CN101944755B - 汽车高压直流母线快速放电的方法 - Google Patents

汽车高压直流母线快速放电的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车高压直流母线快速放电的方法，包括与直流母线连接的主电机系统和若干个同样与直流母线连接，且与所述主电机系统并联的用电子系统，各子系统均由电机驱动，还包括一与直流母线并联的放电电阻，所述方法包括以下步骤：(1)当直流母线断电时，主电机作为用于控制的第一电机，第一电机控制器向第一电机发出信号，通过第一电机产生电流使电机绕组发热以耗散直流母线上的电容电压；(2)当第一电机无法正常运行时，通过放电电阻耗散直流母线上的电容电压。本发明可在不影响车辆运行状态的前提下，仅利用电机绕组损耗就将高压直流母线上各子系统滤波电容中储存的电能快速消耗掉，无需在各子系统控制器中并联放电电阻，提高了系统效率，降低了零部件成本。本发明能在切断高压电后对并联在高压直流母线上的电容快速放电，使得停车时强弱电的切断几近同步，简化了整车控制算法，尤其在出现紧急故障时可有效保证乘客安全。

Description

汽车高压直流母线快速放电的方法
技术领域
本发明涉及一种汽车的控制方法，具体说涉及一种在燃料电池车或其他以电为动力的汽车中，当停车或发生故障时，使高压直流母线快速放电的方法。
背景技术
燃料电池车用动力系统采用电力驱动，主要由燃料电池发动机系统、驱动系统、车身底盘、供氢系统、电池系统及附件系统(电动空调、电动转向、电动水泵、电动冷却风扇)等组成，系统中运动部件必须由可控的电机驱动，电机并联在高压直流母线上，实现速度或者转矩的可控调节。当车辆停车需关掉弱电系统(+12V弱电)或者车辆发生故障时，都需首先切断高压电，并保证高压母线电压尽可能快地低于一定安全值。当前电机控制都采用高频率的电力电子元器件及大容量的滤波电容，因此尽管动力电池已经断开，但电容的特性使得高压母线上各控制器内的滤波电容电压还维持较高水平，足够对乘客构成危险。
在目前的车用动力系统中，电容的放电基本都是由各个子系统内部实现，在电机控制器内滤波电容两端并联一个放电电阻，形成RC放电回路，将电容的电能转变为电阻的发热消耗掉，具体放电时间由R·C确定。这会带来以下缺点：(1)放电电阻会增加控制器体积和布置难度，并带来一定成本问题；(2)车辆正常运行时会造成一定损耗，降低动力系统效率，并带来持续发热问题；(3)放电时间较长，在此时间范围内，车辆弱电(+12V)不能切断，另外不能对整车进行检查修理，若遇到紧急状况如交通事故，不能有效及时保证乘客安全。(4)由于高压母线电压和弱电(+12V)掉电时序的严重不同步，导致整车控制策略的复杂性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种快速有效的汽车高压直流母线的放电方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
本发明采用以下技术方案：
一种汽车高压直流母线快速放电的方法，包括与直流母线连接的主电机系统和若干个同样与直流母线连接，且与所述主电机系统并联的用电子系统，各子系统均由电机驱动，还包括一与直流母线并联的放电电阻，所述方法包括以下步骤：
(1)当直流母线断电时，主电机作为用于控制的第一电机，第一电机控制器向第一电机发出信号，通过第一电机产生电流使电机绕组发热以耗散直流母线上的电容电压；
(2)当第一电机无法正常运行时，通过放电电阻耗散直流母线上的电容电压。
进一步地，所述第一电机控制器向第一电机发出的信号包括分别对第一电机定子电流的转矩分量和励磁分量给出定值，其中第一电机定子电流转矩分量iq为零；励磁分量id为不为零的常数，该常数引起的磁通量可抵消第一电机转子磁链。
进一步地，所述用电子系统包括第一子系统、第二子系统......和第N子系统，在所述步骤(1)中，当主电机无法作为第一电机时，由第一子系统作为第一电机，如果第一子系统无法作为第一电机，再由第二子系统作为第一电机，......以此类推，直至所有子系统都无法正常工作后，执行所述步骤(2)。
本发明通过控制主电机定子电流，使电机输出转矩为零，在不影响车辆运行状态的前提下，仅利用电机绕组损耗就将高压直流母线上各子系统滤波电容中储存的电能快速消耗掉，无需在各子系统控制器中并联放电电阻，提高了系统效率，降低了零部件成本。本发明能在切断高压电后对并联在高压直流母线上的电容快速放电，使得停车时强弱电的切断几近同步，简化了整车控制算法，尤其在出现紧急故障时可有效保证乘客安全。为了保险起见，只需在整个动力系统母线上并联一个小功率的放电电阻，以备主电机系统故障或车辆弱电系统故障时的放电需求。
附图说明
图1是采用本发明所涉及的汽车高压直流母线快速放电方法的燃料电池车用动力系统的一种实施例的示意图。
图2为本发明所涉及的汽车高压直流母线快速放电方法的原理图。
图3为采用本发明所涉及的汽车高压直流母线快速放电方法和现有技术中采用电阻放电方法的放电电压曲线的对比图。
具体实施方式
如图1所示，为采用本发明地燃料电池车用动力系统的一种实施例。在该系统中，高压直流母线1与动力蓄电池相连接，燃料电池堆(FCS)通过单向DC/DC模块与动力蓄电池并联，主电机并联在高压直流母线上，高压直流母线上还接入其他高压用电系统，见图，如包括两个电动水泵3、4，两个高压电动风扇5、6，电动空调压缩机7等，各个子系统均由电机驱动，在各子系统中的电机为子电机。
