燃料電池混合動(dòng)力系統總線(xiàn)電壓對電機轉矩及效率的影響

前言

石油資源短缺和大氣環(huán)境污染是人類(lèi)步入汽車(chē)社 會(huì )后面臨的兩大難題。世界各國政府、科研機構和各 大汽車(chē)制造商紛紛投巨資研究代用燃料和新能源汽 車(chē),其中燃料電池汽車(chē)以其高效、環(huán)保成為當前國際研究的熱點(diǎn)[1,2]。

燃料電池汽車(chē)存在成本高、壽命短的缺點(diǎn)。為降 低成本,延長(cháng)燃料電池使用壽命,將蓄電池或者超級 電容等輔助設備并入動(dòng)力系統中,形成燃料電池混合 動(dòng)力系統?，F有研究結果表明,燃料電池混合動(dòng)力汽 車(chē)能有效降低成本,進(jìn)一步改善其經(jīng)濟性[3~5],對延 長(cháng)燃料電池的壽命也有益處。

燃料電池混合動(dòng)力系統有不同的構型,此處所研 究的構型稱(chēng)之為能量型,其特點(diǎn)是蓄電池直接與動(dòng)力 系統總線(xiàn)相連,總線(xiàn)電壓由蓄電池決定[5]。實(shí)際運行 工況中,蓄電池充放電狀態(tài)變化導致總線(xiàn)電壓劇烈變 化,直接影響三相異步感應電機的輸出轉矩和運行效 率。為評價(jià)總線(xiàn)電壓對電機轉矩及效率的影響,在動(dòng) 態(tài)測功機試驗臺架上設計試驗,以測量總線(xiàn)電壓的變 化對的電機輸出轉矩和效率。

1　燃料電池混合動(dòng)力系統

能量型燃料電池混合動(dòng)力系統結構如圖1所示, 由燃料電池發(fā)動(dòng)機+DCDC、蓄電池和三相異步感應 電機+DCAC逆變器組成。其中將三相異步感應電機 機+DCAC逆變器稱(chēng)為驅動(dòng)電機總成?？偩€(xiàn)電壓由蓄 電池決定,燃料電池發(fā)動(dòng)機通過(guò)DCDC將輸出電壓與 總線(xiàn)電壓匹配?？偩€(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)DCAC逆變器后驅動(dòng)三 相異步感應電機,向外輸出轉矩。

燃料電池混合動(dòng)力系統由整車(chē)控制器負責協(xié)調各 個(gè)部件的工作,其與電機相關(guān)部分的工作原理如圖2 所示。整車(chē)控制器首先接收司機踏板命令α,結合測 量到的電機轉速ω,決定該電機的目標轉矩T*motor。 該目標轉矩通過(guò)CAN發(fā)送給電機控制器,電機控制 器通過(guò)內部算法控制電機輸出轉矩為T(mén)motor[5]。

電機及其控制器直接從總線(xiàn)上獲取電壓電流,由 于蓄電池在實(shí)際工況中充放電狀態(tài)變化較大,導致總 線(xiàn)電壓的劇烈變化。圖3所示為某型號能量型燃料電 池混合動(dòng)力大客車(chē)實(shí)際運行時(shí)測量到的總線(xiàn)電壓-時(shí)間圖。當車(chē)輛加速度為正且較大時(shí),總線(xiàn)電壓急劇下 降;當加速度為正且較小時(shí),總線(xiàn)電壓有所回升;當 加速度為負時(shí),總線(xiàn)電壓稍稍下降。如圖3所示為總 線(xiàn)電壓在90 s內在390~460 V范圍內的急劇變化。

燃料電池混合動(dòng)力中的驅動(dòng)電機總成使用的是最 常見(jiàn)的逆變器供電三相異步感應電機,圖4所示為其示意圖[6]。

虛點(diǎn)框內是DCAC逆變器,電機控制器通過(guò) PWM信號控制逆變器各個(gè)開(kāi)關(guān)的通斷,將直流總線(xiàn) 電壓轉變?yōu)槿嘟涣麟妷?以驅動(dòng)三相異步感應電 機。三相異步電機驅動(dòng)總成的效率定義如公式(1):

