燃料電池混合動力系統(tǒng)總線電壓對電機轉(zhuǎn)矩及效率的影響

前言

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

燃料電池汽車存在成本高、壽命短的缺點。為降 低成本,延長燃料電池使用壽命,將蓄電池或者超級 電容等輔助設(shè)備并入動力系統(tǒng)中,形成燃料電池混合 動力系統(tǒng)。現(xiàn)有研究結(jié)果表明,燃料電池混合動力汽 車能有效降低成本,進一步改善其經(jīng)濟性[3~5],對延 長燃料電池的壽命也有益處。

燃料電池混合動力系統(tǒng)有不同的構(gòu)型,此處所研 究的構(gòu)型稱之為能量型,其特點是蓄電池直接與動力 系統(tǒng)總線相連,總線電壓由蓄電池決定[5]。實際運行 工況中,蓄電池充放電狀態(tài)變化導(dǎo)致總線電壓劇烈變 化,直接影響三相異步感應(yīng)電機的輸出轉(zhuǎn)矩和運行效 率。為評價總線電壓對電機轉(zhuǎn)矩及效率的影響,在動 態(tài)測功機試驗臺架上設(shè)計試驗,以測量總線電壓的變 化對的電機輸出轉(zhuǎn)矩和效率。

1　燃料電池混合動力系統(tǒng)

能量型燃料電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示, 由燃料電池發(fā)動機+DCDC、蓄電池和三相異步感應(yīng) 電機+DCAC逆變器組成。其中將三相異步感應(yīng)電機 機+DCAC逆變器稱為驅(qū)動電機總成。總線電壓由蓄 電池決定,燃料電池發(fā)動機通過DCDC將輸出電壓與 總線電壓匹配?？偩€電壓經(jīng)過DCAC逆變器后驅(qū)動三 相異步感應(yīng)電機,向外輸出轉(zhuǎn)矩。

燃料電池混合動力系統(tǒng)由整車控制器負責(zé)協(xié)調(diào)各 個部件的工作,其與電機相關(guān)部分的工作原理如圖2 所示。整車控制器首先接收司機踏板命令α,結(jié)合測 量到的電機轉(zhuǎn)速ω,決定該電機的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩T*motor。 該目標(biāo)轉(zhuǎn)矩通過CAN發(fā)送給電機控制器,電機控制 器通過內(nèi)部算法控制電機輸出轉(zhuǎn)矩為Tmotor[5]。

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

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

虛點框內(nèi)是DCAC逆變器,電機控制器通過 PWM信號控制逆變器各個開關(guān)的通斷,將直流總線 電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟妷?以驅(qū)動三相異步感應(yīng)電 機。三相異步電機驅(qū)動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,三相異步感應(yīng)電機驅(qū)動總成的 效率主要取決于磁鏈Ψr的大小。三相異步感應(yīng)電機 內(nèi)部功耗隨Ψr增大先變小,后變大。對某型號三相 異步感應(yīng)電機,在固定工況點下,隨著Ψr增大,電機 效率先變大后變小,存在一個相對于電機效率最大的 最佳磁鏈Ψr,此時輸入為最佳總線電壓,如公式 (3):

最佳總線電壓隨轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速不同而不同,取決于 電機的設(shè)計參數(shù),其值可能不在390~460 V范圍內(nèi)。 此外總線電壓與磁鏈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電壓增 大,可能增大、減小或者非單調(diào)變化。

三相異步感應(yīng)電機的輸出轉(zhuǎn)矩是其線電壓、頻率、 轉(zhuǎn)速差以及其余電機參數(shù)的函數(shù),如公式(4):

本試驗中的三相異步感應(yīng)電機采用直接轉(zhuǎn)矩控制 方法,其基本思路是通過準(zhǔn)確觀測定子磁鏈的空間位 置及大小,并保持其幅值基本恒定,改變電機瞬時輸 入電壓來改變電機定子磁鏈瞬時轉(zhuǎn)速,進而改變轉(zhuǎn)差 率s,最終輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩[8]?？刂扑惴ㄖ械哪繕?biāo)轉(zhuǎn)矩 由整車控制器給出。

