燃料电池混合动力系统总线电压对电机转矩及效率的影响

前言

石油资源短缺和大气环境污染是人类步入汽车社 会后面临的两大难题。世界各国政府、科研机构和各 大汽车制造商纷纷投巨资研究代用燃料和新能源汽 车,其中燃料电池汽车以其高效、环保成为当前国际研究的热点[1,2]。

燃料电池汽车存在成本高、寿命短的缺点。为降 低成本,延长燃料电池使用寿命,将蓄电池或者超级 电容等辅助设备并入动力系统中,形成燃料电池混合 动力系统。现有研究结果表明,燃料电池混合动力汽 车能有效降低成本,进一步改善其经济性[3~5],对延 长燃料电池的寿命也有益处。

燃料电池混合动力系统有不同的构型,此处所研 究的构型称之为能量型,其特点是蓄电池直接与动力 系统总线相连,总线电压由蓄电池决定[5]。实际运行 工况中,蓄电池充放电状态变化导致总线电压剧烈变 化,直接影响三相异步感应电机的输出转矩和运行效 率。为评价总线电压对电机转矩及效率的影响,在动 态测功机试验台架上设计试验,以测量总线电压的变 化对的电机输出转矩和效率。

1　燃料电池混合动力系统

能量型燃料电池混合动力系统结构如图1所示, 由燃料电池发动机+DCDC、蓄电池和三相异步感应 电机+DCAC逆变器组成。其中将三相异步感应电机 机+DCAC逆变器称为驱动电机总成。总线电压由蓄 电池决定,燃料电池发动机通过DCDC将输出电压与 总线电压匹配。总线电压经过DCAC逆变器后驱动三 相异步感应电机,向外输出转矩。

燃料电池混合动力系统由整车控制器负责协调各 个部件的工作,其与电机相关部分的工作原理如图2 所示。整车控制器首先接收司机踏板命令α,结合测 量到的电机转速ω,决定该电机的目标转矩T*motor。 该目标转矩通过CAN发送给电机控制器,电机控制 器通过内部算法控制电机输出转矩为Tmotor[5]。

电机及其控制器直接从总线上获取电压电流,由 于蓄电池在实际工况中充放电状态变化较大,导致总 线电压的剧烈变化。图3所示为某型号能量型燃料电 池混合动力大客车实际运行时测量到的总线电压-时间图。当车辆加速度为正且较大时,总线电压急剧下 降;当加速度为正且较小时,总线电压有所回升;当 加速度为负时,总线电压稍稍下降。如图3所示为总 线电压在90 s内在390~460 V范围内的急剧变化。

燃料电池混合动力中的驱动电机总成使用的是最 常见的逆变器供电三相异步感应电机,图4所示为其示意图[6]。

虚点框内是DCAC逆变器,电机控制器通过 PWM信号控制逆变器各个开关的通断,将直流总线 电压转变为三相交流电压,以驱动三相异步感应电 机。三相异步电机驱动总成的效率定义如公式(1):

式中,各变量的意义参考文献[7]。 对于固定工况点,三相异步感应电机驱动总成的 效率主要取决于磁链Ψr的大小。三相异步感应电机 内部功耗随Ψr增大先变小,后变大。对某型号三相 异步感应电机,在固定工况点下,随着Ψr增大,电机 效率先变大后变小,存在一个相对于电机效率最大的 最佳磁链Ψr,此时输入为最佳总线电压,如公式 (3):

最佳总线电压随转矩和转速不同而不同,取决于 电机的设计参数,其值可能不在390~460 V范围内。 此外总线电压与磁链Ψr的关系由电机控制器控制算 法决定,因此,本试验研究的电机效率随总线电压增 大,可能增大、减小或者非单调变化。

三相异步感应电机的输出转矩是其线电压、频率、 转速差以及其余电机参数的函数,如公式(4):

本试验中的三相异步感应电机采用直接转矩控制 方法,其基本思路是通过准确观测定子磁链的空间位 置及大小,并保持其幅值基本恒定,改变电机瞬时输 入电压来改变电机定子磁链瞬时转速,进而改变转差 率s,最终输出目标转矩[8]。控制算法中的目标转矩 由整车控制器给出。