如图2所示，电机的输出转矩由转子磁链ψr和定子磁链ψs相互作用而产生，其大小与两者之间的夹角θ有关：θ＝90°时转矩最大，θ＝0°或者θ＝180°时转矩为零。按照矢量控制理论，可将定子电流分解为q轴(交轴)的转矩分量iq和d轴(直轴)的励磁分量id，因此如果控制iq＝0，id＝不为零的常数，该常数引起的磁通量可抵消主电机转子磁链，即定子磁链如图2中虚线所示位置，可使转矩输出为零，而去磁(id为负)或增磁(id为正)形成的无功损耗会将各子系统电容中的能量消耗掉。
燃料电池车在停车断电或出现故障时，将断开动力电池供电回路，并通过整车控制器发给主电机控制器相应信号。此时主电机控制器设定iq＝0，通过调节id的大小来调节高压母线上电容电压的放电速度，即该放电速度可通过id来标定。
在任何情况下，定子的三相绕组都以120度电角度均匀排列，三相绕组所产生的合力最终促成电机的有效旋转。随着各相线圈的励磁相位不同，其相互作用的结果既可以产生无法形成旋转转矩的磁力作用，也可以产生能够形成旋转运动的磁力作用。这两种不同类型的磁力作用通常被分别称作交轴分量(q)和直轴分量(d)，可产生有效转矩的交轴分量的运行方向垂直于转子磁极轴线，不产生转矩的直轴分量的运行方向则平行于转子磁极轴线。
通常，电机控制的诀窍在于使q轴分量最大化的同时使d轴分量最小化。对永磁电机来说，其转子采用永磁体，因此定子电流d轴分量设为0，而q轴分量则设为最大；对异步电机来说，由于额外需要维持一定幅度的感应磁通，所以d轴分量不能取为零，而是代之以一个与电机特性有关的小常量。
而本方法的目的是为了将高压母线的残存电压快速消耗掉，同时不会影响车辆运行状态，因此与电机的传统控制不同，而是使得q轴分量为0，d轴分量根据放电时间的需求来标定。此时电机不产生转矩，而电流将在电机定子绕组中以热的形式消耗。
另外，在高压直流母线1之间连接一个与主电机并联的小功率放电电阻2，当主电机、主电机控制器出现故障或者整车弱电系统故障(如+12V弱电)，而导致通过主电机损耗放电无法实现时，可通过放电电阻2来放掉高压母线上残余的电容电压。
还可通过高压母线上其它子系统的电机控制器采用相同的控制方法来实现。当高压母线断电时，可先判断主电机是否正常工作，若是，则将主电机作为控制放电的第一电机，如果不是，则由子系统中的电机来替代原主电机成为第一电机。由于各用电子系统和主电机是并联关系，因此整车控制器能控制子系统中的电机控制器来对子系统的电机进行控制，同样能实现高压母线快速放电的目的。当所有子系统中的电机都无法正常工作后，整车控制器再通过放电电阻放电。
以上所述快速放电方法基于电机控制理论，当高压电断开时，通过主驱动电机的软件控制算法控制主电机定子电流，主电机的绕组发热对高压直流母线上各子系统内部的高压滤波大电容进行快速放电，放电时间可控制在两秒之内，有效保证整车的高压安全。本发明可以在不降低系统效率的前提下，达到快速放电的目的，如图3所示，其中，纵轴代表母线电压u，横轴代表放电时间t，ut为安全阈值电压，虚线为现有采用放电电阻的放电曲线(放电速率的变化可通过选择不同阻值的电阻来实现)，实线为基于本发明方法的放电曲线(放电速率的变化可通过选择不同大小的id来实现)。
与现有技术不同的是，本发明中高压直流母线上的子系统不用单独设计放电电阻，避免了放电电阻给各子系统在空间布置、发热、效率和成本等方面带来的缺陷。本发明会极大提高放电速度，有效地保证了在紧急故障时的乘客安全，并解决了强弱电掉电时序的严重不同步性，从而简化了整车控制算法。由于放电速度可通过主驱动电机控制器id的大小来标定，具有相当高的灵活性。避免了由于动力系统拓扑结构发生改变(高压母线电容量的改变)而带来的放电时间变化问题。仅在高压直流母线上设置一个统一的放电电阻，易于保证从整车角度选择合适的参数，由于该放电电阻只是在主驱动电机控制器出现致命故障或者整车弱电系统故障的最高等级故障时才会起作用，因此可选用小功率的放电电阻，便于布置且提高系统效率。

Claims (2)

1.一种汽车高压直流母线快速放电的方法，包括与直流母线连接的主电机系统和若干个同样与直流母线连接，且与所述主电机系统并联的用电子系统，各子系统均由电机驱动，还包括一与直流母线并联的放电电阻，其特征是所述方法包括以下步骤：
(1)当直流母线断电时，主电机作为用于控制的第一电机，第一电机控制器向第一电机发出信号，通过第一电机产生电流使电机绕组发热以耗散直流母线上的电容电压；所述用电子系统包括第一子系统、第二子系统......和第N子系统，当主电机无法作为第一电机时，由第一子系统作为第一电机，如果第一子系统无法作为第一电机，再由第二子系统作为第一电机，......以此类推，直至所有子系统都无法正常工作后，执行步骤(2)；
(2)当第一电机无法正常运行时，通过放电电阻耗散直流母线上的电容电压。
2.根据权利要求1所述的汽车高压直流母线快速放电的方法，其特征是：所述第一电机控制器向第一电机发出的信号包括分别对第一电机定子电流的转矩分量和励磁分量给出定值，其中第一电机定子电流转矩分量iq为零；励磁分量id为不为零的常数，该常数引起的磁通量可抵消第一电机转子磁链。
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