CN108614150B - 用于估计燃料电池系统中电动机的功耗的方法 - Google Patents

用于估计燃料电池系统中电动机的功耗的方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于估计燃料电池系统中电动机的功耗的方法。用于估计电动机的功耗的方法包括以下步骤：确定电动机的多个相中的每一个的端子电压的误差电压，该端子电压从逆变器被提供给电动机；通过将误差电压施加到在电动机运行期间以预先设定的方式推导出的端子电压的预测值而产生电动机的多个相中的每一个的补偿端子电压；并且通过使用补偿端子电压和通过检测在电动机的多个相中的每一个中流动的电流而获得的电流值来计算电动机的功耗。

Description

用于估计燃料电池系统中电动机的功耗的方法
技术领域
本公开总体上涉及用于估计电动机的功耗(power consumption)的方法。更具体地，本公开涉及用于估计电动机的功耗的方法，该方法补偿当操作逆变器的开关元件以产生每个相(each phase)的端子电压时发生的误差，从而估计电动机的功耗。
背景技术
在燃料电池车辆中，期望控制从燃料电池产生的电力到车辆的各种组件的分配。当控制燃料电池车辆的功率分配时，估计辅助系统的功率是非常重要的，该辅助系统是诸如通过操作电动机将空气提供至燃料电池的阴极(cathode)的空气压缩机、用于循环冷却燃料电池堆的冷却水的泵、散热器风扇、空调等。然而，可通过使用设置在各个输出端的电流传感器来精确地估计燃料电池堆和高压电池的功率。连接至车辆的驱动轮的驱动系统的电动机可基于转矩的预测值来估计功耗。相反，用于车辆的其他辅助系统没有设置相应的单独的传感器，并且因此不可能精确地估计功耗。
具体而言，包括向燃料电池供应空气的电动机的空气压缩机消耗了燃料电池堆的总功率的大约10％，并且因此为了提高配电控制精度，精确估计空气压缩机的电动机的功耗是重要的。然而，难以精确地估计功耗。具体而言，空气压缩机将与燃料反应所需的空气供给到燃料电池堆，并且因此空气压缩机的电动机的速度变化很大程度上取决于燃料电池的功率的变化。由此，空气压缩机的电动机的功率根据驱动速度而变化，并且功耗根据在相同速度下的加速度、减速度和恒定速度而是不同的。因此，非常难以估计空气压缩机的电动机的功耗。
在燃料电池车辆中，期望精确地估计上述空气压缩机的功耗，用于战术性地控制燃料电池堆的功率和电池的充电-放电量。例如，当驾驶员尝试实现全开式节气门(WOT)加速度并且空气压缩机的功耗的估计不正确时，电动机消耗燃料电池或高压电池的能量的多少和空气压缩机的功耗的估计误差一样。当空气压缩机更多地消耗能量时，燃料电池或电池消耗能量超过可接受的最大输出。因此，燃料电池和电池可能被损坏。当空气压缩机消耗的能量较少时，供应给燃料电池的空气不足。因此，难以提供车辆所需的动力性能。
通常，通过测试将功耗映射到空气压缩机的流动速率或电动机的转速的映射图(map)被用于估计空气压缩机的功耗。然而，这样，如上所述，空气压缩机的电动机的功耗根据驱动状态不同，所述驱动状态是诸如加速度、减速度和恒定速度，以及相同转速下的加速度和减速度的水平(或由空气压缩机提供空气的流动速率)状况。因此，难以精确地估计功耗。
如上所述，燃料电池车辆需要用于精确地估计向燃料电池供应空气的空气压缩机的功耗的技术，更准确地说，是空气压缩机中的电动机的功耗。
前述内容仅旨在帮助理解本公开的背景内容，并不意味着本公开内容属于本领域技术人员已知的相关领域的范围。
发明内容
考虑到现有技术中出现的上述问题创作本公开，并且本公开旨在提出一种用于估计燃料电池系统(fuel cell system)中的空气压缩机的功耗的方法，该方法补偿当操作逆变器(inverter)的开关元件时出现的误差，并且导出施加到电动机的各相位的端子电压，从而精确地估计电动机的功耗。
为了实现上述目的，根据本公开的一个方面，一种用于估计电动机的功耗的方法包括以下步骤：确定该电动机的多个相中的每一个的端子电压的误差电压，该端子电压从逆变器供给到该电动机；通过将该误差电压施加到在该电动机运行期间以预先设定的方式导出的端子电压的预测值而产生该电动机的多个相中的每一个的补偿端子电压；和通过使用该补偿端子电压和通过检测在该电动机的多个相中的每一个中流动的电流而获得的电流值计算该电动机的功耗。