式中,各變量的意義參考文獻[7]。 對于固定工況點(diǎn),三相異步感應電機驅動(dòng)總成的 效率主要取決于磁鏈Ψr的大小。三相異步感應電機 內部功耗隨Ψr增大先變小,后變大。對某型號三相 異步感應電機,在固定工況點(diǎn)下,隨著(zhù)Ψr增大,電機 效率先變大后變小,存在一個(gè)相對于電機效率最大的 最佳磁鏈Ψr,此時(shí)輸入為最佳總線(xiàn)電壓,如公式 (3):

最佳總線(xiàn)電壓隨轉矩和轉速不同而不同,取決于 電機的設計參數,其值可能不在390~460 V范圍內。 此外總線(xiàn)電壓與磁鏈Ψr的關(guān)系由電機控制器控制算 法決定,因此,本試驗研究的電機效率隨總線(xiàn)電壓增 大,可能增大、減小或者非單調變化。

三相異步感應電機的輸出轉矩是其線(xiàn)電壓、頻率、 轉速差以及其余電機參數的函數,如公式(4):

本試驗中的三相異步感應電機采用直接轉矩控制 方法,其基本思路是通過(guò)準確觀(guān)測定子磁鏈的空間位 置及大小,并保持其幅值基本恒定,改變電機瞬時(shí)輸 入電壓來(lái)改變電機定子磁鏈瞬時(shí)轉速,進(jìn)而改變轉差 率s,最終輸出目標轉矩[8]?？刂扑惴ㄖ械哪繕宿D矩 由整車(chē)控制器給出。

另一方面,當直流輸入端電壓過(guò)高或者電機轉速 過(guò)高時(shí),出于安全考慮電機控制器會(huì )觸發(fā)保護功能, 減小電機輸出轉矩。此時(shí),實(shí)際輸出轉矩要遠遠小于 目標轉矩。

無(wú)論是電機效率還是電機輸出轉矩,首先取決于 電機控制器的控制算法。此處并不涉及該算法,僅將 逆變器三相異步感應電機作為一整體,通過(guò)試驗研究 其效率和轉矩特性。

在混合動(dòng)力系統中,電機有可能處于驅動(dòng)或發(fā)電 狀態(tài)[9,10]。此處電機效率指不帶制動(dòng)能量回收的驅動(dòng) 電機總成的效率,其中包含了DCAC逆變器的轉換效 率,試驗中通過(guò)公式(5)來(lái)計算,其中各個(gè)變量的 意義如圖1所標示?？偟膩?lái)說(shuō),電機效率可以表示為 電機轉矩、轉速和總線(xiàn)電壓的函數,如公式(6);電 機實(shí)際輸出轉矩為司機踏板命令、電機轉速和總線(xiàn)電 壓的函數,如公式(7):

2　試驗臺架及試驗方案

2·1　試驗臺架

試驗臺架如圖5所示分為兩部分,左邊虛線(xiàn)框為 模擬燃料電池串聯(lián)式混合動(dòng)力系統。與真實(shí)燃料電池 混合動(dòng)力系統相比,區別在于用燃料電池模擬裝置 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)模擬裝置)代替了燃料電池發(fā)動(dòng)機+DC- DC。該模擬裝置可以設置輸出電壓為固定值,或者 控制輸出電流與電壓的關(guān)系滿(mǎn)足燃料電池U-I極化曲 線(xiàn)關(guān)系。為了防止蓄電池電流流入模擬裝置損壞試驗 臺架,在線(xiàn)路上增加了大功率二極管。右邊虛線(xiàn)框為 動(dòng)態(tài)測功機,具備可編程及數據自動(dòng)記錄功能。試驗 中需要記錄的數據有司機踏板開(kāi)度θ、電機轉速ω、電 機轉矩Tmotor、總線(xiàn)電壓Ubus和DCAC逆變器輸入電流 Idcac,其中電機轉矩由轉矩傳感器測量得到,其安裝于 電機與動(dòng)態(tài)測功機的連接軸上。表1給出了所研究的 驅動(dòng)電機總成中的三相異步感應電機的基本參數,表 2給出了動(dòng)態(tài)測功機的基本參數,表3給出了模擬裝 置和蓄電池的基本參數。