另一方面,当直流输入端电压过高或者电机转速 过高时,出于安全考虑电机控制器会触发保护功能, 减小电机输出转矩。此时,实际输出转矩要远远小于 目标转矩。

无论是电机效率还是电机输出转矩,首先取决于 电机控制器的控制算法。此处并不涉及该算法,仅将 逆变器三相异步感应电机作为一整体,通过试验研究 其效率和转矩特性。

在混合动力系统中,电机有可能处于驱动或发电 状态[9,10]。此处电机效率指不带制动能量回收的驱动 电机总成的效率,其中包含了DCAC逆变器的转换效 率,试验中通过公式(5)来计算,其中各个变量的 意义如图1所标示。总的来说,电机效率可以表示为 电机转矩、转速和总线电压的函数,如公式(6);电 机实际输出转矩为司机踏板命令、电机转速和总线电 压的函数,如公式(7):

2　试验台架及试验方案

2·1　试验台架

试验台架如图5所示分为两部分,左边虚线框为 模拟燃料电池串联式混合动力系统。与真实燃料电池 混合动力系统相比,区别在于用燃料电池模拟装置 (以下简称模拟装置)代替了燃料电池发动机+DC- DC。该模拟装置可以设置输出电压为固定值,或者 控制输出电流与电压的关系满足燃料电池U-I极化曲 线关系。为了防止蓄电池电流流入模拟装置损坏试验 台架,在线路上增加了大功率二极管。右边虚线框为 动态测功机,具备可编程及数据自动记录功能。试验 中需要记录的数据有司机踏板开度θ、电机转速ω、电 机转矩Tmotor、总线电压Ubus和DCAC逆变器输入电流 Idcac,其中电机转矩由转矩传感器测量得到,其安装于 电机与动态测功机的连接轴上。表1给出了所研究的 驱动电机总成中的三相异步感应电机的基本参数,表 2给出了动态测功机的基本参数,表3给出了模拟装 置和蓄电池的基本参数。

2·2　试验方案

试验分为稳态试验和中国城市公交典型工况试验 两部分。图5中的蓄电池输出电压范围为380~470 V,过低或过高都将触发蓄电池管理系统的自保护功 能。参照图3所示实际车辆总线电压的变化情况,并 考虑到燃料电池模拟装置及蓄电池的充放电特性,在 稳态试验中将总线电压分为400、415、435 V和455 V,并按如下步骤进行:先通过燃料电池模拟装置调 整总线电压在预定值,而后固定司机踏板,电机转速 由100 r/min增加到6 000 r/min;再增加司机踏板,电 机转速重新由100 r/min变到6 000 r/min。司机踏板增 加的步长为10%,电机转速增加的步长为100 r/min。 中国城市公交典型工况试验是为了分析在公交工况中 电机工作点的分布特点,结合稳态试验结果,可以初 步评价总线电压在公交工况中的影响。

3　稳态试验结果分析

3·1　电机效率

图6给出了400 V总线电压下的电机效率MAP 图。试验中司机踏板开度只覆盖10%~80%, MAP 图中空白部分为试验中没有覆盖到的工作点,其大部 分为外特性以外和外特性附近的工作点。电机在 3 000 r/min、250 N·m附近达到最高效率,为89%。 在区域1 000~5 000 r/min, 100~500 N·m范围内,电 机效率高于85%。低速高负荷和高速低负荷的效率 均比较低,转速为100 r/min时的最低效率为30%, 转速为5 500~6 000 r/min时的最低效率为60%。

图7将不同总线电压下的电机效率MAP图画在 一起作对比。图中可以明显看出随着总线电压的不 同,相同工作点的电机效率有所变化。为衡量总线电 压对电机效率的影响,定义修正参数α,如公式

图8为总线电压为415、435 V和455 V时的电机 效率修正参数三维MAP图。在大部分区域,修正参 数接近1,表明受总线电压影响小;而在低速高负荷 或者高速低负荷区域,修正参数远离1,表明受总线 电压影响大。这些MAP图可以直接应用于整车控制 器能量管理算法与优化中,且在工程分析中还可以加 以简化。图9为固定转速或固定转矩下的电机效率修 正参数曲线图。以α∈[0·999 5, 1·005]作为受总 线电压影响较小的区域,可以在图9上分别标出总线 电压的影响范围。多取几个类似的截图,可以得到如 图6粗线所示的不规则框图,框内区域工作点的电机 效率受总线电压影响较小。大致而言,当转矩小于 100 N·m、或者大于600 N·m或者转速低于800 r/min 时,电机效率受总线电压影响大。对于框图内的区 域,电机效率修正参数可以简化为1;框图外的区 域,使用实际测量的电机效率修正参数值。