根据本公开的实施例，确定误差电压的步骤可包括以下步骤：向该逆变器提供该电动机的多个相中的每一个的端子电压命令；根据该端子电压命令的变化来检测该电动机的多个相中的每一个的电流；以及使在示出该端子电压命令与所检测的电流之间的关系的电压-电流曲线中电流线性变化的区域的线延伸，并且确定该线与该电压-电流曲线图的电压轴相交的点的电压值为该多个相中的每一个的误差电压。
根据本公开的实施例，提供端子电压命令的步骤可包括：向该电动机的多个相中的每一个提供正端子电压命令和负端子电压命令，并且确定误差电压的步骤进一步包括以下步骤：通过使用在提供该正端子电压命令时检测到的正电流来确定该多个相中的每一个的第一误差电压；以及通过使用在提供该负端子电压命令时检测到的负电流来确定该多个相中的每一个的第二误差电压。
根据本公开的实施例，产生补偿端子电压的步骤可包括：在电动机的运转期间，当多个相中的每一个的电流为正值时，通过从端子电压的预测值中减去误差电压来生成该多个相中的每一个的补偿端子电压，并且在电动机的运转期间，当多个相中的每一个的电流为负值时，通过将误差电压与端子电压的预测值相加来生成该多个相中的每一个的补偿端子电压。
根据本公开的实施例，产生补偿端子电压的步骤可包括：在该电动机的运转期间，当该多个相中的每一个的电流为正值时，通过从该端子电压的预测值中减去该第一误差电压来生成该多个相中的每一个的该补偿端子电压，并且在该电动机的运转期间，当该多个相中的每一个的电流为负值时，通过从该端子电压的预测值中减去该第二误差电压来生成该多个相中的每一个的该补偿端子电压。
根据本公开的实施例，产生补偿端子电压的步骤可包括：当该多个相中的每一个的电流大于预设基准电流α(正值)时，从该端子电压的预测值中减去该误差电压；当该多个相中的每一个的电流小于-α时，将该误差电压与该端子电压的预测值相加；以及当该多个相中的每一个的电流是范围从α到-α中的值时，线性地改变误差电压并且将所改变的误差电压应用于端子电压的预测值。
根据本公开的实施例，当该多个相中的每一个的电流是范围从α到-α中的值时，该误差电压改变并通过使用公式Vn_Out_real＝Vn-VComp和
Figure BDA0001451628240000041
被应用于该端子电压的预测值(Vn_Out_real：多个相中的每一个的补偿端子电压，Vn：多个相中的每一个的端子电压的预测值，Vref：误差电压，α：基准电流，I：多个相中的每一个的检测电流)。
根据本公开的实施例，端子电压的预测值可以是基于施加到逆变器的开关元件的栅极的PWM信号的占空比而估计出的电压值，或者可以是通过对包含在用于控制该电动机的电动机控制器中的电流控制器处产生的D轴电压命令和Q轴电压命令执行坐标变换而产生的该多个相中的每一个的端子电压命令值(terminal voltage command value)。
根据本公开的实施例，该计算功耗的步骤可包括：将该补偿端子电压转换为固定参考坐标系(stationary reference frame)的D轴电压和Q轴电压，并且将通过检测该电动机的该多个相中的每一个中流动的电流而获得的电流值转换为该固定参考坐标系的D轴电流和Q轴电流；以及通过使用经转换的电压和电流来计算该电动机的该功耗。
根据本公开的实施例，计算功耗的步骤可进一步包括：通过使用公式Pmot＝1.5×(IDfix×VD_Out_real+IQfix×VQ_Out_real)计算该电动机的功耗(IDfix：通过转换该电流值生成的固定参考坐标系的D轴电流，IQfix：通过转换电流值生成的固定参考坐标系的Q轴电流，VD_Out_real：通过转换该补偿端子电压生成的固定参考坐标系的D轴电压，VQ_Out_real：通过转换该补偿端子电压生成的固定参考坐标系的Q轴电压)。
根据本公开的实施例，该方法可进一步包括以下步骤：基于在计算该功耗获得的计算出的该电动机的功耗和为该逆变器预设的逆变器效率这两者来计算该逆变器的功率。
根据本公开的实施例，计算该逆变器功率的步骤可包括：在该逆变器在该电动机的旋转方向上施加转矩的电动机运行状态下，通过使用公式Pinv＝Pmot×ηinv计算该逆变器的功率(Pinv：该逆变器的功率，Pmot：在计算该功耗时获得的所计算出的该电动机的功耗，ηinv：该逆变器的效率)；以及在该逆变器在与该电动机的旋转方向相反的方向上施加转矩的再生制动状态下，通过使用公式
