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90s内在390~460V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390~460V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.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

21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。

22 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380~470V,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、435V和455V,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100r/min增加到6000r/min;再增加司机踏板,电机转速重新由100r/min变到6000r/min。司机踏板增加的步长为10%,电机转速增加的步长为100r/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

31电机效率

图6给出了400V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3000r/min、250Nm附近达到最高效率,为89%。在区域1000~5000r/min,100~500Nm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100r/min时的最低效率为30%,转速为5500~6000r/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、435V和455V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∈[09995,1005]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100Nm、或者大于600Nm或者转速低于800r/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。

32 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400~435V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455V、转速大于3300r/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06,变化范围为05~08,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点对电机效率影响的衡量指标

i=1图12给出了400V总线电压下的电机效率图,并画出了标准城市工况中对电机总效率影响最大的前80%工作点的分布,即粗线所围的区域。虚线框的意义与图6一样,为电机效率受总线电压影响较小的区域。从中可以看到,在城市工况下,对经济性影响最大的点大部分分布于受总线电压影响较小的区域。所以在城市公交工况中,一般情况下的电机效率分析可以忽略总线电压的影响。此外在城市公交工况中,对电机总效率影响最大的工况点主要集中于高效率区域(>83%),表明该电机适合城市公交工况。

当电机动态加载时,实际转矩与目标转矩有延时,在整个公交工况中,该延时的平均值为05s。

5 结论

逆变器驱动三相异步感应电机的效率及转矩特性本质上由电机控制器的控制算法决定,此处仅通过试验初步研究了总线电压对三相异步感应电机总成的效率及转矩特性的影响。

(1)所研究的电机在3000r/min、250Nm附近达到最高效率,为895%。燃料电池混合动力总线电压对电机效率的影响主要集中转矩小于100Nm、或者转矩大于600Nm或者转速低于800r/min的范围。在城市公交典型工况中,对电机经济性影响最大的前80%的工作点,主要集中于电机的高效率区域,受总线电压影响小,一般粗略分析可以忽略总线电压的影响。

(2)由于电机控制器的保护作用,当总线电压为455V左右且电机转速超过3300r/min时,输出转矩小于目标转矩。此时的修正参数β与转速的关系可以用二次曲线来近似拟合。在实际动态工况中,电机实际输出转矩相对于整车控制器发出的目标转矩有平均05s的延时。

(3)燃料电池混合动力总线电压对电机效率、输出转矩的影响可以用修正参数α、β表示。α是电机转矩、转速和总线电压的函数,β是电机转速、司机踏板和总线电压的函数。两者的MAP图可以直接用于整车能量管理优化算法中,其简化形式可以用于一般工程分析。

通过上述工作,明确了所研究的逆变器驱动三相异步感应电机总成的效率及转矩受总线电压波动的影响情况,为进一步优化燃料电池混合动力的能量管理和动态控制奠定基础。