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

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