另一方面,當(dāng)直流輸入端電壓過高或者電機轉(zhuǎn)速 過高時,出于安全考慮電機控制器會觸發(fā)保護功能, 減小電機輸出轉(zhuǎn)矩。此時,實際輸出轉(zhuǎn)矩要遠遠小于 目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

無論是電機效率還是電機輸出轉(zhuǎn)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(yīng)電機作為一整體,通過試驗研究 其效率和轉(zhuǎn)矩特性。

在混合動力系統(tǒng)中,電機有可能處于驅(qū)動或發(fā)電 狀態(tài)[9,10]。此處電機效率指不帶制動能量回收的驅(qū)動 電機總成的效率,其中包含了DCAC逆變器的轉(zhuǎn)換效 率,試驗中通過公式(5)來計算,其中各個變量的 意義如圖1所標(biāo)示?？偟膩碚f,電機效率可以表示為 電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和總線電壓的函數(shù),如公式(6);電 機實際輸出轉(zhuǎn)矩為司機踏板命令、電機轉(zhuǎn)速和總線電 壓的函數(shù),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,左邊虛線框為 模擬燃料電池串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。與真實燃料電池 混合動力系統(tǒng)相比,區(qū)別在于用燃料電池模擬裝置 (以下簡稱模擬裝置)代替了燃料電池發(fā)動機+DC- DC。該模擬裝置可以設(shè)置輸出電壓為固定值,或者 控制輸出電流與電壓的關(guān)系滿足燃料電池U-I極化曲 線關(guān)系。為了防止蓄電池電流流入模擬裝置損壞試驗 臺架,在線路上增加了大功率二極管。右邊虛線框為 動態(tài)測功機,具備可編程及數(shù)據(jù)自動記錄功能。試驗 中需要記錄的數(shù)據(jù)有司機踏板開度θ、電機轉(zhuǎn)速ω、電 機轉(zhuǎn)矩Tmotor、總線電壓Ubus和DCAC逆變器輸入電流 Idcac,其中電機轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)矩傳感器測量得到,其安裝于 電機與動態(tài)測功機的連接軸上。表1給出了所研究的 驅(qū)動電機總成中的三相異步感應(yīng)電機的基本參數(shù),表 2給出了動態(tài)測功機的基本參數(shù),表3給出了模擬裝 置和蓄電池的基本參數(shù)。

2·2　試驗方案

試驗分為穩(wěn)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,過低或過高都將觸發(fā)蓄電池管理系統(tǒng)的自保護功 能。參照圖3所示實際車輛總線電壓的變化情況,并 考慮到燃料電池模擬裝置及蓄電池的充放電特性,在 穩(wěn)態(tài)試驗中將總線電壓分為400、415、435 V和455 V,并按如下步驟進行:先通過燃料電池模擬裝置調(diào) 整總線電壓在預(yù)定值,而后固定司機踏板,電機轉(zhuǎn)速 由100 r/min增加到6 000 r/min;再增加司機踏板,電 機轉(zhuǎn)速重新由100 r/min變到6 000 r/min。司機踏板增 加的步長為10%,電機轉(zhuǎn)速增加的步長為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 電機工作點的分布特點,結(jié)合穩(wěn)態(tài)試驗結(jié)果,可以初 步評價總線電壓在公交工況中的影響。

3　穩(wěn)態(tài)試驗結(jié)果分析

3·1　電機效率

圖6給出了400 V總線電壓下的電機效率MAP 圖。試驗中司機踏板開度只覆蓋10%~80%, MAP 圖中空白部分為試驗中沒有覆蓋到的工作點,其大部 分為外特性以外和外特性附近的工作點。電機在 3 000 r/min、250 N·m附近達到最高效率,為89%。 在區(qū)域1 000~5 000 r/min, 100~500 N·m范圍內(nèi),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(zhuǎn)速為100 r/min時的最低效率為30%, 轉(zhuǎn)速為5 500~6 000 r/min時的最低效率為60%。

