燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)總線電壓對(duì)電機(jī)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(lèi)步入汽車(chē)社 會(huì)后面臨的兩大難題。世界各國(guó)政府、科研機(jī)構(gòu)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(dāng)前國(guó)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(zhǎng)燃料電池使用壽命,將蓄電池或者超級(jí) 電容等輔助設(shè)備并入動(dòng)力系統(tǒng)中,形成燃料電池混合 動(dòng)力系統(tǒng)?，F(xiàn)有研究結(jié)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(jì)性[3~5],對(duì)延 長(zhǎng)燃料電池的壽命也有益處。

燃料電池混合動(dòng)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(diǎn)是蓄電池直接與動(dòng)力 系統(tǒng)總線相連,總線電壓由蓄電池決定[5]。實(shí)際運(yùn)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行效 率。為評(píng)價(jià)總線電壓對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩及效率的影響,在動(dòng) 態(tài)測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上設(shè)計(jì)試驗(yàn),以測(cè)量總線電壓的變 化對(duì)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和效率。

1　燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)

能量型燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示, 由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)+DCDC、蓄電池和三相異步感應(yīng) 電機(jī)+DCAC逆變器組成。其中將三相異步感應(yīng)電機(jī) 機(jī)+DCAC逆變器稱為驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成?？偩€電壓由蓄 電池決定,燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)DCDC將輸出電壓與 總線電壓匹配?？偩€電壓經(jīng)過(guò)DCAC逆變器后驅(qū)動(dòng)三 相異步感應(yīng)電機(jī),向外輸出轉(zhuǎn)矩。

燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)由整車(chē)控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各 個(gè)部件的工作,其與電機(jī)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(jī)踏板命令α,結(jié)合測(cè) 量到的電機(jī)轉(zhuǎn)速ω,決定該電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩T*motor。 該目標(biāo)轉(zhuǎn)矩通過(guò)CAN發(fā)送給電機(jī)控制器,電機(jī)控制 器通過(guò)內(nèi)部算法控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為T(mén)motor[5]。

電機(jī)及其控制器直接從總線上獲取電壓電流,由 于蓄電池在實(shí)際工況中充放電狀態(tài)變化較大,導(dǎo)致總 線電壓的劇烈變化。圖3所示為某型號(hào)能量型燃料電 池混合動(dòng)力大客車(chē)實(shí)際運(yùn)行時(shí)測(cè)量到的總線電壓-時(shí)間圖。當(dāng)車(chē)輛加速度為正且較大時(shí),總線電壓急劇下 降;當(dāng)加速度為正且較小時(shí),總線電壓有所回升;當(dāng) 加速度為負(fù)時(shí),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(dòng)力中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成使用的是最 常見(jiàn)的逆變器供電三相異步感應(yīng)電機(jī),圖4所示為其示意圖[6]。

虛點(diǎn)框內(nèi)是DCAC逆變器,電機(jī)控制器通過(guò) PWM信號(hào)控制逆變器各個(gè)開(kāi)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(dòng)三相異步感應(yīng)電 機(jī)。三相異步電機(jī)驅(qū)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(xiàn)[7]。 對(duì)于固定工況點(diǎn),三相異步感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī) 內(nèi)部功耗隨Ψr增大先變小,后變大。對(duì)某型號(hào)三相 異步感應(yīng)電機(jī),在固定工況點(diǎn)下,隨著Ψr增大,電機(jī) 效率先變大后變小,存在一個(gè)相對(duì)于電機(jī)效率最大的 最佳磁鏈Ψr,此時(shí)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(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)控制器控制算 法決定,因此,本試驗(yàn)研究的電機(jī)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是其線電壓、頻率、 轉(zhuǎn)速差以及其余電機(jī)參數(shù)的函數(shù),如公式(4):

本試驗(yàn)中的三相異步感應(yīng)電機(jī)采用直接轉(zhuǎn)矩控制 方法,其基本思路是通過(guò)準(zhǔn)確觀測(cè)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(jī)瞬時(shí)輸 入電壓來(lái)改變電機(jī)定子磁鏈瞬時(shí)轉(zhuǎn)速,進(jìn)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(chē)控制器給出。

另一方面,當(dāng)直流輸入端電壓過(guò)高或者電機(jī)轉(zhuǎn)速 過(guò)高時(shí),出于安全考慮電機(jī)控制器會(huì)觸發(fā)保護(hù)功能, 減小電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。此時(shí),實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

