燃料電池混合動力係統總線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境汙染是人類步入汽車社會後麵臨的兩大難題。世界各國政府、科研機構和各大汽車製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

、環保成為當前國際研究的熱點[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備並入動力係統中,形成燃料電池混合動力係統。現有研究結果表明,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。

燃料電池混合動力係統有不同的構型,此處所研究的構型稱之為能量型,其特點是蓄電池直接與動力係統總線相連,總線電壓由蓄電池決定[5]。實際運行工況中,蓄電池充放電狀態變化導致總線電壓劇烈變化,直接影響三相異步感應電機的輸出轉矩和運行效率。為評價總線電壓對電機轉矩及效率的影響,在動態測功機試驗台架上設計試驗,以測量總線電壓的變化對的電機輸出轉矩和效率。

1燃料電池混合動力係統

能量型燃料電池混合動力係統結構如圖1所示,由燃料電池發動機+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逆變器稱為驅動電機總成。總線電壓由蓄電池決定,燃料電池發動機通過DCDC將輸出電壓與總線電壓匹配。總線電壓經過DCAC逆變器後驅動三相異步感應電機,向外輸出轉矩。

燃料電池混合動力係統由整車控製器負責協調各個部件的工作,其與電機相關部分的工作原理如圖2所示。整車控製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CAN發送給電機控製器,電機控製器通過內部算法控製電機輸出轉矩為Tmotor[5]。

電機及其控製器直接從總線上獲取電壓電流,由於蓄電池在實際工況中充放電狀態變化較大,導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。當車輛加速度為正且較大時,總線電壓急劇下降;當加速度為正且較小時,總線電壓有所回升;當加速度為負時,總線電壓稍稍下降。如圖3所示為總線電壓在90s內在390~460V範圍內的急劇變化。

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

虛點框內是DCAC逆變器,電機控製器通過PWM信號控製逆變器各個開關的通斷,將直流總線電壓轉變為三相交流電壓,以驅動三相異步感應電機。三相異步電機驅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]。對於固定工況點,三相異步感應電機驅動總成的效率主要取決於磁鏈Ψr的大小。三相異步感應電機內部功耗隨Ψr增大先變小,後變大。對某型號三相異步感應電機,在固定工況點下,隨著Ψr增大,電機效率先變大後變小,存在一個相對於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):

最佳總線電壓隨轉矩和轉速不同而不同,取決於電機的設計參數,其值可能不在390~460V範圍內。此外總線電壓與磁鏈Ψr的關係由電機控製器控製算法決定,因此,本試驗研究的電機效率隨總線電壓增大,可能增大、減小或者非單調變化。

三相異步感應電機的輸出轉矩是其線電壓、頻率、轉速差以及其餘電機參數的函數.本試驗中的三相異步感應電機采用直接轉矩控製方法,其基本思路是通過準確觀測定子磁鏈的空間位置及大小,並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速,進而改變轉差率s,最終輸出目標轉矩[8]。控製算法中的目標轉矩由整車控製器給出。

另一方麵,當直流輸入端電壓過高或者電機轉速過高時,出於安全考慮電機控製器會觸發保護功能,減小電機輸出轉矩。此時,實際輸出轉矩要遠遠小於目標轉矩。

無論是電機效率還是電機輸出轉矩,首先取決於電機控製器的控製算法。此處並不涉及該算法,僅將逆變器三相異步感應電機作為一整體,通過試驗研究其效率和轉矩特性。

在混合動力係統中,電機有可能處於驅動或發電狀態[9,10]。此處電機效率指不帶製動能量回收的驅動電機總成的效率,其中包含了DCAC逆變器的轉換效率,試驗中通過公式(5)來計算,其中各個變量的意義如圖1所標示。總的來說,電機效率可以表示為電機轉矩、轉速和總線電壓的函數,如公式(6);電機實際輸出轉矩為司機踏板命令
、電機轉速和總線電壓的函數,如公式(7):

2 試驗台架及試驗方案

21試驗台架

試驗台架如圖5所示分為兩部分,左邊虛線框為模擬燃料電池串聯式混合動力係統。與真實燃料電池混合動力係統相比,區別在於用燃料電池模擬裝置(以下簡稱模擬裝置)代替了燃料電池發動機+DC-DC。該模擬裝置可以設置輸出電壓為固定值,或者控製輸出電流與電壓的關係滿足燃料電池U-I極化曲線關係。為了防止蓄電池電流流入模擬裝置損壞試驗台架,在線路上增加了大功率二極管。右邊虛線框為動態測功機,具備可編程及數據自動記錄功能。試驗中需要記錄的數據有司機踏板開度θ、電機轉速ω、電機轉矩Tmotor、總線電壓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,其安裝於電機與動態測功機的連接軸上。表1給出了所研究的驅動電機總成中的三相異步感應電機的基本參數,表2給出了動態測功機的基本參數,表3給出了模擬裝置和蓄電池的基本參數。