Figure BDA0001451628240000051
来计算该逆变器的功率。
根据用于估计电动机的功耗的方法，可能通过精确地估计施加到燃料电池车辆的空气压缩机的电动机的功耗来提高燃料电池车辆的燃料电池配电控制和燃料电池输出限制的精度。
另外，根据用于估计电动机的功耗的方法，通过提高燃料电池输出限制的精度，可以防止对燃料电池的过度输出而造成的燃料电池的永久性损坏，由此可以通过燃料电池输出限制提高车辆驾驶稳定性。
另外，根据用于估计电动机的功耗的方法，可以精确地估计没有DC电流传感器的燃料电池车辆的空气压缩机的功耗，并且确保响应和精度水平与当设置DC电流传感器时的水平一样。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中将更清楚地理解本公开的上述和其它目的、特征和其他优点，其中：
图1是简要示出根据本公开实施例的可以应用用于估计电动机的功耗的方法的燃料电池系统的实例的框图；
图2是示出根据本公开实施例的应用了用于估计电动机的功耗的方法的系统的框图；
图3是示出根据本公开实施例的用于估计电动机的功耗的方法的流程图；
图4是示出有助于理解根据本公开实施例的用于估计电动机的功耗的方法的通用逆变器和电动机的电路图；
图5是详细说明根据本公开实施例的用于估计电动机的功耗的方法中确定误差电压的流程图；和
图6是在根据本公开实施例的用于估计电动机的功耗的方法中确定误差电压时导出的电压-电流关系曲线图。
具体实施方式
在下面中，将参照附图详细描述根据本公开示例性实施例的用于估计燃料电池系统中的空气压缩机的功耗的方法。
图1是简要示出根据本公开实施例的可以应用用于估计电动机的功耗的方法的燃料电池系统的实例的框图。
如在图1中所示，燃料电池系统可包括：燃料电池堆100，其包括通过接收氢气和空气通过氧化还原产生电力的燃料电池，氢气和空气分别是燃料和氧化剂；和空气压缩机10，将压缩空气供应至燃料电池堆100的阴极；以及加湿器200，将湿气供应至空气压缩机10的压缩空气并将它提供给燃料电池堆100。这里，加湿器200接收从燃料电池堆100排放的高度潮湿的非反应性空气，并且向供应到燃料电池堆100的空气供给水分。
为了控制空气压缩机10，燃料电池系统可包括用于控制空气压缩机10的控制器20，更具体地，用于控制包含在空气压缩机10中的电动机。控制器20可包括用于根据速度命令或转矩命令来控制空气压缩机10的电动机的通用电动机控制器21。根据本公开的实施例，可在控制器20中设置用于实现用于估计电动机的功耗的方法的元件。可替代地，除了控制器20之外，还可设置用于实现用于估计电动机的功耗的方法的额外的控制器或计算器。
控制器20或通用电动机控制器21是执行软件指令的电路，所述软件由此执行下文中所描述的各种功能。
另外，本公开的实施例是应用了用于估计燃料电池系统中的空气压缩机10的电动机的功耗的方法的实例。然而，这些实例的描述并不将本公开内容限制于燃料电池系统的空气压缩机。因此，除了燃料电池领域之外，本公开可应用于各种用于估计应用于其他技术领域的电动机的功耗的方法。
图2是示出根据本公开实施例的电动机功耗估计系统的框图。
参考图2，根据本公开的实施例，电动机功耗估计系统30可包括：误差电压测量模块31；端子电压计算模块32和功耗估计模块33。
处理器执行以下模块31、32和33的各种功能。下面描述的模块31、32和33由在处理器上执行的软件指令来实现。
根据本公开的实施例，电动机功耗估计系统30通过使用在控制电动机的通用电动机控制器21处生成的值、产生提供给电动机11的三相端子电压的输出电流值等来估计电动机11的功耗。
根据本公开的实施例，可将包括误差电压测量模块31、端子电压计算模块32和功耗估计模块33的电动机功耗估计系统设置为如上所述的控制器。控制器可包括执行用于实现预编程算法的操作的处理器和用于存储操作处理所需的各种信息的存储器。另外，如上所述，根据本公开的实施例，用于实现电动机功率估计系统30的控制器可被设置为与用于控制电动机11的通用电动机控制器集成的硬件或者可以被独立地设置。
误差电压测量模块31测量用于补偿以预设方式导出的用于逆变器的各相位的端子电压的预测值的误差电压。
端子电压计算模块32通过施加误差电压来计算补偿端子电压。