3·2　电机转矩

整车控制器给出目标转矩和电机输出的实际转 矩,当总线电压为400~435 V时,总线电压对电机 输出转矩影响小,输出转矩基本等于目标转矩;当总 线电压为455 V、转速大于3 300 r/min时,电机控制 器触发保护功能,限制输出转矩。为衡量总线电压的 影响,定义修正参数β:

4　城市公交工况试验结果分析

参考实际燃料电池大客车参数,可以将城市公交 典型工况的车速值变换为电机转速,而后通过编程在 动态测功机上实现。试验中蓄电池SOC初始为0·6, 变化范围为0·5~0·8,试验环境温度为室温。图11 画出了标准车速和试验中的等效车速曲线。加速过程 稍有延时,最高车速有点偏差。整体而言,两者的相 关系数为99%,可以认为本试验能比较真实地反映 标准工况的实际情况。

电机工况点(Tmotor,ωmotor)对电机效率的影响可以 用参数γ衡量,其定义如公式(12)。ρ为工作点的概 率分布密度,其定义为工作点(Tmotor,ωmotor)在某一路况 中出现的概率密度,可以用公式(13)近似计算。其计 算过程如下:将电机工况点分布区域细划成N个小矩 形区域,每个小区域的边长为Δωmotor和ΔTmotor,kj为第 j个区域内的采样点数,ρj为对应于第j个区域中心点 (Tmotor,j,ωmotor,j)的概率分布密度,参数γ表示某一工 作点在该路况中可能消耗的能量,因此可以看作是某 一工作点对电机效率影响的衡量指标

i=1 图12给出了400 V总线电压下的电机效率图, 并画出了标准城市工况中对电机总效率影响最大的前 80%工作点的分布,即粗线所围的区域。虚线框的意 义与图6一样,为电机效率受总线电压影响较小的区 域。从中可以看到,在城市工况下,对经济性影响最 大的点大部分分布于受总线电压影响较小的区域。所 以在城市公交工况中,一般情况下的电机效率分析可 以忽略总线电压的影响。此外在城市公交工况中,对 电机总效率影响最大的工况点主要集中于高效率区域 (>83%),表明该电机适合城市公交工况。

当电机动态加载时,实际转矩与目标转矩有延 时,在整个公交工况中,该延时的平均值为0·5 s。

5　结论

逆变器驱动三相异步感应电机的效率及转矩特性 本质上由电机控制器的控制算法决定,此处仅通过试 验初步研究了总线电压对三相异步感应电机总成的效 率及转矩特性的影响。

(1)所研究的电机在3 000 r/min、250 N·m附近 达到最高效率,为89·5%。燃料电池混合动力总线 电压对电机效率的影响主要集中转矩小于100 N·m、 或者转矩大于600 N·m或者转速低于800 r/min的范 围。在城市公交典型工况中,对电机经济性影响最大 的前80%的工作点,主要集中于电机的高效率区域, 受总线电压影响小,一般粗略分析可以忽略总线电压 的影响。

(2)由于电机控制器的保护作用,当总线电压为 455 V左右且电机转速超过3 300 r/min时,输出转矩 小于目标转矩。此时的修正参数β与转速的关系可 以用二次曲线来近似拟合。在实际动态工况中,电机 实际输出转矩相对于整车控制器发出的目标转矩有平 均0·5 s的延时。

(3)燃料电池混合动力总线电压对电机效率、输 出转矩的影响可以用修正参数α、β表示。α是电机 转矩、转速和总线电压的函数,β是电机转速、司机 踏板和总线电压的函数。两者的MAP图可以直接用 于整车能量管理优化算法中,其简化形式可以用于一 般工程分析。

通过上述工作,明确了所研究的逆变器驱动三相 异步感应电机总成的效率及转矩受总线电压波动的影 响情况,为进一步优化燃料电池混合动力的能量管理 和动态控制奠定基础。