22 試驗方案

試驗分為穩態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範圍為380~470V,過低或過高都將觸發蓄電池管理係統的自保護功能。參照圖3所示實際車輛總線電壓的變化情況,並考慮到燃料電池模擬裝置及蓄電池的充放電特性,在穩態試驗中將總線電壓分為400、415、435V和455V,並按如下步驟進行:先通過燃料電池模擬裝置調整總線電壓在預定值,而後固定司機踏板,電機轉速由100r/min增加到6000r/min;再增加司機踏板,電機轉速重新由100r/min變到6000r/min。司機踏板增加的步長為10%,電機轉速增加的步長為100r/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,結合穩態試驗結果,可以初步評價總線電壓在公交工況中的影響。

3穩態試驗結果分析

31電機效率

圖6給出了400V總線電壓下的電機效率MAP圖。試驗中司機踏板開度隻覆蓋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3000r/min、250Nm附近達到最高效率,為89%。在區域1000~5000r/min,100~500Nm範圍內,電機效率高於85%。低速高負荷和高速低負荷的效率均比較低,轉速為100r/min時的最低效率為30%,轉速為5500~6000r/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α,如公式.

圖8為總線電壓為415
、435V和455V時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,表明受總線電壓影響大。這些MAP圖可以直接應用於整車控製器能量管理算法與優化中,且在工程分析中還可以加以簡化。圖9為固定轉速或固定轉矩下的電機效率修正參數曲線圖。以α∈[09995,1005]作為受總線電壓影響較小的區域,可以在圖9上分別標出總線電壓的影響範圍。多取幾個類似的截圖,可以得到如圖6粗線所示的不規則框圖,框內區域工作點的電機效率受總線電壓影響較小。大致而言,當轉矩小於100Nm
、或者大於600Nm或者轉速低於800r/min時,電機效率受總線電壓影響大。對於框圖內的區域,電機效率修正參數可以簡化為1;框圖外的區域,使用實際測量的電機效率修正參數值。

32 電機轉矩

整車控製器給出目標轉矩和電機輸出的實際轉矩,當總線電壓為400~435V時,總線電壓對電機輸出轉矩影響小,輸出轉矩基本等於目標轉矩;當總線電壓為455V、轉速大於3300r/min時,電機控製器觸發保護功能,限製輸出轉矩。為衡量總線電壓的影響,定義修正參數β:

4 城市公交工況試驗結果分析

參考實際燃料電池大客車參數,可以將城市公交典型工況的車速值變換為電機轉速,而後通過編程在動態測功機上實現。試驗中蓄電池SOC初始為06,變化範圍為05~08,試驗環境溫度為室溫。圖11畫出了標準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,兩者的相關係數為99%,可以認為本試驗能比較真實地反映標準工況的實際情況。

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域細劃成N個小矩形區域,每個小區域的邊長為Δωmotor和ΔTmotor,kj為第j個區域內的采樣點數,ρj為對應於第j個區域中心點(Tmotor,j,ωmotor,j)的概率分布密度,參數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

i=1圖12給出了400V總線電壓下的電機效率圖,並畫出了標準城市工況中對電機總效率影響最大的前80%工作點的分布,即粗線所圍的區域。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域。從中可以看到,在城市工況下,對經濟性影響最大的點大部分分布於受總線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於高效率區域(>83%),表明該電機適合城市公交工況。

當電機動態加載時,實際轉矩與目標轉矩有延時,在整個公交工況中,該延時的平均值為05s。

5 結論

逆變器驅動三相異步感應電機的效率及轉矩特性本質上由電機控製器的控製算法決定,此處僅通過試驗初步研究了總線電壓對三相異步感應電機總成的效率及轉矩特性的影響。

(1)所研究的電機在3000r/min
、250Nm附近達到最高效率,為895%。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矩小於100Nm、或者轉矩大於600Nm或者轉速低於800r/min的範圍。在城市公交典型工況中,對電機經濟性影響最大的前80%的工作點,主要集中於電機的高效率區域,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)由於電機控製器的保護作用,當總線電壓為455V左右且電機轉速超過3300r/min時,輸出轉矩小於目標轉矩。此時的修正參數β與轉速的關係可以用二次曲線來近似擬合。在實際動態工況中,電機實際輸出轉矩相對於整車控製器發出的目標轉矩有平均05s的延時。

(3)燃料電池混合動力總線電壓對電機效率、輸出轉矩的影響可以用修正參數α
、β表示。α是電機轉矩、轉速和總線電壓的函數,β是電機轉速、司機踏板和總線電壓的函數。兩者的MAP圖可以直接用於整車能量管理優化算法中,其簡化形式可以用於一般工程分析。

通過上述工作,明確了所研究的逆變器驅動三相異步感應電機總成的效率及轉矩受總線電壓波動的影響情況,為進一步優化燃料電池混合動力的能量管理和動態控製奠定基礎。