了關機指令后又開始使能，BRDCDC接收到使能指令后處于運行狀態，但是雙向DCDC低壓側輸出電壓還是持續下降到463V左右，然后再上升，在此刻HVEF_PT報欠壓故障。

圖8：燃電散熱風扇欠壓故障2故障分析

通過上述燃電散熱風扇出現的過壓、欠壓故障類型，我們認識到在整車高壓上下電的設計過程中要綜合高壓架構拓撲、各高壓部件的工作特性及依賴關系，合理設計各部件的高壓上電時序以及高壓下電時序，避免出現高壓部件過壓故障、欠壓故障，特別是在600V與800V混合高壓架構下，從功能出發分析各高壓部件的低壓供電時序、高壓供電時序及使能工作指令，制定詳細的工作時序圖，從而在開發前期規避問題，避免裝車后才發現帶來的整改成本、周期增加。

添加微信，加入作者交流群

備注公司+姓名（僅限技術專業人士）