CN108001275A - 一种燃料电池电动汽车电力耦合驱动***及其控制方法 - Google Patents
一种燃料电池电动汽车电力耦合驱动***及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
燃料电池电动汽车电力耦合驱动***及其控制方法，包括整车控制器、燃料电池***、峰值电源、控制峰值电源充放电的电能转换器、电机和电机驱动器、被电机带动的传动***；电机驱动器，燃料电池***和电能转换器都连接在电力传输线上；整车控制器的信号输入输出端通过采集多种控制信号和状态数据控制燃料电池***、电能转换器和电机驱动器。***部件的设计是通过相应公式及大小关系计算得到，并且考虑了电机所需的功率输出、燃料电池***的额定功率和传动***的传动比。基于该***硬件提出的控制方法保证了峰值电源和燃料电池间的耦合效果，提高了燃料电池的寿命，并更好的解决了现有技术无法吸收汽车在减速制动时产生的二次能量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及一种燃料电池电动汽车电力耦合驱动***及其控制方法。
背景技术
传统内燃机汽车是现代科技的最伟大的成就之一，满足了人们的日常交通生活。然而，随着汽车产业的发展，汽车保有量的增加已导致严重的环境污染和燃油资源问题，致使全球气候变暖加剧。为解决上述问题，国家政府倡导高效，清洁，安全交通，许多汽车制造商大力发展电动汽车，使得可再生能源得到大力发展，电动汽车开始逐步代替传动的内燃机汽车。燃料电池具有很高的储能密度，在电能产生过程中无污染，被广泛应用于电动汽车中。然而，燃料电池的输出电压较低，且随着负载电流的变化，输出电压幅度变化较大；电动汽车在运行过程中，负载波动较大，因此会引起燃料电池输出电压变化较大。
若驱动***仅用燃料电池供电，则***动态性能较差。并且，燃料电池的功率密度较低，为达到峰值功率，满足要求的燃料电池的体积和重量将会很大。此外，完成一个完整的驾驶循环，燃料电池承受大功率变化率的负载波动和长时间处在空载闲置状态，引起燃料电池降级，降低其使用寿命。更重要的是，***无法吸收汽车在减速制动时产生的二次能量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：设计一种通过增加峰值电源***，并根据多参数信号数据设计燃料电池电动汽车主要部分，并通过控制方法实现峰值电源***与燃料电池有效电力耦合，解决现有电动汽车运行负载波动较大且***无法吸收汽车在减速制动时产生的二次能量问题的一种燃料电池电动汽车电力耦合驱动***及其控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明设计的燃料电池电动汽车电力耦合驱动***包括整车控制器、燃料电池***、峰值电源、控制峰值电源充放电的电能转换器、电机和电机驱动器、被电机带动的传动***；所述的电机驱动器，燃料电池***和电能转换器都连接在电力传输线上；所述的整车控制器的信号输入端连接有加速踏板的牵引信号线、制动踏板的制动信号线、传动***中的转速信号线、燃料电池功率信号线、峰值电源的峰值功率信号线；所述的整车控制器的信号输出端通过电控制信号线连接到所述的燃料电池***和电能转换器，并且通过电机控制信号线连接电机驱动器。
作为一种优选：电机的功率需要同时满足大于加速性能公式(1)Pt1的值、最高车速性能公式(2)Pt2的值和爬坡性能公式(3)Pt3的值；
其中：η表示传动***效率；δ1表示车轮的转动惯量系数；δ2表示与动力装置相关的旋转部件的传动惯量系数；i0为末端传动齿轮的传动比；ig为传动装置的传动比；i0ig为总传动比；m为车辆总质量(kg)；tα为期望的加速时间(s)；vf为车辆加速后的最终速度(m/s)；vb为对应于电机基速的车速(m/s)；g为重力加速度；fr为轮胎的滚动阻力系数；v为t时刻汽车的速度；ρα为空气密度；CD为空气阻力系数；Af为车辆迎风面积(m2)；vmax为最高车速(m/s)；v为爬坡时的车速；α为上坡角度。
