CN111231702B - 基于双源电机的燃料电池汽车动力系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于双源电机的燃料电池汽车动力系统，包括双源电机、第一控制开关、第二控制开关、第一逆变器、第二逆变器、二极管、燃料电池及动力二次电源。双源电机具有两套星型定子绕组：第一绕组、第二绕组。第一逆变器直流侧通过二极管连接燃料电池，交流侧连接第一绕组；第二逆变器连接动力二次电源、第二绕组。第一逆变器、第二逆变器、燃料电池及动力二次电源共地。燃料电池额定电压低于动力二次电源额定电压。第一绕组通过控制开关可以作为定子绕组或升压电感工作，第二绕组作为常规的定子绕组工作。本发明应用于燃料电池汽车电‑电混合动力构型中，可以在双源电机低速运行时实现由燃料电池向动力二次电源的高效率充电，且无需DC/DC环节。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车领域和电机控制领域，涉及到一种基于双源电机的燃料电池汽车动力系统，特别涉及到一种可以在双源电机低速运行时实现燃料电池向动力二次电源高效率充电的新型燃料电池汽车动力系统。
背景技术
由于燃料电池响应速度慢、输出特性偏软，现有的燃料电池汽车动力系统通常采用电-电混合动力构型，即由燃料电池提供车辆运行所需的平均功率，而由蓄电池或超级电容等动力二次电源提供动态辅助功率，以改善车辆的动态特性。由于燃料电池与动力二次电源的电压等级不同，在实现燃料电池向动力二次电源充电时通常需要对燃料电池进行升压。
基于DC/DC的燃料电池汽车电-电混合动力构型通常采用DC/DC(直流/直流)变换器来实现燃料电池向动力二次电源(蓄电池或超级电容)充电，如图1所示。然而，DC/DC环节的存在降低了燃料电池汽车动力系统的效率，且大功率DC/DC变换器成本较高、体积较大。
基于双源电机的燃料电池汽车电-电混合动力构型中，双源电机具有两套独立的定子绕组：燃料电池侧绕组、动力二次电源侧绕组，并分别通过第一逆变器、第二逆变器与燃料电池、动力二次电源相连，如图2所示。通过第一逆变器、第二逆变器对燃料电池侧绕组、动力二次电源侧绕组所产生转矩的独立控制及合理分配，可以实现：燃料电池或动力二次电源单独驱动双源电机、燃料电池和动力二次电源共同驱动双源电机、燃料电池向动力二次电源充电、制动能量回收。相对于基于DC/DC的燃料电池汽车电-电混合动力构型，基于双源电机的燃料电池汽车电-电混合动力构型省去了DC/DC环节；但由于电机在偏离额定工作点运行时效率会降低，低速运行的双源电机的效率要低于采用Boost变换器原理的DC/DC环节的效率，故基于双源电机的燃料电池汽车电-电混合动力构型在双源电机低速运行时，由燃料电池向动力二次电源充电的效率偏低。
本发明保留了基于双源电机的燃料电池汽车电-电混合动力构型的特点，省去了DC/DC环节，且通过将双源电机的燃料电池侧绕组作为升压电感，可以在双源电机低速运行时利用Boost变换器原理实现由燃料电池向动力二次电源的高效率充电。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统。
本发明采用的技术方案为：
一种基于双源电机的燃料电池汽车动力系统，包括双源电机、第一控制开关、第二控制开关、第一逆变器、第二逆变器、二极管、燃料电池及动力二次电源，其中双源电机定子上有两套星型(Y型)绕组：第一绕组、第二绕组。所述第一逆变器的直流侧通过二极管连接燃料电池，第一逆变器的交流侧连接第一绕组；所述第二逆变器的直流侧连接动力二次电源，第二逆变器的交流侧连接第二绕组。所述第一逆变器、第二逆变器、燃料电池及动力二次电源共地。所述燃料电池的额定电压低于动力二次电源的额定电压。
所述的第一绕组的中性点通过第一控制开关、第二控制开关的配合可以连接到动力二次电源的正、负直流母线上。所述第一控制开关、第二控制开关有如下三种工作状态：第一控制开关断开、第二控制开关闭合，第一绕组的中性点连接到动力二次电源的负极，即状态A；第一控制开关闭合、第二控制开关断开，第一绕组的中性点连接到动力二次电源的正极，即状态B；第一控制开关、第二控制开关均断开，第一绕组的中性点与动力二次电源的直流母线断开，即状态C。