另外，功耗估计模块33通过使用补偿端子电压来计算电动机的功耗。
同时，图2中标示了参考标号“21”的通用电动机控制器可包括：速度(转矩)控制器211；电流控制器212；和坐标变换模块213。
速度(转矩)控制器211接收来自较高级别控制器(未示出)的用于控制电动机的速度或转矩的速度命令或转矩命令，以产生和输出电流命令值(Id*，Iq*)。这里，较高级别的控制器可以是用于控制燃料电池系统的控制器，或者可以是用于控制应用了燃料电池系统的车辆的控制器。较高级别的控制器可基于车辆的速度和爬坡角度、由驾驶员操作的加速器的打开速度(opening rate)等来确定燃料电池堆100的功率。另外，较高级别的控制器可基于燃料电池堆100的输出和温度等确定空气压缩机10的电动机的转速和转矩。较高级别的控制器将所确定的电动机的转速或转矩作为速度命令值或转矩命令值提供给速度(转矩)控制器211。速度(转矩)控制器211将接收到的速度命令值或转矩命令值与电动机的实际转速进行比较，以便通过使用电动机的转速来产生并输出用于估计速度命令值的电流命令值(Id*，Iq*)。
这里，电流命令值(Id*，Iq*)是电动机11的驱动电流的命令值。基于被供应给电动机11的驱动电流的电平来确定电动机11的转矩。因此，电动机11的转矩可被认为等于电动机11的驱动电流。更具体地，从速度(转矩)控制器211输出的电流命令值(Id*，Iq*)可以是在电动机的同步参考坐标系(synchronous reference frame)中的D轴和Q轴电流命令值(Id*，Iq*)。
与一般比例积分(PI)控制器类似，速度(转矩)控制器211可使用控制技术来通过积分的运算对命令值与测量值之间的误差进行积分，并将结果应用于控制水平。也就是说，速度(转矩)控制器211可使用用于将速度命令或转矩命令与电动机11的实际速度或转矩之间的误差进行积分并应用所述结果的控制技术。除了PI控制技术，速度(转矩)控制器211可使用比例积分微分(PID)控制技术、积分比例(IP)控制技术，IP-PI组合控制技术等。
电流控制器212根据电流命令值(Id*，Iq*)控制从逆变器40提供给电动机11的电流，并输出同步参考坐标系的D轴电压命令值和Q轴电压命令值(Vd*，Vq*)。电流控制器212接收关于通过检测和转换从逆变器40提供的每个相的一部分或全部电流而获得的D轴和Q轴电流的实际电流的反馈。接下来，电流控制器212根据电流命令值(即，D轴和Q轴电流命令值(Id*，Iq*))控制实际电流。
与速度控制器211类似，电流控制器212可使用包括积分操作的控制技术，该积分操作用于对电流命令值(Id*，Iq*)与从逆变器40提供给电动机的实际电流之间的误差进行积分，诸如PI控制技术、PID控制技术、IP控制技术、IP-PI组合控制技术等。
坐标变换模块213将D轴电压命令值和Q轴电压命令值(Vd*，Vq*)转换成通过坐标变换(DQ<->三相(abc))的三相电压命令值。坐标变换模块可产生PWM开关信号，用于通过基于三相的电压命令值的脉冲宽度调制来驱动逆变器40中的开关元件，并且可向逆变器40提供PWM开关信号。将PWM开关信号施加到逆变器40中的开关元件的栅极，并且由此控制开关元件，从而逆变器40输出用于驱动电动机11的三相电流。
同时，坐标变换模块213可将作为电流控制器212的控制的反馈的逆变器40的三相驱动电流的测量值转换为DQ电流，以便向电流控制器212提供DQ电流。
也就是说，为了产生施加到电动机的端子电压，坐标变换模块213可将同步参考坐标系的D轴和Q轴电压命令值转换为固定参考坐标系的D轴和Q轴电压，并且可将D轴和Q轴电压转换为三相(a相，b相，c相)电压。此外，坐标变换模块可将检测到的用于反馈控制的三相电流转换为固定参考坐标系的电流，并且可将该电流转换为同步参考坐标系的电流。这里，坐标变换的详细方法是本领域公知的，因此将省略其描述以防止在本公开的主要技术精神中的混淆。
在下文中，将详细描述通过根据本公开实施例的电动机功耗估计系统实现的用于估计电动机的功耗的方法。通过对根据本公开实施例的用于估计电动机的功耗的方法的描述，将清楚地理解电动机功耗估计系统的操作和效果。
图3是示出根据本公开实施例的用于估计电动机的功耗的方法的流程图。
