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對的兩大難題。世界各國政府、科研機(jī)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,其中燃料動力電池汽車以其高效、環(huán)保成為當(dāng)前國際研究的熱點(diǎn)[1,2]。

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

燃料動力電池混合動力系統(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(diǎn)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(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。為評價總線電壓對電機(jī)轉(zhuǎn)矩及效率的影響,在動態(tài)測功機(jī)試驗(yàn)臺架上設(shè)計(jì)試驗(yàn),以測量總線電壓的變化對的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和效率。

1燃料動力電池混合動力系統(tǒng)

能量型燃料動力電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由燃料動力電池發(fā)動機(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)動電機(jī)總成?？偩€電壓由蓄電池決定,燃料動力電池發(fā)動機(jī)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(jī),向外輸出轉(zhuǎn)矩。

燃料動力電池混合動力系統(tǒng)由整車控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個部件的工作,其與電機(jī)相關(guān)部分的工作原理如圖2所示。整車控制器首先接收司機(jī)踏板命令α,結(jié)合測量到的電機(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CAN發(fā)送給電機(jī)控制器,電機(jī)控制器通過內(nèi)部算法控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為Tmotor[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所示為某型號能量型燃料動力電池混合動力大客車實(shí)際運(yùn)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(fù)時,總線電壓稍稍下降。如圖3所示為總線電壓在90s內(nèi)在390~460V范圍內(nèi)的急劇變化。

燃料動力電池混合動力中的驅(qū)動電機(jī)總成使用的是最常見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(jī)。三相異步電機(jī)驅(qū)動總成的效率含義如公式(1):

式中,各變量的意義參考文獻(xiàn)[7]。關(guān)于固定工況點(diǎn),三相異步感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動總成的效率重要取決于磁鏈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。對某型號三相異步感應(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,存在一個相關(guān)于電機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù),其值可能不在390~460V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(jī)瞬時輸入電壓來改變電機(jī)定子磁鏈瞬時轉(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)矩由整車控制器給出。

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

無論是電機(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,通過試驗(yàn)研究其效率和轉(zhuǎn)矩特性。

在混合動力系統(tǒng)中,電機(jī)有可能處于驅(qū)動或發(fā)電狀態(tài)[9,10]。此處電機(jī)效率指不帶制動能量回收的驅(qū)動電機(jī)總成的效率,其中包含了DCAC逆變器的轉(zhuǎn)換效率,試驗(yàn)中通過公式(5)來計(jì)算,其中各個變量的意義如圖1所標(biāo)示?？偟膩碚f,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)臺架及試驗(yàn)方法

2·1試驗(yàn)臺架

試驗(yàn)臺架如圖5所示分為兩部分,左邊虛線框?yàn)槟M燃料動力電池串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。與真實(shí)燃料動力電池混合動力系統(tǒng)相比,差別在于用燃料動力電池模擬裝置(以下簡稱模擬裝置)代替了燃料動力電池發(fā)動機(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)系滿足燃料動力電池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)臺架,在線路上新增了大功率二極管。右邊虛線框?yàn)閯討B(tài)測功機(jī),具備可編程及數(shù)據(jù)自動記錄功能。試驗(yàn)中要記錄的數(shù)據(jù)有司機(jī)踏板開度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)矩傳感器測量得到,其安裝于電機(jī)與動態(tài)測功機(jī)的連接軸上。表1給出了所研究的驅(qū)動電機(jī)總成中的三相異步感應(yīng)電機(jī)的基本參數(shù),表2給出了動態(tài)測功機(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)方法

