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丰田汽车公司一直积极发展燃料电池汽车来应对全球环境问题和清洁能源需求。早在2002年，丰田就已经推出了燃料电池巴士。对于燃料电池巴士，如何确保性能输出和耐久性成为一个难题。最新丰田燃料电池巴士FC Bus采用双燃料电池系统和4个高压电源(battery)实现高功率输出和确保耐久性。为了提高耐久性，燃料电池系统实现高压电源利用最大化，降低燃料电池电压浮动变化(voltage fluctuation)次数。因此，燃料电池电堆电压保持较高值水平，电堆输出功率保持较低水平。加速工况中，高压电源实现燃料电池功率输出的最小化。当电源SOC较低，燃料电池无法提供能量输出，比如爬坡阶段，燃料电池最小极限电压暂时降低以提高燃料电池功率输出。本篇推送将介绍丰田燃料电池巴士的燃料电池系统设计和控制。
丰田两代燃料电池巴士参数对比
1.燃料电池系统
相比于2002款燃料电池巴士，新一代燃料电池巴士动力性更佳，耐久性更高。新一代巴士提供外部使用的高压电源，可以在自然灾害发生时对外供电。为了满足动力性和耐久性要求，巴士采用丰田为Mirai设计的燃料电池系统，辅助一个高压电源。两个系统之间导电隔离，每个燃料电池系统单独工作。
丰田新一代燃料电池巴士和传统燃料电池轿车动力系统拓扑图对比
2.提高耐久性的系统控制
与2002版燃料电池系统相比，新一代巴士为了提高耐久性，采用了全新的系统结构和控制策略来抑制催化剂的融解(dissolution)和催化剂颗粒的聚合(large Pt particles)。高电压环境和高电流密度下快速降载容易导致催化剂融解(dissolution)。此外，低电压情况下，如果电压急速攀升，催化剂表面的氧化膜慢慢剥落，还会加速催化剂颗粒融解。电压循环变化，连续的融解(dissolution)和沉降(precipitation)引起催化剂颗粒体积变大，降低有效催化面积，如下图所示。有效催化面积降低，增加反应阻力，输出性能下降。
性能衰减机理
丰田实车全周期耐久性测试表明，如果将传统的燃料电池系统和控制策略放在燃料电池巴士上，完成全周期测试后催化剂的有效反应面积将严重降低，输出性能下降严重。
耐久性测试中有效反应面积和功率输出变化
相比燃料电池汽车，燃料电池巴士高功率输出频率较高，意味着巴士的电压浮动变化较大，更加容易造成性能衰减，如下面两张图所示。
燃料电池汽车和巴士的电机功率对比
燃料电池汽车和巴士的电压浮动范围对比
下图为燃料电池的PV图(功率和电压关系)。为降低电压浮动范围，有必要限制燃料电池电堆的载荷变化。为了降低电堆输出电压浮动和保持最小功率输出水平，必须要对系统和控制进行改进，以满足输出电压比最小电压小(limit voltage)仍工作的要求。注意，这个最小值Vfmin比传统燃料电池汽车系统中的值小。
新一代燃料电池巴士中燃料电池的最大输出功率
电机输出功率来源于燃料电池输出功率Pf和高压电源的功率Pb。功率平衡方程如下(Pac, Ph, Pw and Pau分别为空压机、氢气循环泵、水泵和其他附件的耗功)：
Pm=Pf+Pb-Pa-Ph-Pw-Pau
为了在燃料电池最大输出功率Pfcma点获得足够的电机功率，需要满足以下设计准则：
Pb>Pm-Pfma+Pa+Ph+Pw+Pau
下图表示燃料电池汽车和燃料电池巴士最大电机功率水平点电堆和电源之间的power breakdown现象。为在燃料电池最大输出功率点Pfcmax获得最大电机输出功率，相比于电堆，巴士需要从高压电源获取更多的能量。因此，在新一代燃料电池巴士中，通过两个高压电源实现电机功率最大化。
燃料电池汽车和新一代燃料电池巴士功率breakdown
3.使用高压电源确保功率输出的系统设计问题
从高压电源获取驱动电机所需的功率是减少燃料电池载荷变化的有效方法。然而，如果巴士爬坡距离较长并且此时电源SOC太低或者电池温度较高，动力系统可能无法从高压电源处获取所需功率。此时，系统将会暂时降低极限最小电压(limit voltage)值获得动力性能。下图为该系统设计准则。基本过程如下：提高车辆的需求功率，燃料电池输出功率将会增加，当达到电堆的极限最小电压值，高压电源也会提供部分能量(图中1)；如果车辆需求功率保持在较高水平，此时高压电源需要介入，配合燃料电池工作在极限最小电压值，此时电源SOC值下降；当SOC值下降到极限值，暂时降低电堆极限最小电压来提高电堆功率输出，限制高压电源输出(图中3)。
确保功率输出的设计标准
4.实车测试
下图为丰田燃料电池巴士的实车测试数据。实车测试数据表明，当巴士的功率需求超过燃料电池电堆所能提供的最大值时(燃料电池电压低于极限最小值)，系统会从高压电源提供能量，同时燃料电池工作在极限最小电压处甚至更低。
加速过程中的功率和燃料电池电压变化
下图为燃料电池巴士在实车测试中高压电源的SOC和温度变化情况。SOC值和温度值均在合理范围。因此满足耐久性和动力输出要求。
巴士实车测试中电源SOC和温度
如上所述，丰田开发的控制策略使得燃料电池减小电压浮动变化，有助限制催化剂有效反应面积的减低，从而全生命周期耐久性测试后动力性下降在合理范围内。
在提高耐久性系统控制中抑制燃料电池功率下降的效果
下图为爬坡性能数据。当电源SOC降低，系统暂时降低燃料电池的极限电压，提高燃料电池功率输出，确保电机功率需求。
燃料电池爬坡性能
5.图文来源
本文相关的图片和信息均整理自丰田公司发表文章。
参考文献：Development of Fuel Cell (FC) System for New Generation FC Bus, SAE Technical Paper, 2019.