如在图3中所示，根据本公开的实施例，用于估计电动机的功耗的方法包括：在步骤S10中确定误差电压；在步骤S20中通过施加误差电压产生补偿端子电压；以及在步骤S30中通过使用补偿端子电压来计算电动机的功耗。
首先，当在步骤S10中确定误差电压时，误差电压测量模块31测量包含在端子电压的预测值中的误差电压，以便计算从逆变器40输出到电动机11的各相位的实际端子电压。
通常，可通过使用以下公式1来计算电动机的功耗。
[公式1]
Pmot＝1.5×(IDfix×VDfix+IQfix×VQfix)
在公式1中，电动机的功耗被指定为Pmot，电动机固定参考坐标系的D轴被指定为下标Dfix，电动机固定参考坐标系的Q轴指定为下标Qfix。因此，提供给电动机的D轴电流被指定为IDfix，提供给电动机的D轴电压被指定为VDfix，提供给电动机的Q轴电流被指定为IQfix，并且提供给电动机的Q轴电压被指定为VQfix。
通常，由电流传感器检测从逆变器40输出到电动机11的各相位的电流。例如，通过用于电流控制的电流传感器(未示出)检测从逆变器40输出到电动机11的a相电流、b相电流和c相电流中的至少两个。因此，通过对所检测到的多个相位的电流值执行坐标变换，可将公式1中的电流作为可靠值导出。然而，用于常规电动机功耗估计的公式1中的电压不是基于通过单个传感器等导出的值。然而，电压可以是基于施加到被实现为用于基于输入电压将交流电压施加到电动机的三个相位的全桥电路的逆变器40的开关元件的栅极的脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比值，或者基于通过对在包含在电动机控制器21中的电流控制器212处产生的D轴电压命令和Q轴电压命令执行坐标变换产生的三相端子电压命令而估计的电压值。
如上所述，在通过常规技术估计的三相端子电压与施加到电动机的实际三相端子电压之间存在误差，并且因此通过使用公式1计算出的电动机的功耗的估计值存在误差。例如，由于逆变器效率小于100％，所计算出的电动机的功耗值优选地低于逆变器输出值。然而，有时所计算出的功耗值大于逆变器输出。
图4是示出有助于理解根据本公开的实施例的用于估计电动机的功耗的方法的通用逆变器和电动机的电路图。
如在图4中所示，逆变器40可具有两个开关元件成对彼此串联连接并且三对并联连接到电池50的相对端的全桥电路。每对开关元件对电动机11施加一个相位电压和电流。各相位的端子电压是执行图4中的从逆变器到各相位的输出的一对开关元件的每个连接节点(Na，Nb，Nc)的电压。
例如，开关元件Sa和开关元件
Figure BDA0001451628240000121
向电动机11施加a相功率。当开关元件Sa接通并且开关元件
Figure BDA0001451628240000122
断开时，提供给电动机11的a相电压和电流为正值。相反地，当开关元件Sa断开并且开关元件
Figure BDA0001451628240000123
接通时，提供给电动机11的a相电压和电流为负值。因此，对电动机施加a相交流电压。其他相的交流电压以与上述相同的方式产生并被施加到电动机。
为了驱动具有期望速度和转矩的电动机，图2的电动机控制器21计算提供给各相位的端子电压命令，确定提供给包含在逆变器40中的开关元件的栅极的栅极信号的占空比值，并将占空比值施加到逆变器的栅极以便将计算出的端子电压施加到电动机。
为了精确地估计电动机11的功耗，期望精确地获得逆变器40的各相位的端子电压的实际值。然而，如上所述，在常规的电动机功耗估计中使用端子电压的预测值而不是端子电压的实际值。因此，由于端子电压的实际值与端子电压的预测值之间的误差，电动机功耗的精度降低。
导致三相端子电压的预测值和三相端子电压的实际值之间的误差的主要原因包括：由包含在逆变器中的开关元件的集电极和发射极之间的导通损耗(conduction loss)引起的电压降(voltage drop)；以及由两个开关元件的导通时间之间的死区效应(deadtime effect)引起的电压误差。使用死区效应以避免当串联连接以产生单相电压的两个开关元件(上相和下相)同时导通时发生的短路。
通常，当基于三相端子电压命令计算三相输出PWM占空比时，用于控制电动机的控制器21的电流控制器212使用理论上补偿开关元件的死区效应的算法。然而，通过该算法计算出的电压补偿值与实际电压值之间存在误差。误差的电平根据所使用的开关元件的种类和特性以及所应用的电压补偿控制算法而变化。