所述的第一绕组既可以作为常规的电机定子绕组使用，又可以作为升压电感使用，对应于所述系统的两种工作模式：双绕组驱动模式和单绕组升压单绕组驱动模式。
所述的双绕组驱动模式下，第一控制开关、第二控制开关处于状态C，第一绕组、第二绕组均作为常规的电机定子绕组工作，即第一绕组、第二绕组在第一逆变器、第二逆变器的控制下均通过交流电，产生旋转磁场驱动电机工作(电动或发电)，双源电机的输出转矩为第一绕组、第二绕组与电机转子相互作用产生的转矩之和，燃料电池、动力二次电源分别通过第一逆变器、第二逆变器驱动电机。
所述的单绕组升压单绕组驱动模式下，第一逆变器的三个上桥臂开关均闭合、三个下桥臂开关均断开，第一控制开关、第二控制开关在状态A与状态B之间反复切换，第一绕组通过第一控制开关和第二控制开关的交替闭合作为升压电感工作，第二绕组仍作为常规的定子绕组并在第二逆变器的控制下驱动电机正常运行，进而可根据Boost变换器原理利用第一绕组构成升压电路实现燃料电池向动力二次电源充电。由于第一绕组的三相绕组在空间上成星型连接并流过直流电，第一绕组的三相绕组所产生的合成磁场为零，不会影响到第二绕组所产生的旋转磁场，进而在实现燃料电池向动力二次电源充电的同时，可以保证电机的正常运行。
所述系统在实现燃料电池向动力二次电源充电时，若双源电机在高转速范围内运行，则采用双绕组驱动模式，并使第一绕组工作在电动状态，第二绕组工作在发电状态；若双源电机在低转速范围内运行，则采用单绕组升压单绕组驱动模式。
所述逆变器中的开关及控制开关可以是绝缘门极双极型晶体管IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)、电力金属氧化物半导体场效晶体管P-MOSFET(Power-MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor)或其他类型开关管。
所述动力二次电源可以是蓄电池或超级电容。
进一步地，所述基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统处于双绕组驱动模式时，控制开关处于状态C，即第一控制开关、第二控制开关均断开，第一绕组的中性点与动力二次电源的直流母线断开，双源电机的第一绕组、第二绕组分别在第一逆变器、第二逆变器控制下通入三相对称交流电，此时双源电机的输出转矩T等于第一绕组、第二绕组与电机转子相互作用所产生的转矩T1、T2之和，即T＝T1+T2。若规定电机转矩与转速同方向时转矩为正，电机转矩与转速反方向时转矩为负，当T1、T2均为正时，燃料电池和动力二次电源共同驱动车辆运动；当T1为正、T2为零时，燃料电池单独驱动车辆运动；当T1为正、T2为负且T为正时，燃料电池为动力二次电源充电，同时燃料电池单独驱动车辆运动；当T1为正、T2为负且T为负时，燃料电池为动力二次电源充电，同时车辆处于制动能量回收状态；当T1为零、T2为正时，动力二次电源单独驱动车辆运动；当T1、T2均为零时，车辆处于停车状态；当T1为零、T2为负时，车辆处于制动能量回收状态。
进一步地，所述基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统处于单绕组升压单绕组驱动模式时，第一逆变器的三个上桥臂开关均闭合、三个下桥臂开关均断开，第二逆变器通过控制第二绕组的电流使电机运行(电动、发电、零速)，两个控制开关在状态A和状态B之间反复切换，第一绕组作为升压电感工作并流过直流电，此时成星型连接的第一绕组产生的合成磁场为零，不会影响到第二绕组产生的旋转磁场，从而可利用Boost变换器原理实现在电机运行状态下燃料电池向动力二次电源充电。