無(wú)論是電機(jī)效率還是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,首先取決于 電機(jī)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(jī)作為一整體,通過(guò)試驗(yàn)研究 其效率和轉(zhuǎn)矩特性。

在混合動(dòng)力系統(tǒng)中,電機(jī)有可能處于驅(qū)動(dòng)或發(fā)電 狀態(tài)[9,10]。此處電機(jī)效率指不帶制動(dòng)能量回收的驅(qū)動(dòng) 電機(jī)總成的效率,其中包含了DCAC逆變器的轉(zhuǎn)換效 率,試驗(yàn)中通過(guò)公式(5)來(lái)計(jì)算,其中各個(gè)變量的 意義如圖1所標(biāo)示。總的來(lái)說(shuō),電機(jī)效率可以表示為 電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和總線電壓的函數(shù),如公式(6);電 機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩為司機(jī)踏板命令、電機(jī)轉(zhuǎn)速和總線電 壓的函數(shù),如公式(7):

2　試驗(yàn)臺(tái)架及試驗(yàn)方案

2·1　試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)臺(tái)架如圖5所示分為兩部分,左邊虛線框?yàn)?模擬燃料電池串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。與真實(shí)燃料電池 混合動(dòng)力系統(tǒng)相比,區(qū)別在于用燃料電池模擬裝置 (以下簡(jiǎn)稱模擬裝置)代替了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)+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(yàn) 臺(tái)架,在線路上增加了大功率二極管。右邊虛線框?yàn)?動(dòng)態(tài)測(cè)功機(jī),具備可編程及數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄功能。試驗(yàn) 中需要記錄的數(shù)據(jù)有司機(jī)踏板開(kāi)度θ、電機(jī)轉(zhuǎn)速ω、電 機(jī)轉(zhuǎn)矩Tmotor、總線電壓Ubus和DCAC逆變器輸入電流 Idcac,其中電機(jī)轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量得到,其安裝于 電機(jī)與動(dòng)態(tài)測(cè)功機(jī)的連接軸上。表1給出了所研究的 驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成中的三相異步感應(yīng)電機(jī)的基本參數(shù),表 2給出了動(dòng)態(tài)測(cè)功機(jī)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(yàn)方案

試驗(yàn)分為穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和中國(guó)城市公交典型工況試驗(yàn) 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(tǒng)的自保護(hù)功 能。參照?qǐng)D3所示實(shí)際車(chē)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(yàn)中將總線電壓分為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(diào) 整總線電壓在預(yù)定值,而后固定司機(jī)踏板,電機(jī)轉(zhuǎn)速 由100 r/min增加到6 000 r/min;再增加司機(jī)踏板,電 機(jī)轉(zhuǎn)速重新由100 r/min變到6 000 r/min。司機(jī)踏板增 加的步長(zhǎng)為10%,電機(jī)轉(zhuǎn)速增加的步長(zhǎng)為100 r/min。 中國(guó)城市公交典型工況試驗(yàn)是為了分析在公交工況中 電機(jī)工作點(diǎn)的分布特點(diǎn),結(jié)合穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果,可以初 步評(píng)價(jià)總線電壓在公交工況中的影響。

3　穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

3·1　電機(jī)效率

圖6給出了400 V總線電壓下的電機(jī)效率MAP 圖。試驗(yàn)中司機(jī)踏板開(kāi)度只覆蓋10%~80%, MAP 圖中空白部分為試驗(yàn)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(jī)在 3 000 r/min、250 N·m附近達(dá)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(jī)效率高于85%。低速高負(fù)荷和高速低負(fù)荷的效率 均比較低,轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)的最低效率為30%, 轉(zhuǎn)速為5 500~6 000 r/min時(shí)的最低效率為60%。

圖7將不同總線電壓下的電機(jī)效率MAP圖畫(huà)在 一起作對(duì)比。圖中可以明顯看出隨著總線電壓的不 同,相同工作點(diǎn)的電機(jī)效率有所變化。為衡量總線電 壓對(duì)電機(jī)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(shí)的電機(jī) 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(fù)荷 或者高速低負(fù)荷區(qū)域,修正參數(shù)遠(yuǎn)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(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(zhuǎn)速或固定轉(zhuǎn)矩下的電機(jī)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(gè)類(lèi)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(diǎn)的電機(jī) 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(shí),電機(jī)效率受總線電壓影響大。對(duì)于框圖內(nèi)的區(qū) 域,電機(jī)效率修正參數(shù)可以簡(jiǎn)化為1;框圖外的區(qū) 域,使用實(shí)際測(cè)量的電機(jī)效率修正參數(shù)值。