因此，在根据本公开的实施例的估计电动机的功耗的方法中的步骤S20中确定误差电压时，误差电压测量模块31测量误差电压以补偿端子电压的误差。
图5是示出根据本公开实施例的用于详细估计电动机的功耗的方法中确定误差电压的流程图。
首先，在步骤11中，误差电压测量模块31使电动机控制器21将不断增加或减小的端子电压命令输出到电动机11的多个相中的其中一个，并且在步骤S12中，如图5中所示，根据电压变化来测量该相的电流以检测电流变化。接下来，误差电压测量模块31做出一曲线图，该曲线图示出了端子电压命令与基于端子电压命令的电流之间的关系，使根据电压的变化在电流线性变化的区域的线延伸，并且在步骤S13中，确定该线与电压-电流曲线图的电压轴相交的点的电压值为误差电压Vref。在步骤S13中使用如图6中所示的该电压-电流曲线。
图6是在根据本公开实施例的估计电动机的功率的方法中确定误差电压时导出的电压-电流关系曲线图。在步骤S11中确定误差电压包括：使其中根据电压的变化在电流线性变化的区域的线延伸，并且确定该线与电压-电流曲线图的电压轴的相交的点的电压值为误差电压Vref。
电动机11的定子的绕组电阻为常数，并且因此基于所施加电压而流动的电流线性增加。因此，电压-电流曲线图的电压轴与电流根据电压的变化而线性变化的区域的线延伸的线相交的点的电压值可以是开关元件的集电极和发射极之间的电压降的值。电压值可用作三相端子电压的预测值与施加到电动机的实际电压之间的误差电压。可针对每个相推导出误差电压Vref。
接下来，在步骤S20中产生补偿端子电压时，端子电压计算模块32通过将误差电压Vref施加到端子电压的预测值来计算误差电压Vref得到补偿的补偿端子电压。端子电压的预测值可以是基于施加到逆变器40的开关元件的栅极的脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比值估计的电压值，或者通过对D轴电压命令和Q轴电压命令进行坐标变换而产生的三相端子电压命令，所述D轴电压命令和Q轴电压命令在电动机控制器21中包括的电流控制器212处生成。
当在步骤S20中计算补偿端子电压时，端子电压计算模块32可根据电动机11的运作期每个相的电流是正值还是负值，以不同的方式施加误差电压Vref。
例如，当在电动机的运行期间，a相电流为正值时，可通过从端子电压的预测值中减去误差电压Vref推导出a相(补偿端子电压值)的端子电压的实际值，如公式2中所示。
[公式2]
VAn_Out_real＝VAn-Vref
在公式2中，a相的补偿端子电压被指定为VAn_Out_real，并且a相的端子电压的预测值被指定为VAn。
此外，在电动机运作期间，当电动机的a相电流为负值时，可通过将误差电压Vref与端子电压的预测值相加来导出a相端子电压值(补偿电压值)，如公式3中所示。
[公式3]
VAn_Out_real＝VAn+Vref
公式2和公式3使用通过对端子电压命令施加正值来导出误差电压Vref的方法，以使逆变器能够在正方向上向电动机的各相输出a相电流。然而，端子电压的误差会根据相电流的方向而变化。因此，为了使逆变器能够在负方向上向电动机的每个相输出a相电流，向逆变器供给负端子电压命令，并且测量相关的相电流。通过识别电压轴与从电流根据电压变化线性地改变的区域的线延伸的线路相交的点的电压值，计算并施加负电流流动时的电压误差补偿值。
相反，当a相电流通过基于0A(零安培)加上或减去误差电压Vref来施加补偿值时，可能发生非线性。为了去除非线性特性，端子电压计算模块32在a相电流大于预设基准电流α(正值)时减去误差电压Vref，并且当a相电流为小于-α时加上误差电压Vref。当a相电流是从α到-α的范围时，希望线性地改变误差电压并且应用所改变的误差电压，如下面的公式4所示。
[公式4]
VAn_Out_real＝VAn-VComp
Figure BDA0001451628240000161
这里，基准电流α可被实验设定为低于电动机的三相最大电流的值。基准电流α可通过使用各种方法来设定。例如，通过将单个传感器测量的电动机输出值与通过在电动机的低功率驱动中通过公式2和公式3应用误差电压Vref计算的电动机的功耗来调整α，同时改变基准电流α以便最小化错误。可替代地，基准电流α可通过使通过公式2和公式3应用误差电压Vref计算出的电动机的功耗的噪声最小化来设定，其中噪声是由三相电流为零左右时发生的非线性引起的一个。