进一步地，在实现燃料电池向动力二次电源充电时，根据双源电机的工作转速选择所述系统的工作模式。(1)双源电机在高转速范围内运行时，采用双绕组驱动模式实现燃料电池向动力二次电源充电：第一逆变器控制第一绕组产生正转矩T1(电动状态)，第二逆变器控制第二绕组产生负转矩T2(发电状态)。(2)双源电机在低转速范围内运行时，采用单绕组升压单绕组驱动模式实现燃料电池向动力二次电源充电：第一逆变器的三个上桥臂开关均闭合、三个下桥臂开关均断开，两个控制开关在状态A和状态B之间反复切换，第一绕组作为升压电感使用，进而可根据Boost变换器原理实现燃料电池升压并向动力二次电源充电，第二绕组仍作为常规的定子绕组驱动电机工作。
本发明的有益效果为：本发明在燃料电池汽车电-电混合动力构型中实现燃料电池向动力二次电源充电时，无需DC/DC环节，且通过将电机绕组作为升压电感对燃料电池进行升压，可以电机在低速运行时利用Boost变换器原理实现燃料电池向动力二次电源的高效率充电。
附图说明
图1为基于DC/DC的燃料电池汽车电-电混合动力构型示意图。
图2为基于双源电机的燃料电池汽车电-电混合动力构型示意图。
图3为本发明所述的基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统示意图。
图4为本发明所述的基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统在双绕组驱动模式下的一种工作状态。
图5为本发明所述的基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统在单绕组升压单绕组驱动模式下，控制开关处于状态A时的一种工作状态。
图6为本发明所述的基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统在单绕组升压单绕组驱动模式下，控制开关处于状态B时的一种工作状态。
图中：1双源电机、2第一控制开关、3第二控制开关、4第一逆变器、5第二逆变器、6二极管、7燃料电池、8动力二次电源、9第一绕组、10第二绕组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图3为本发明所描述的基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统示意图。所述的基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统包括：包括双源电机1、第一控制开关2、第二控制开关3、第一逆变器4、第二逆变器5、二极管6、燃料电池7及动力二次电源8。所述双源电机1具有两套星型绕组：第一绕组9、第二绕组10。第一逆变器4的直流侧通过二极管6连接燃料电池7，第一逆变器4的交流侧连接第一绕组9；第二逆变器5的直流、交流侧分别连接动力二次电源8、第二绕组10。所述第一逆变器4、第二逆变器5、燃料电池7及动力二次电源8共地。第一绕组9中性点通过第一控制开关2、第二控制开关3可以连接到动力二次电源8的正、负直流母线上。所述燃料电池7的额定电压低于动力二次电源8的额定电压。所述动力二次电源8可以是蓄电池或超级电容。所述逆变器中的开关及控制开关可以是绝缘门极双极型晶体管IGBT、电力金属氧化物半导体场效晶体管P-MOSFET或其他类型开关管。
所述基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统有两种工作模式：双绕组驱动模式和单绕组升压单绕组驱动模式。双绕组驱动模式下双源电机1的两套绕组均作为常规的电机绕组(产生旋转磁场驱动电机)工作，单绕组升压单绕组驱动模式下双源电机1的第一绕组9作为升压电感工作，而第二绕组10仍作为常规的定子绕组工作。
所述第一控制开关2、第二控制开关3共有三种工作状态：第一控制开关2断开、第二控制开关3闭合，第一绕组9的中性点连接到动力二次电源8的负极，即状态A；第一控制开关2闭合、第二控制开关3断开，第一绕组9的中性点连接到动力二次电源8的正极，即状态B；第一控制开关2、第二控制开关3均断开，第一绕组9的中性点与动力二次电源8的直流母线断开，即状态C。
