氢燃料重卡散热风扇故障排查分析对策

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【摘要】

本文针对新一代氢燃料重卡车型研发过程中出现的燃电散热风扇过压、欠压问题，分析了问题产生的原因以及对应的整改对策，该故障排查分析实例对于600V和800V混合高压架构中高压上下电的设计具有重要参考意义，高压上下电流程应综合考虑高压架构拓扑、各高压部件的工作电压范围、部件工作特性及相互之间的依赖关系，合理设计高压部件的上电时序及下电时序，从而在避免出现高压部件故障的情况下缩短高压上下电时间。

【关键词】氢燃料重卡，800V，高压上下电，燃电散热风扇

01

概 述

1.1 引言

氢能是新兴能源体系的重要组成部分，既是推动能源低碳转型发展的关键动力，也是战略性新兴产业的重点方向，具有重大战略意义。我国先后发布了多个国家级中长期发展规划，明确了以燃料电池为代表的氢能利用技术是我们实现能源清洁低碳转型、零排放能源利用的重要依托，发展氢能是我国实现“碳中和”的必由之路。燃料电池汽车是我国发展氢能的先行领域，也是带动绿色氢能全产业链发展的重要抓手【1】，在新能源商用车的使用场景中，对于400km以内的城配物流及运距短、启停工况多、且实行新能源路权政策等场景，纯电将成为主要路线，纯电在城配轻卡、市政环卫、短途牵引将率先渗透，而对于诸如长途牵引等400km以上且载重较大的城际长距离运输场景，由于其对电池容量及耗电需求较高，纯电车型实现困难，长期将有氢燃料电池车型主导。针对氢燃料电池车型其高压上下电流程相对于纯电车型增加对燃料电池相关的状态判断和控制，如郭志培对氢燃料重卡高压上下电策略的研究【2】，但其研究的车型基于560V平台，且燃电散热风扇采用的为低压（24V）风扇，在高压上下电的流程中无需考虑，但是低压风扇通常要安装多个，存在安装空间大，效率低等问题，针对800V氢燃料重卡且采用高压燃电散热风扇领域的研究相对缺少。

1.2 系统架构

如下为全新正向开发800V氢燃料重卡的高压架构，在该架构中燃料电池系统FCS(Fuel Cell System)为600V平台，其输出电压需要经过双向DCDC进行升压后给整车800V平台部件供电，同时因燃料电池系统运行过程中需要的散热量很大，为提高散热效率及减少燃电热管理系统的能量消耗，采用了高压风扇，同时考虑高压风扇的正常工作电压范围以及降低升压过程的能量损耗，将燃电散热风扇HVEF（High Voltage Electrical Fan）挂在双向DCDC的低压侧，同时在双向DCDC的低压侧部件还有高压水泵，而在双向DCDC的高压侧则连接多合一控制器HCM（High Voltage Control Module）,其连接高压动力电、电机控制器MCU为整车高压部件配电，并集成转向油泵控制器、气泵控制器以及24VDCDC，为整车所有低压部件提供电能。

图1：氢燃料重卡高压系统架构

02

整车高压部件

工作电压范围定义

2.1 正常运行范围电压

正常运行范围电压介于下部运行电压和上部运行运行电压范围内，在正常工作范围内，高压系统应完全运行，不会收到基于时间的限制，可达到指定的最高性能，在上部运行电压和最大运行电压范围内，部件的运行可能降级，在下部运行电压和最小运行电压范围内部件的运行也可能降级；

2.2 高压总线欠压

欠压范围是指0V DC和最小工作电压之间的电压值，如果工作电压从欠压转换到标准工作电压范围或限制性能范围内，高压系统应能够恢复正常工作或限制性能，在欠压范围内，高压系统应执行响应措施以停止所有高压用电设备。

2.3 高压总线过压

过压是高于最大工作电压的HV DC电压，由可接受的过压范围和不允许的过压范围两种情况组成，可接受的过压范围介于最大工作电压和最大允许运行电压之间，不允许的过压范围指高于最大工作电压，在可接受的过压范围内，不允许高压系统发生故障或损坏，整车需进行降级运行或者关闭高压系统。

如果工作电压从可接受的过压范围转换到正常工作范围或限制性能范围内，高压系统应能够恢复正常工作或限制性能。当高压总线测得的高压电压高于最大工作电压时，高压系统应识别不允许的过压事件。在任何情况下都应避免不允许的过压范围，以防止高压部件发生不可逆的损坏。在检测到不允许的过电压范围后，应触发高压系统下电。

