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