作为一种优选：燃料电池***的额定功率Pf大于Pt2和Pt3。
作为一种优选：燃料电池***采用的升压逆变器是一级式电压转换电路。
作为一种优选：峰值电源包括超级电容或蓄电池或是超级电容和蓄电池。
作为一种优选：传动***的传动比位于最大传动比公式(4)imax的值和最小传动比公式(5)imin的值之间：
其中：nmax为电机最高转速(r/min)；r为轮胎滚动半径(m)；vmax为最高车速(m/s)；Tmax为电机最大转矩(Nm)；αmax为最大爬坡角度。
一种燃料电池电动汽车电力耦合驱动***的控制方法，其特征在于：包括以下过程：
步骤(1)根据牵引指令功率减去制动指令功率，计算得到控制指令功率，判断控制指令功率是否小于0，若成立则制动，不成立则牵引；
步骤(2)判断控制指令功率是否大于燃料电池***的额定功率：若成立则将燃料电池***的额定功率作为燃料电池***的功率，并由PPS提供的牵引功率等于控制指令功率减去燃料电池***的功率；若不成立则PPS充电或牵引；
步骤(3)判断控制指令功率是否小于等于燃料电池***的额定功率：若成立则判断PPS的能量等级是否小于PPS的最大储存能量；若不成立则判断PPS的能量等级是否大于PPS的最小储存能量；
步骤(4)当PPS的能量等级不小于PPS的最大储存能量，则燃料电池的功率为0，并且PPS提供的牵引功率等于控制指令功率；当PPS的能量等级大于PPS的最小储存能量，则燃料电池的功率为控制指令功率，并且PPS的功率为0；
步骤(5)当PPS的能量等级小于PPS的最大储存能量或是小于PPS的最小储存能量，则对PPS充电：燃料电池的功率等于燃料电池的额定功率；PPS的充电功率等于燃料电池的功率减去控制指令功率。
本发明有益效果：
1、电机所需的功率输出、燃料电池***的额定功率和传动***的传动比都充分整合各种控制因素和实际控制要求，通过相应公式及大小关系计算设计的燃料电池电动汽车，保证了峰值电源和燃料电池间的耦合效果，使得基于硬件基础的控制方法的控制效果更好。
2、燃料电池***采用升压逆变器只需一级式电压转换电路解决燃料电池电压低、输出电压随负载变换较大的问题，与传动的两级式驱动***(燃料电池***先经过电能转换器将输出电压稳定在某一范围内，再经过DC/AC逆变器将直流电转换成交流电驱动三相电机)相比，降低了变换器成本，增加了电机驱动***的集成度，提高了***效率。
3、峰值电源***由蓄电池、超级电容构成的峰值电源、电能转换器组成，有效解决了燃料电池供电动态性能差的问题，通过电能转换器控制蓄电池的充放电过程，可以有效保护燃料电池，提高***动态性能。
4、蓄电池和超级电容可以吸收电动汽车在制动或减速时的能量，并将其储存起来，因此不需要插拔方式给蓄电池充电，超级电容和蓄电池可以在短时间内提供很大的峰值功率，弥补了燃料电池响应速度慢的缺点。
5、将高能量密度的燃料电池***和高功率密度的蓄电池、超级电容结合起来，使燃料电池电动汽车的电源***具有高能量和高功率密度的特点，提高了电动汽车的集成度，增强了其续航能力。
附图说明
附图1：本发明的一种结构示意图。
附图2：本发明电力***与电动机之间电路关系的基本原理图。
附图3：本发明的控制方法流程图。
附图4：汽车爬坡时所受路阻图。
Pcomm—控制指令功率
Pfc-rated—燃料电池***的额定功率
Pfc—燃料电池***的功率
Pfc-min—燃料电池***的最小功率
Ppps-traction—PPS提供的牵引功率
Ppps-charging—PPS的充电功率
E—PPS的能量等级
Emin—PPS的最低储存能量
Emax—PPS的最高储存能量
具体实施方式
如图1所示的燃料电池电动汽车电力耦合驱动***，包括整车控制器3、燃料电池***4、峰值电源7，峰值电源7包括超级电容或蓄电池，该峰值电源7可以带电能转换器6，也称为DC/DC变换器，在其控制下对峰值电源7进行充放电，除此之外，燃料电池电动汽车电力耦合驱动***还包括电机8和电机驱动器5、传动***9，传动***9主要用于带动车轮10。