图2：高压部件工作电压范围定义

为了保证所有高压部件在开始工作时其输入电压都处于正常运行电压范围内，本文以氢燃料重卡车型开发过程中出现的燃电散热风扇过压、欠压问题进行示例说明在高压上下电流程中如何根据高压系统架构、各部件的工作特性及依赖关系合理设计上下电时序，避免出现过压、欠压等问题。

03

燃电散热风扇故障类型

3.1 燃电散热风扇报过压故障

该故障发生在车辆下电工况，燃电系统停机后FCU停止发送燃电散热风扇使能及转速请求，同时停止BRDCDC使能，BRDCDC关机，在此工况下，因为燃电散热风扇运行惯性，其转速下降过程有3s左右，而此时BRDCDC已经关机，燃电散热风扇运行过程产生的电能无法释放，引起燃电散热风扇母线电压从540V上升到830V，高于燃电散热风扇报过压的阈值，触发过压故障。

图3：燃电散热风扇过压故障数据分析

针对该问题的整改措施：在整车高压下电过程中关闭双向DCDC前，需要确认燃电散热风扇已关闭，PCU在确认燃电散热风扇运行状态反馈关闭 (HVEFFC_Status_Cval_eFAN="STOP"或"NACT") 且风扇转速 (HVEFFC_FanSpd_Cval_FDI) 小于parFanShutOffSpeed或在超时parTMSShtdwntimer时间再发送双向DCDC关闭请求；

图4：燃电散热风扇过压问题整改对策

3.2 燃电散热风扇报欠压故障

3.2.1 欠压故障类型1

车辆上电，PCU使能BRDCDC后，BRDCDC反馈运行状态，PCU给燃料电池电堆启堆指令，FCU给HVEF_FC发使能，但是此时BRDCDC低压侧电压只有300V左右，导致HVEF_FC报欠压故障，进入STOP状态，从而导致燃电无法启动。

图5：燃电散热风扇欠压问题1问题分析

该故障的原因为车辆上电时，双向DCDC的升压过程较慢，双向DCDC电路的工作原理基于Buck和Boost电路的组合，通过控制开关管的开断来实现能量的双向流动。双向DCDC电路可以在两种模式下工作：Buck模式和Boost模式，Boost升压模式下双向DCDC虽然反馈处于运行状态，但其从反馈运行状态到电压上升到590V需要3S左右时间，故障发生时刻其低压侧电压只有303V，而燃电散热风扇报欠压的阈值为低于340V，触发燃电散热风扇报欠压故障并停机；

图6：双向DCDC工作原理图

针对该问题的整改措施是在高压上电后， 车辆动力模式切换-燃料电池启堆条件判断sigFuCellStrtPrecndnChk 设置为"True"的条件，在判断双向DCDC处于运行状态BRDCDC_StsFdbk="运行状态"的基础上同步判断双向DCDC低压侧电压，在BRDCDC_StsFdbk="运行状态"&&双向DCDC低压侧电压BRDCDC_LVVltg＞590V持续1S且满足其他条件后允许启堆，考虑双向DCDC低压侧各部件的正常工作电压范围，双向DCDC低压侧目标电压设定值为600V，同时为避免因双向DCDC低压侧负载波动带来的输出电压变化在判断条件中增加了低压侧电压BRDCDC_LVVltg＞590V持续1S的滤波，避免电压波动带来的启停堆条件跳变。

图7：燃电散热风扇欠压故障1整改对策

3.2.2 欠压故障类型2

车辆快速上下电（车辆电源模式从Standy跳到Awake然后再上Standy，间隔时间在4S左右），整车高压下电流程未走完又切换到上电流程，PCU给BRDCDC发了关机指令后又开始使能，BRDCDC接收到使能指令后处于运行状态，但是双向DCDC低压侧输出电压还是持续下降到463V左右，然后再上升，在此刻HVEF_PT报欠压故障。

图8：燃电散热风扇欠压故障2故障分析

针对该问题的整改措施：双向DCDC在收到PCU的使能指令后，需要开始预充并吸合主继电器后再反馈BRDCDC_StsFdbk="运行状态"。

04

总 结

通过上述燃电散热风扇出现的过压、欠压故障类型，我们认识到在整车高压上下电的设计过程中要综合高压架构拓扑、各高压部件的工作特性及依赖关系，合理设计各部件的高压上电时序以及高压下电时序，避免出现高压部件过压故障、欠压故障，特别是在600V与800V混合高压架构下，从功能出发分析各高压部件的低压供电时序、高压供电时序及使能工作指令，制定详细的工作时序图，从而在开发前期规避问题，避免装车后才发现带来的整改成本、周期增加。

参考文献：

1. 节能与新能源技术路线图3.0，【Z】

2. 郭志培，氢燃料重卡高压上下电策略的研究【J】，机械工程与自动化，2022（4）:178-180

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