2·2　試驗方案

試驗分為穩態(tài)試驗和中國城市公交典型工況試驗 兩部分。圖5中的蓄電池輸出電壓范圍為380~470 V,過(guò)低或過(guò)高都將觸發(fā)蓄電池管理系統的自保護功 能。參照圖3所示實(shí)際車(chē)輛總線(xiàn)電壓的變化情況,并 考慮到燃料電池模擬裝置及蓄電池的充放電特性,在 穩態(tài)試驗中將總線(xiàn)電壓分為400、415、435 V和455 V,并按如下步驟進(jìn)行:先通過(guò)燃料電池模擬裝置調 整總線(xiàn)電壓在預定值,而后固定司機踏板,電機轉速 由100 r/min增加到6 000 r/min;再增加司機踏板,電 機轉速重新由100 r/min變到6 000 r/min。司機踏板增 加的步長(cháng)為10%,電機轉速增加的步長(cháng)為100 r/min。 中國城市公交典型工況試驗是為了分析在公交工況中 電機工作點(diǎn)的分布特點(diǎn),結合穩態(tài)試驗結果,可以初 步評價(jià)總線(xiàn)電壓在公交工況中的影響。

3　穩態(tài)試驗結果分析

3·1　電機效率

圖6給出了400 V總線(xiàn)電壓下的電機效率MAP 圖。試驗中司機踏板開(kāi)度只覆蓋10%~80%, MAP 圖中空白部分為試驗中沒(méi)有覆蓋到的工作點(diǎn),其大部 分為外特性以外和外特性附近的工作點(diǎn)。電機在 3 000 r/min、250 N·m附近達到最高效率,為89%。 在區域1 000~5 000 r/min, 100~500 N·m范圍內,電 機效率高于85%。低速高負荷和高速低負荷的效率 均比較低,轉速為100 r/min時(shí)的最低效率為30%, 轉速為5 500~6 000 r/min時(shí)的最低效率為60%。

圖7將不同總線(xiàn)電壓下的電機效率MAP圖畫(huà)在 一起作對比。圖中可以明顯看出隨著(zhù)總線(xiàn)電壓的不 同,相同工作點(diǎn)的電機效率有所變化。為衡量總線(xiàn)電 壓對電機效率的影響,定義修正參數α,如公式

圖8為總線(xiàn)電壓為415、435 V和455 V時(shí)的電機 效率修正參數三維MAP圖。在大部分區域,修正參 數接近1,表明受總線(xiàn)電壓影響小;而在低速高負荷 或者高速低負荷區域,修正參數遠離1,表明受總線(xiàn) 電壓影響大。這些MAP圖可以直接應用于整車(chē)控制 器能量管理算法與優(yōu)化中,且在工程分析中還可以加 以簡(jiǎn)化。圖9為固定轉速或固定轉矩下的電機效率修 正參數曲線(xiàn)圖。以α∈[0·999 5, 1·005]作為受總 線(xiàn)電壓影響較小的區域,可以在圖9上分別標出總線(xiàn) 電壓的影響范圍。多取幾個(gè)類(lèi)似的截圖,可以得到如 圖6粗線(xiàn)所示的不規則框圖,框內區域工作點(diǎn)的電機 效率受總線(xiàn)電壓影響較小。大致而言,當轉矩小于 100 N·m、或者大于600 N·m或者轉速低于800 r/min 時(shí),電機效率受總線(xiàn)電壓影響大。對于框圖內的區 域,電機效率修正參數可以簡(jiǎn)化為1;框圖外的區 域,使用實(shí)際測量的電機效率修正參數值。

3·2　電機轉矩

整車(chē)控制器給出目標轉矩和電機輸出的實(shí)際轉 矩,當總線(xiàn)電壓為400~435 V時(shí),總線(xiàn)電壓對電機 輸出轉矩影響小,輸出轉矩基本等于目標轉矩;當總 線(xiàn)電壓為455 V、轉速大于3 300 r/min時(shí),電機控制 器觸發(fā)保護功能,限制輸出轉矩。為衡量總線(xiàn)電壓的 影響,定義修正參數β:

4　城市公交工況試驗結果分析

參考實(shí)際燃料電池大客車(chē)參數,可以將城市公交 典型工況的車(chē)速值變換為電機轉速,而后通過(guò)編程在 動(dòng)態(tài)測功機上實(shí)現。試驗中蓄電池SOC初始為0·6, 變化范圍為0·5~0·8,試驗環(huán)境溫度為室溫。圖11 畫(huà)出了標準車(chē)速和試驗中的等效車(chē)速曲線(xiàn)。加速過(guò)程 稍有延時(shí),最高車(chē)速有點(diǎn)偏差。整體而言,兩者的相 關(guān)系數為99%,可以認為本試驗能比較真實(shí)地反映 標準工況的實(shí)際情況。