如图2描述的是本发明中除信号控制部分之外，电力***与电动机之间电路关系的基本原理图。图中峰值电源包括了超级电容和蓄电池，峰值电源通过电能变换器与燃料电池耦合后，一起连接到电压变化的直流母线上输出电能到三相升压逆变器，该三相升压逆变器作为电机驱动器将直流电转换成三相交流电后输出到由三相电机绕组表示的电动机中。图中的电能变换器与三相升压逆变器中的某一相双向升压变换器在结构上近似相同，只是选型不同：即采用简单的双向升降压DC/DC变换器的原边(输入边)是电容器C，电容器C后面串联两个栅极开关S1、S2与两个整流器D1、D2组成的两个Mosfet功率开关，在原边电路上串联电感器L1，副边(输出边)电路上装有电感器L2。对与每一个升压变换器而言，它产生一个带有直流偏置的交流正弦电压，所以每一个升压变换器产生一个比燃料电池输出电压高的一个单向的交流电压。
图1中描述了整车控制的信号种类：整车控制器3的信号输入端连接有加速踏板1的牵引信号、制动踏板2的制动信号、传动***9中的转速信号、燃料电池***4中采集到的燃料电池功率信号、峰值电源7的峰值功率信号。整车控制器3将上述信号进行分析后，输出电控制信号控制燃料电池4和电能转换器6的工作，概括的说就是整车控制器3控制燃料电池4的输出与峰值电源7通过电能转换器6充放电之间进行有效的电力耦合，该电力耦合效果能实现电机驱动器5工作的最优化。
之所以整车控制器需要采集上述的输入信号，是因为为了实现电机的工作效果的最优，即需要电机的功率输出需要同时满足大于加速性能公式(1)Pt1的值、最高车速性能公式(2)Pt2的值和爬坡性能公式(3)Pt3的值；
其中：η表示传动***效率；δ1表示车轮的转动惯量系数；δ2表示与动力装置相关的旋转部件的传动惯量系数；i0为末端传动齿轮的传动比；ig为传动装置的传动比；i0ig为总传动比；m为车辆总质量(kg)；tα为期望的加速时间(s)；vf为车辆加速后的最终速度(m/s)；vb为对应于电机基速的车速(m/s)；g为重力加速度；fr为轮胎的滚动阻力系数；v为t时刻汽车的速度；ρα为空气密度；CD为空气阻力系数；Af为车辆迎风面积(m2)；vmax为最高车速(m/s)；v为爬坡时的车速；α为上坡角度。
通过上述公式(1)，(2)和(3)是实际数据分析后经过数学建模得到的，除了可以计算得到电机的输出功率需要，还可以计算得到燃料电池***的额定功率Pf满足：大于Pt2和Pt3。
而不同路况下，带动车轮转动的传动***的传动比需要满足：在最大传动比公式(4)imax的值和最小传动比公式(5)imin的值之间：
其中：nmax为电机最高转速(r/min)；r为轮胎滚动半径(m)；vmax为最高车速(m/s)；Tmax为电机最大转矩(Nm)；αmax为最大爬坡角度。
具体的设计案例：一种燃料电池电动汽车整车技术参数及动力性能指标要求如表1、表2所示。
表1整车技术参数
| 技术参数 | 单位 | 参数值 |
| 车体总质量m | kg | 1500(满载)，1250(空载) |
| 滚动阻力系数fr | - | 0.01 |
| 空气阻力系数CD | - | 0.3 |
| 迎风面积Af | m2 | 2.2 |
| 传动***效率η | - | 0.92 |
| 轴距L | m | 2.7 |
| 重心到前轮中心的距离La | m | 1.134(满载)，0.95(空载) |
| 重心高度hg | m | 0.6(满载)，0.5(空载) |
表2动力性能指标
(一)、驱动电机及其控制***的设计：
驱动电机的额定功率需要根据最恶劣的情况进行计算，因此以汽车加速性能(车辆从零车速加速到给定车速所需的时间)估算，即：驱动电机所需功率要大于加速时所需功率。车辆在加速时消耗的功率为为了准确确定驱动电机的额定功率，需要考虑克服轮胎滚动阻力和空气阻力消耗的功率。因此，加速时克服阻力的平均功率可表示为：