当在步骤S20中产生补偿端子电压时，端子电压计算模块32可通过公式2至公式4为每个相产生补偿端子电压，并且可通过对补偿端子电压进行坐标变换来导出固定参考坐标系中的D轴电压和Q轴电压，如下面的公式5中所示。
[公式5]
Figure BDA0001451628240000162
接下来，当在步骤S30中计算功耗时，功耗估计模块33通过使用其中误差电压Vref被补偿的补偿端子电压来计算电动机11的功耗，如公式6所示。
[公式6]
Pmot＝1.5×(IDfix×VD_Out_real+IQfix×VQ_Out_real
当使用根据本公开实施例的用于估计电动机的功耗的方法时，可能计算向电动机11输出功率的逆变器40的功耗(输出)。
如公式7中所示，可在逆变器40在电动机的旋转方向上施加转矩的电动机运行状态(motoring state)下导出逆变器40的功耗，并且如公式8中所示，可在逆变器40在与电动机的旋转相反的方向上施加转矩的再生制动状态下导出逆变器40的功耗。
[公式7]
Pinv＝Pmot×ηinv
[公式8]
Figure BDA0001451628240000171
在公式7和公式8中，逆变器的功耗(输出)被指定为Pinv，通过使用公式6计算的电动机的功耗被指定为Pmot，并且逆变器效率被指定为ηinv。
可通过使用各种方法提前推导出逆变器效率。例如，可能使用根据驾驶条件(电动机的转速和转矩值)实验计算的地图数据(map data)。
根据上述用于估计电动机的功耗的方法的实施方式，可能通过精确地估计应用于燃料电池车辆的空气压缩机的电动机的功耗，提高燃料电池车辆的配电控制和燃料电池输出限制的精度。
此外，根据用于估计电动机的功耗的方法，通过提高燃料电池输出限制的精度，可以防止燃料电池的过度输出而引起的燃料电池的永久性损坏，从而可以通过燃料电池输出限制增强车辆的驾驶稳定性。
此外，根据用于估计电动机的功耗的方法，可能精确地估计燃料电池车辆的空气压缩机的功耗，而不需直流电流传感器，并且确保与提供传感器时相同水平的响应和精度水平。
虽然出于说明的目的已经描述了本公开的优选实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，可进行各种修改、添加和替换。

Claims (11)

1.一种用于估计电动机的功耗的方法，所述方法包括以下步骤：
确定所述电动机的多个相中的每一个的端子电压的误差电压，所述端子电压从逆变器供给到所述电动机；
通过将所述误差电压施加到在所述电动机运行期间以预先设定的方式导出的所述端子电压的预测值而产生所述电动机的所述多个相中的每一个的补偿端子电压；以及
通过使用所述补偿端子电压和通过检测在所述电动机的所述多个相中的每一个中流动的电流而获得的电流值计算所述电动机的功耗，
其中，确定所述误差电压的步骤包括以下步骤：
向所述逆变器提供所述电动机的所述多个相中的每一个的端子电压命令；
根据所述端子电压命令的变化检测所述电动机的所述多个相中的每一个的电流；以及
使在示出所述端子电压命令与所检测的电流之间的关系的电压-电流曲线图中电流线性变化的区域的线延伸，并且确定所述线与所述电压-电流曲线图的电压轴相交的点的电压值为所述多个相中的每一个的所述误差电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
提供所述端子电压命令的步骤包括：向所述电动机的所述多个相中的每一个提供正端子电压命令和负端子电压命令，并且
确定所述误差电压的步骤进一步包括以下步骤：通过使用在提供所述正端子电压命令时检测到的正电流来确定所述多个相中的每一个的第一误差电压；以及通过使用在提供所述负端子电压命令时检测到的负电流来确定所述多个相中的每一个的第二误差电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，产生所述补偿端子电压的步骤包括：
在所述电动机的运转期间，当所述多个相中的每一个的电流为正值时，通过从所述端子电压的预测值中减去所述误差电压来生成所述多个相中的每一个的所述补偿端子电压，并且在所述电动机的运转期间，当所述多个相中的每一个的电流为负值时，通过将所述误差电压与所述端子电压的预测值相加来生成所述多个相中的每一个的所述补偿端子电压。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，产生所述补偿端子电压的步骤包括：