試驗(yàn)分為穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和我國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380~470V,過低或過高都將觸發(fā)蓄電池管理系統(tǒng)的自保護(hù)功能。參照圖3所示實(shí)際車輛總線電壓的變化情況,并考慮到燃料動力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、435V和455V,并按如下步驟進(jìn)行:先通過燃料動力電池模擬裝置調(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100r/min新增到6000r/min;再新增司機(jī)踏板,電機(jī)轉(zhuǎn)速重新由100r/min變到6000r/min。司機(jī)踏板新增的步長為10%,電機(jī)轉(zhuǎn)速新增的步長為100r/min。我國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,可以初步評價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400V總線電壓下的電機(jī)效率MAp圖。試驗(yàn)中司機(jī)踏板開度只覆蓋10%~80%,MAp圖中空白部分為試驗(yàn)中沒有覆蓋到的工作點(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3000r/min、250N·m附近達(dá)到最高效率,為89%。在區(qū)域1000~5000r/min,100~500N·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100r/min時的最低效率為30%,轉(zhuǎn)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(jī)效率MAp圖畫在一起作比較。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。為衡量總線電壓對電機(jī)效率的影響,含義修正參數(shù)α,如公式

圖8為總線電壓為415、435V和455V時的電機(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(jī)效率修正參數(shù)曲線圖。以α∈[0·9995,1·005]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(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100N·m、或者大于600N·m或者轉(zhuǎn)速低于800r/min時,電機(jī)效率受總線電壓影響大。關(guān)于框圖內(nèi)的區(qū)域,電機(jī)效率修正參數(shù)可以簡化為1;框圖外的區(qū)域,使用實(shí)際測量的電機(jī)效率修正參數(shù)值。

3·2電機(jī)轉(zhuǎn)矩

整車控制器給出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)矩,當(dāng)總線電壓為400~435V時,總線電壓對電機(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455V、轉(zhuǎn)速大于3300r/min時,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,含義修正參數(shù)β:

4城市公交工況試驗(yàn)結(jié)果分析

參考實(shí)際燃料動力電池大客車參數(shù),可以將城市公交典型工況的車速值變換為電機(jī)轉(zhuǎn)速,而后通過編程在動態(tài)測功機(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畫出了標(biāo)準(zhǔn)車速和試驗(yàn)中的等效車速曲線。加速過程稍有延時,最高車速有點(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)對電機(jī)效率的影響可以用參數(shù)γ衡量,其含義如公式(12)。ρ為工作點(diǎn)的概率分布密度,其含義為工作點(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)算過程如下:將電機(jī)工況點(diǎn)分布區(qū)域細(xì)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(diǎn)數(shù),ρj為對應(yīng)于第j個區(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)對電機(jī)效率影響的衡量指標(biāo)

i=1圖12給出了400V總線電壓下的電機(jī)效率圖,并畫出了標(biāo)準(zhǔn)城市工況中對電機(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相同,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,對電機(jī)總效率影響最大的工況點(diǎn)重要集中于高效率區(qū)域(>83%),表明該電機(jī)適合城市公交工況。

當(dāng)電機(jī)動態(tài)加載時,實(shí)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0·5s。

5結(jié)論

逆變器驅(qū)動三相異步感應(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,此處僅通過試驗(yàn)初步研究了總線電壓對三相異步感應(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3000r/min、250N·m附近達(dá)到最高效率,為89·5%。燃料動力電池混合動力總線電壓對電機(jī)效率的影響重要集中轉(zhuǎn)矩小于100N·m、或者轉(zhuǎn)矩大于600N·m或者轉(zhuǎn)速低于800r/min的范圍。在城市公交典型工況中,對電機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響最大的前80%的工作點(diǎn),重要集中于電機(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)用途,當(dāng)總線電壓為455V左右且電機(jī)轉(zhuǎn)速超過3300r/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(shí)際動態(tài)工況中,電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩相關(guān)于整車控制器發(fā)出的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩有平均0·5s的延時。

(3)燃料動力電池混合動力總線電壓對電機(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(jī)總成的效率及轉(zhuǎn)矩受總線電壓波動的影響情況,為進(jìn)一步優(yōu)化燃料動力電池混合動力的能量管理和動態(tài)控制奠定基礎(chǔ)。

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