3·2　電機(jī)轉(zhuǎn)矩

整車(chē)控制器給出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)輸出的實(shí)際轉(zhuǎn) 矩,當(dāng)總線電壓為400~435 V時(shí),總線電壓對(duì)電機(jī) 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(shí),電機(jī)控制 器觸發(fā)保護(hù)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(yàn)結(jié)果分析

參考實(shí)際燃料電池大客車(chē)參數(shù),可以將城市公交 典型工況的車(chē)速值變換為電機(jī)轉(zhuǎn)速,而后通過(guò)編程在 動(dòng)態(tài)測(cè)功機(jī)上實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)中蓄電池SOC初始為0·6, 變化范圍為0·5~0·8,試驗(yàn)環(huán)境溫度為室溫。圖11 畫(huà)出了標(biāo)準(zhǔn)車(chē)速和試驗(yàn)中的等效車(chē)速曲線。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(shù)為99%,可以認(rèn)為本試驗(yàn)?zāi)鼙容^真實(shí)地反映 標(biāo)準(zhǔn)工況的實(shí)際情況。

電機(jī)工況點(diǎn)(Tmotor,ωmotor)對(duì)電機(jī)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(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(xiàn)的概率密度,可以用公式(13)近似計(jì)算。其計(jì) 算過(guò)程如下:將電機(jī)工況點(diǎn)分布區(qū)域細(xì)劃成N個(gè)小矩 形區(qū)域,每個(gè)小區(qū)域的邊長(zhǎng)為Δωmotor和ΔTmotor,kj為第 j個(gè)區(qū)域內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù),ρj為對(duì)應(yīng)于第j個(gè)區(qū)域中心點(diǎn) (Tmotor,j,ωmotor,j)的概率分布密度,參數(shù)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(duì)電機(jī)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(jī)效率圖, 并畫(huà)出了標(biāo)準(zhǔn)城市工況中對(duì)電機(jī)總效率影響最大的前 80%工作點(diǎn)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(jī)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(duì)經(jīng)濟(jì)性影響最 大的點(diǎn)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(jī)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(duì) 電機(jī)總效率影響最大的工況點(diǎn)主要集中于高效率區(qū)域 (>83%),表明該電機(jī)適合城市公交工況。

當(dāng)電機(jī)動(dòng)態(tài)加載時(shí),實(shí)際轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)轉(zhuǎn)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(jié)論

逆變器驅(qū)動(dòng)三相異步感應(yīng)電機(jī)的效率及轉(zhuǎn)矩特性 本質(zhì)上由電機(jī)控制器的控制算法決定,此處僅通過(guò)試 驗(yàn)初步研究了總線電壓對(duì)三相異步感應(yīng)電機(jī)總成的效 率及轉(zhuǎn)矩特性的影響。

(1)所研究的電機(jī)在3 000 r/min、250 N·m附近 達(dá)到最高效率,為89·5%。燃料電池混合動(dòng)力總線 電壓對(duì)電機(jī)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(duì)電機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響最大 的前80%的工作點(diǎn),主要集中于電機(jī)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(jī)控制器的保護(hù)作用,當(dāng)總線電壓為 455 V左右且電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)3 300 r/min時(shí),輸出轉(zhuǎn)矩 小于目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)的修正參數(shù)β與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可 以用二次曲線來(lái)近似擬合。在實(shí)際動(dòng)態(tài)工況中,電機(jī) 實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩相對(duì)于整車(chē)控制器發(fā)出的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩有平 均0·5 s的延時(shí)。

(3)燃料電池混合動(dòng)力總線電壓對(duì)電機(jī)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(jī) 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和總線電壓的函數(shù),β是電機(jī)轉(zhuǎn)速、司機(jī) 踏板和總線電壓的函數(shù)。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(qū)動(dòng)三相 異步感應(yīng)電機(jī)總成的效率及轉(zhuǎn)矩受總線電壓波動(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(chǔ)。