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

圖8為總線電壓為415、435 V和455 V時的電機 效率修正參數(shù)三維MAP圖。在大部分區(qū)域,修正參 數(shù)接近1,表明受總線電壓影響小;而在低速高負荷 或者高速低負荷區(qū)域,修正參數(shù)遠離1,表明受總線 電壓影響大。這些MAP圖可以直接應(yīng)用于整車控制 器能量管理算法與優(yōu)化中,且在工程分析中還可以加 以簡化。圖9為固定轉(zhuǎn)速或固定轉(zhuǎn)矩下的電機效率修 正參數(shù)曲線圖。以α∈[0·999 5, 1·005]作為受總 線電壓影響較小的區(qū)域,可以在圖9上分別標(biāo)出總線 電壓的影響范圍。多取幾個類似的截圖,可以得到如 圖6粗線所示的不規(guī)則框圖,框內(nèi)區(qū)域工作點的電機 效率受總線電壓影響較小。大致而言,當(dāng)轉(zhuǎn)矩小于 100 N·m、或者大于600 N·m或者轉(zhuǎn)速低于800 r/min 時,電機效率受總線電壓影響大。對于框圖內(nèi)的區(qū) 域,電機效率修正參數(shù)可以簡化為1;框圖外的區(qū) 域,使用實際測量的電機效率修正參數(shù)值。

3·2　電機轉(zhuǎn)矩

整車控制器給出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和電機輸出的實際轉(zhuǎn) 矩,當(dāng)總線電壓為400~435 V時,總線電壓對電機 輸出轉(zhuǎn)矩影響小,輸出轉(zhuǎn)矩基本等于目標(biāo)轉(zhuǎn)矩;當(dāng)總 線電壓為455 V、轉(zhuǎn)速大于3 300 r/min時,電機控制 器觸發(fā)保護功能,限制輸出轉(zhuǎn)矩。為衡量總線電壓的 影響,定義修正參數(shù)β:

4　城市公交工況試驗結(jié)果分析

參考實際燃料電池大客車參數(shù),可以將城市公交 典型工況的車速值變換為電機轉(zhuǎn)速,而后通過編程在 動態(tài)測功機上實現(xiàn)。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 畫出了標(biāo)準(zhǔn)車速和試驗中的等效車速曲線。加速過程 稍有延時,最高車速有點偏差。整體而言,兩者的相 關(guān)系數(shù)為99%,可以認為本試驗?zāi)鼙容^真實地反映 標(biāo)準(zhǔn)工況的實際情況。

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

i=1 圖12給出了400 V總線電壓下的電機效率圖, 并畫出了標(biāo)準(zhǔn)城市工況中對電機總效率影響最大的前 80%工作點的分布,即粗線所圍的區(qū)域。虛線框的意 義與圖6一樣,為電機效率受總線電壓影響較小的區(qū) 域。從中可以看到,在城市工況下,對經(jīng)濟性影響最 大的點大部分分布于受總線電壓影響較小的區(qū)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主要集中于高效率區(qū)域 (>83%),表明該電機適合城市公交工況。

當(dāng)電機動態(tài)加載時,實際轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩有延 時,在整個公交工況中,該延時的平均值為0·5 s。

5　結(jié)論

逆變器驅(qū)動三相異步感應(yīng)電機的效率及轉(zhuǎn)矩特性 本質(zhì)上由電機控制器的控制算法決定,此處僅通過試 驗初步研究了總線電壓對三相異步感應(yīng)電機總成的效 率及轉(zhuǎn)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%。燃料電池混合動力總線 電壓對電機效率的影響主要集中轉(zhuǎn)矩小于100 N·m、 或者轉(zhuǎn)矩大于600 N·m或者轉(zhuǎn)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,主要集中于電機的高效率區(qū)域, 受總線電壓影響小,一般粗略分析可以忽略總線電壓 的影響。

(2)由于電機控制器的保護作用,當(dāng)總線電壓為 455 V左右且電機轉(zhuǎn)速超過3 300 r/min時,輸出轉(zhuǎn)矩 小于目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。此時的修正參數(shù)β與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可 以用二次曲線來近似擬合。在實際動態(tài)工況中,電機 實際輸出轉(zhuǎn)矩相對于整車控制器發(fā)出的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩有平 均0·5 s的延時。

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

通過上述工作,明確了所研究的逆變器驅(qū)動三相 異步感應(yīng)電機總成的效率及轉(zhuǎn)矩受總線電壓波動的影 響情況,為進一步優(yōu)化燃料電池混合動力的能量管理 和動態(tài)控制奠定基礎(chǔ)。