其中，δ为转动惯量系数；m为车辆总质量(kg)；tα为期望的加速时间(s)；vf为车辆加速后的最终速度(m/s)；vb为对应于电机基速的车速(m/s)；g为重力加速度(取9.8m/s2)；fr为轮胎的滚动阻力系数；v为t时刻汽车的速度；ρα为空气密度(取1.202kg/m3)；CD为空气阻力系数；Af为车辆迎风面积(m2)。
假设汽车加速过程为匀加速，则在t时刻的汽车速度可以表示为
将(7)带入(6)，得
因此，考虑电机传动***的效率，汽车在ta时间内，从0速加速度到vf所需的总功率可以表示为：
式中，Pt1为满足加速性能需要的驱动电机功率(W)；η为传动效率。
式(1)中，汽车的转动惯量系数δ可以写成
其中，Iw为总的车轮角动惯量，m为车轮质量，rd为车轮半径，Iw为与动力装置相关的旋转部件的角动惯量，r为与动力装置相关的旋转部件的半径。
将(9)写为δ＝1+δ1+δ2ig 2i0 2 (10)
其中，δ1表示车轮的转动惯量系数，根据车轮质量、半径可估算其值为0.04；δ2表示与动力装置相关的旋转部件的传动惯量系数，根据车轮质量、与动力装置相关的旋转部件的半径可估算其值为0.0025；i0为末端传动齿轮的传动比(主减速比)；ig为传动装置的传动比；i0ig为总传动比。可得满足电动汽车加速性能需要的电动机功率约为69.8kW。
由(1)可得，若汽车以恒定的最高车速vmax行驶时，所需功率：
式中，vmax为最高车速(m/s)。可得满足最高车速所需的电动机功率约为34.1kW。
如图4所示：汽车在爬坡时，由于重力的作用而产生爬坡阻力，与轮胎滚动阻力之和被称为路阻Frd，可以表示为：
Frd＝mg(frcosα+sinα) (11)
因此，驱动电机需要克服爬坡阻力、轮胎滚动阻力和空气阻力，才能爬上坡，因此，汽车在爬坡时以速度v运行时，所需要的功率
式中，v为爬坡时的车速；α为上坡角度。
由式(3)可得以100km/h的车速在3°的坡面上行驶所需功率为32.1kW，以20km/h的车速爬20°的坡所需功率为33.5kW。
由此可见，汽车加速时所需要的功率远大于爬坡和高速行驶时所需功率。所以选定额定功率为70kW的驱动电机(假设电动机额定转速最高转速，以满足加速性能要求。)
(二)、燃料电池***功率设计：
根据燃料电池电动汽车的设计，当车辆以相对高速状态恒速长距离行驶时，所需功率Pt2(以上计算结果约为34.1kW)单独由燃料电池***提供，且在不利用辅助电池的情况下，以给定车速在适度坡度下行驶时单独向电机输出功率Pt3(以上计算结果约为32.1kW)。因此，考虑到燃料电池***效率和传动效率，燃料电池***的额定功率Pf应略大于Pt2和Pt3，可以选用额定功率为40kW的燃料电池***。
(三)、峰值电源采用电池组的功率及能量容量设计：
基于由设计要求规定的加速性能所需的电动机最大输出功率，以及由恒速行驶确定的燃料电池***功率，选定电池组的额定功率为40kW。
通常情况下，在正常行驶时不需要电池组提供能量，只有在起动和急加速状态下需要电池组提供辅助能量。相比较起来，在起动时由于燃料电池***刚开始工作，温度较低，发电能量有限，这时就主要依靠电池组供电。可以根据循环测试得到电池充电状态(State of Charge，SOC)的变化范围为0.6～0.8之间，在这个荷电容量范围内其效率最高。电池组允许能量变化范围是0.2kWh，因此电池组的能量容量为0.2/(0.8-0.6)＝1kWh。
(四)、传动比设计：
由于电机转速普遍高于车轮角速度，所以驱动***需要配备主减速器，而电动汽车一般采用单档传动，所以传动***的传动比设计应该满足在电动机处于最高转速时汽车能达到预期最高车速，即：
其中，imax为传动比的最大值；nmax为电机最高转速(r/min)；r为轮胎滚动半径(m)；vmax为最高车速(m/s)。根据以上参数可得imax为3.544，即所选择的传动比不能大于3.544。
最小传动比应满足最大爬坡能力，即：
其中，imin为最小传动比；Tmax为电机最大转矩(Nm)；αmax为最大爬坡角度20°，根据汽车参数可得imin为3.044。该汽车的传动比要在imin和imax之间，即3.044≤i≤3.544。