電機工況點(diǎn)(Tmotor,ωmotor)對電機效率的影響可以 用參數γ衡量,其定義如公式(12)。ρ為工作點(diǎn)的概 率分布密度,其定義為工作點(diǎn)(Tmotor,ωmotor)在某一路況 中出現的概率密度,可以用公式(13)近似計算。其計 算過(guò)程如下:將電機工況點(diǎn)分布區域細劃成N個(gè)小矩 形區域,每個(gè)小區域的邊長(cháng)為Δωmotor和ΔTmotor,kj為第 j個(gè)區域內的采樣點(diǎn)數,ρj為對應于第j個(gè)區域中心點(diǎn) (Tmotor,j,ωmotor,j)的概率分布密度,參數γ表示某一工 作點(diǎn)在該路況中可能消耗的能量,因此可以看作是某 一工作點(diǎn)對電機效率影響的衡量指標

i=1 圖12給出了400 V總線(xiàn)電壓下的電機效率圖, 并畫(huà)出了標準城市工況中對電機總效率影響最大的前 80%工作點(diǎn)的分布,即粗線(xiàn)所圍的區域。虛線(xiàn)框的意 義與圖6一樣,為電機效率受總線(xiàn)電壓影響較小的區 域。從中可以看到,在城市工況下,對經(jīng)濟性影響最 大的點(diǎn)大部分分布于受總線(xiàn)電壓影響較小的區域。所 以在城市公交工況中,一般情況下的電機效率分析可 以忽略總線(xiàn)電壓的影響。此外在城市公交工況中,對 電機總效率影響最大的工況點(diǎn)主要集中于高效率區域 (>83%),表明該電機適合城市公交工況。

當電機動(dòng)態(tài)加載時(shí),實(shí)際轉矩與目標轉矩有延 時(shí),在整個(gè)公交工況中,該延時(shí)的平均值為0·5 s。

5　結論

逆變器驅動(dòng)三相異步感應電機的效率及轉矩特性 本質(zhì)上由電機控制器的控制算法決定,此處僅通過(guò)試 驗初步研究了總線(xiàn)電壓對三相異步感應電機總成的效 率及轉矩特性的影響。

(1)所研究的電機在3 000 r/min、250 N·m附近 達到最高效率,為89·5%。燃料電池混合動(dòng)力總線(xiàn) 電壓對電機效率的影響主要集中轉矩小于100 N·m、 或者轉矩大于600 N·m或者轉速低于800 r/min的范 圍。在城市公交典型工況中,對電機經(jīng)濟性影響最大 的前80%的工作點(diǎn),主要集中于電機的高效率區域, 受總線(xiàn)電壓影響小,一般粗略分析可以忽略總線(xiàn)電壓 的影響。

(2)由于電機控制器的保護作用,當總線(xiàn)電壓為 455 V左右且電機轉速超過(guò)3 300 r/min時(shí),輸出轉矩 小于目標轉矩。此時(shí)的修正參數β與轉速的關(guān)系可 以用二次曲線(xiàn)來(lái)近似擬合。在實(shí)際動(dòng)態(tài)工況中,電機 實(shí)際輸出轉矩相對于整車(chē)控制器發(fā)出的目標轉矩有平 均0·5 s的延時(shí)。

(3)燃料電池混合動(dòng)力總線(xiàn)電壓對電機效率、輸 出轉矩的影響可以用修正參數α、β表示。α是電機 轉矩、轉速和總線(xiàn)電壓的函數,β是電機轉速、司機 踏板和總線(xiàn)電壓的函數。兩者的MAP圖可以直接用 于整車(chē)能量管理優(yōu)化算法中,其簡(jiǎn)化形式可以用于一 般工程分析。

通過(guò)上述工作,明確了所研究的逆變器驅動(dòng)三相 異步感應電機總成的效率及轉矩受總線(xiàn)電壓波動(dòng)的影 響情況,為進(jìn)一步優(yōu)化燃料電池混合動(dòng)力的能量管理 和動(dòng)態(tài)控制奠定基礎。