在所述电动机的运转期间，当所述多个相中的每一个的电流为正值时，通过从所述端子电压的预测值中减去所述第一误差电压来生成所述多个相中的每一个的所述补偿端子电压，并且在所述电动机的运转期间，当所述多个相中的每一个的电流为负值时，通过从所述端子电压的预测值中减去所述第二误差电压来生成所述多个相中的每一个的所述补偿端子电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，产生所述补偿端子电压的步骤包括：
当所述多个相中的每一个的电流大于预设基准电流α时，从所述端子电压的预测值中减去所述误差电压，其中，α为正值；
当所述多个相中的每一个的电流小于-α时，将所述误差电压与所述端子电压的预测值相加；以及
当所述多个相中的每一个的电流是范围从α到-α中的值时，线性地改变所述误差电压并且将所改变的误差电压应用于所述端子电压的预测值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，当所述多个相中的每一个的电流是范围从α到-α中的值时，所述误差电压被改变并且通过使用公式Vn_Out_real＝Vn-VComp和
Figure FDA0003464306760000031
被应用于所述端子电压的预测值，Vn_Out_real：所述多个相中的每一个的所述补偿端子电压，Vn：所述多个相中的每一个的所述端子电压的预测值，Vref：所述误差电压，α：所述基准电流，I：所述多个相中的每一个的检测电流。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述端子电压的预测值是基于施加到所述逆变器的开关元件的栅极的脉冲宽度调制信号的占空比而估计出的电压值，或者是通过对包含在用于控制所述电动机的电动机控制器中的电流控制器处产生的D轴电压命令和Q轴电压命令执行坐标变换而产生的所述多个相中的每一个的端子电压命令值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述功耗的步骤包括：
将所述补偿端子电压转换为固定参考坐标系的D轴电压和Q轴电压，并且将通过检测所述电动机的所述多个相中的每一个中流动的电流而获得的电流值转换为所述固定参考坐标系的D轴电流和Q轴电流；以及通过使用经转换的电压和电流来计算所述电动机的所述功耗。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，计算所述功耗的步骤进一步包括：
通过使用公式Pmot＝1.5×(IDfix×VD_Out_real+IQfix×VQ_Out_real)计算所述电动机的所述功耗，IDfix：通过转换所述电流值生成的所述固定参考坐标系的D轴电流，IQfix：通过转换所述电流值生成的所述固定参考坐标系的Q轴电流，VD_Out_real：通过转换所述补偿端子电压生成的所述固定参考坐标系的D轴电压，VQ_Out_real：通过转换所述补偿端子电压生成的所述固定参考坐标系的Q轴电压。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
基于在计算所述功耗时获得的计算出的所述电动机的功耗和为所述逆变器预设的逆变器效率这两者来计算所述逆变器的功率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，计算所述逆变器的功率的步骤包括：
在所述逆变器在所述电动机的旋转方向上施加转矩的电动机运行状态下，通过使用公式Pinv＝Pmot×ηinv计算所述逆变器的功率，Pinv：所述逆变器的功率，Pmot：在计算所述功耗时获得的所计算出的所述电动机的功耗，ηinv：所述逆变器的效率；以及
在所述逆变器在与所述电动机的旋转方向相反的方向上施加转矩的再生制动状态下，通过使用公式
Figure FDA0003464306760000041
来计算所述逆变器的功率。
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