通过案例可知在整车控制器中通过信号采集，将相应的实际参数带入上述公式中计算可以得到的：(1)电机所需的功率输出；(2)燃料电池***的额定功率；(3)传动***的传动比，我们就可以在整车控制器中设置的下面的控制方法，将都连接在电力传输线上的电机驱动器，燃料电池***和电能转换器，通过整车控制器控制实现燃料电池***以及由电能转换器控制下的峰值电源(peak power system，控制方法中，用英文PPS表示)的耦合，提供给电机驱动器一个合适的驱动电流，即让电机驱动器有一个适合当前操作控制的输出功率，所述的操作控制主要是牵引和制动，或是对峰值电源充放电，具体耦合驱动控制方法如下：
如图3所示：一种燃料电池电动汽车电力耦合驱动***的控制方法，包括以下过程：
步骤(1)根据牵引指令功率Pb减去制动指令功率Ptr，计算得到控制指令功率Pcomm，判断控制指令功率Pcomm是否小于0，若成立则制动，不成立则牵引。
步骤(2)判断控制指令功率Pcomm是否大于燃料电池***的额定功率Pfc-rated：若成立则将燃料电池***的额定功率Pfc-rated作为燃料电池***的功率Pfc，并由PPS提供的牵引功率Ppps-traction等于控制指令功率Pcomm减去燃料电池***的功率Pfc；若不成立则PPS充电或牵引。
步骤(3)判断控制指令功率Pcomm是否小于等于燃料电池***的额定功率Pfc-rated：若成立则判断PPS的能量等级E是否小于PPS的最大储存能量Emax；若不成立则判断PPS的能量等级E是否大于PPS的最小储存能量Emin。
步骤(4)当PPS的能量等级E不小于PPS的最大储存能量Emax，则燃料电池的功率Pfc为0，并且PPS提供的牵引功率Ppps-traction等于控制指令功率Pcomm；当PPS的能量等级E大于PPS的最小储存能量Emin，则燃料电池的功率Pfc为控制指令功率Pcomm，并且PPS的功率Ppps为0。
步骤(5)当PPS的能量等级E小于PPS的最大储存能量Emax或是小于PPS的最小储存能量Emin，则对PPS充电：燃料电池的功率Pfc等于燃料电池的额定功率Pfc-rated；PPS的充电功率Ppps-charging等于燃料电池的功率Pfc减去控制指令功率Pcomm。
使用该控制方法实现峰值电源***与燃料电池有效电力耦合，即实现了充电和牵引的合理选择，并且牵引功率和充电功率的设置也具体的，这解决现有电动汽车运行负载波动较大且***无法吸收汽车在减速制动时产生的二次能量问题的一种燃料电池电动汽车电力耦合驱动***及其控制方法。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (7)
1.一种燃料电池电动汽车电力耦合驱动***，其特征在于：包括整车控制器、燃料电池***、峰值电源、控制峰值电源充放电的电能转换器、电机和电机驱动器、被电机带动的传动***；所述的电机驱动器，燃料电池***和电能转换器都连接在电力传输线上；所述的整车控制器的信号输入端连接有加速踏板的牵引信号线、制动踏板的制动信号线、传动***中的转速信号线、燃料电池功率信号线、峰值电源的峰值功率信号线；所述的整车控制器的信号输出端通过电控制信号线连接到所述的燃料电池***和电能转换器，并且通过电机控制信号线连接电机驱动器。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电动汽车电力耦合驱动***，其特征在于：所述的电机的功率需要同时满足大于加速性能公式(1)Pt1的值、最高车速性能公式(2)Pt2的值和爬坡性能公式(3)Pt3的值；
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<mn>3</mn>
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</mrow>
其中：η表示传动***效率；δ1表示车轮的转动惯量系数；δ2表示与动力装置相关的旋转部件的传动惯量系数；i0为末端传动齿轮的传动比；ig为传动装置的传动比；i0ig为总传动比；m为车辆总质量(kg)；tα为期望的加速时间(s)；vf为车辆加速后的最终速度(m/s)；vb为对应于电机基速的车速(m/s)；g为重力加速度；fr为轮胎的滚动阻力系数；v为t时刻汽车的速度；ρα为空气密度；CD为空气阻力系数；Af为车辆迎风面积(m2)；vmax为最高车速(m/s)；v为爬坡时的车速；α为上坡角度。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电动汽车电力耦合驱动***，其特征在于：所述的燃料电池***的额定功率Pf大于Pt2和Pt3。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电动汽车电力耦合驱动***，其特征在于：燃料电池***采用的升压逆变器是一级式电压转换电路。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电动汽车电力耦合驱动***，其特征在于：所述的峰值电源包括超级电容或蓄电池或是超级电容和蓄电池。
6.根据权利要求1所述的燃料电池电动汽车电力耦合驱动***，其特征在于：所述的传动***的传动比位于最大传动比公式(4)imax的值和最小传动比公式(5)imin的值之间：
<mrow>
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<mi>i</mi>
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<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
</mfrac>
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<mi>C</mi>
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<mi>f</mi>
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<mi>V</mi>
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</msup>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中：nmax为电机最高转速(r/min)；r为轮胎滚动半径(m)；vmax为最高车速(m/s)；Tmax为电机最大转矩(Nm)；αmax为最大爬坡角度。
7.一种燃料电池电动汽车电力耦合驱动***的控制方法，其特征在于：包括以下过程：
步骤(1)根据牵引指令功率减去制动指令功率，计算得到控制指令功率，判断控制指令功率是否小于0，若成立则制动，不成立则牵引；
步骤(2)判断控制指令功率是否大于燃料电池***的额定功率：若成立则将燃料电池***的额定功率作为燃料电池***的功率，并由PPS提供的牵引功率等于控制指令功率减去燃料电池***的功率；若不成立则PPS充电或牵引；
步骤(3)判断控制指令功率是否小于等于燃料电池***的额定功率：若成立则判断PPS的能量等级是否小于PPS的最大储存能量；若不成立则判断PPS的能量等级是否大于PPS的最小储存能量；
步骤(4)当PPS的能量等级不小于PPS的最大储存能量，则燃料电池的功率为0，并且PPS提供的牵引功率等于控制指令功率；当PPS的能量等级大于PPS的最小储存能量，则燃料电池的功率为控制指令功率，并且PPS的功率为0；
步骤(5)当PPS的能量等级小于PPS的最大储存能量或是小于PPS的最小储存能量，则对PPS充电：燃料电池的功率等于燃料电池的额定功率；PPS的充电功率等于燃料电池的功率减去控制指令功率。
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