所述基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统处于双绕组驱动模式时，两个控制开关处于状态C，第一绕组9、第二绕组10中的电流分别由第一逆变器4、第二逆变器5来进行独立控制，如图4。此时双源电机1的输出转矩T等于第一绕组9、第二绕组10与电机转子相互作用所产生的转矩T1、T2之和，即T＝T1+T2。若规定电机转矩与转速同方向时转矩为正，电机转矩与转速反方向时转矩为负，当T1、T2均为正时，第一绕组9和第二绕组10均处于电动状态，燃料电池7和动力二次电源8共同驱动车辆运动；当T1为正、T2为零时，第一绕组9处于电动状态，第二绕组10不工作，燃料电池7单独驱动车辆运动；当T1为正、T2为负且T为正时，第一绕组9处于电动状态，第二绕组10处于发电状态，燃料电池7为动力二次电源8充电，同时燃料电池7单独驱动车辆运动；当T1为正、T2为负且T为负时，第一绕组9处于电动状态，第二绕组10处于发电状态，燃料电池7为动力二次电源8充电，同时车辆处于制动能量回收状态；当T1为零、T2为正时，第一绕组9不工作，第二绕组10处于电动状态，动力二次电源8单独驱动车辆运动；当T1、T2均为零时，第一绕组9和第二绕组10均不工作，车辆处于停车状态；当T1为零、T2为负时，第一绕组9不工作，第二绕组10处于发电状态，车辆处于制动能量回收状态。
所述基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统处于单绕组升压单绕组驱动模式时，第一逆变器4的三个上桥臂开关Q1、Q3、Q5均闭合、三个下桥臂开关Q4、Q6、Q2均断开，第二逆变器5通过控制第二绕组10的电流使电机运行(电动、发电、零速)，两个控制开关在状态A和状态B之间反复切换，第一绕组9作为升压电感工作。当控制开关处于状态A时，此时来自燃料电池7阳极的直流电i1流过第一绕组9的三相绕组，并通过中性点引出线流回燃料电池7阴极，动力二次电源8通过第二逆变器5控制第二绕组10中的电流来驱动双源电机1，此时双源电机1的输出转矩T等于第二绕组10与电机转子相互作用所产生的转矩T2，如图5。当i1达到最大值时，控制开关从状态A切换到状态B，第一绕组9的三相绕组由于第二控制开关3的断开，流过的电流减小而产生反电动势e，e与燃料电池7的电压V1串联相加高于动力二次电源8电压V2，即e+V1>V2时，可实现燃料电池7向动力二次电源8充电，如图6。当e与燃料电池7的电压V1之和小于动力二次电源8电压V2时，即e+V1<V2时，再将控制开关从状态B切换到状态A，如此反复，可根据Boost变换器原理实现燃料电池7的升压并对动力二次电源8进行充电。
在实现燃料电池7向动力二次电源8充电时，应根据双源电机1的工作转速选择所述系统的工作模式。(1)双源电机1在高转速范围内运行时，采用双绕组驱动模式实现燃料电池7向动力二次电源8充电：第一逆变器4控制第一绕组9产生正转矩T1(电动状态)，第二逆变器5控制第二绕组10产生负转矩T2(发电状态)，当双源电机1的输出转矩T＝T1+T2为正时，燃料电池7为动力二次电源8充电，同时燃料电池7单独驱动车辆运动；当双源电机1的输出转矩T＝T1+T2为负时，燃料电池7为动力二次电源8充电，同时车辆处于制动能量回收状态。(2)双源电机1在低转速范围内运行时，采用单绕组升压单绕组驱动模式实现燃料电池7向动力二次电源8充电：第一逆变器4的三个上桥臂开关Q1、Q3、Q5均闭合、三个下桥臂开关Q4、Q6、Q2均断开，两个控制开关在状态A和状态B之间反复切换，第一绕组9作为升压电感使用，进而可根据Boost变换器原理实现燃料电池7升压并向动力二次电源8充电，第二绕组10仍作为常规的定子绕组工作，双源电机1的输出转矩T等于第二绕组10与电机转子相互作用所产生的转矩T2，此时双源电机1在第二逆变器5控制下可以工作在电动、发电或者零速状态。当双源电机1工作在电动状态时，燃料电池7向动力二次电源8充电，同时燃料电池7通过第二逆变器5驱动第二绕组10输出正转矩T2；当双源电机1工作在发电状态时，燃料电池7向动力二次电源8充电，同时车辆处于制动能量回收状态，制动能量通过第二逆变器5为动力二次电源8充电，此时第二绕组10输出转矩T2为负转矩；当双源电机1工作在零速状态时，燃料电池7向动力二次电源8充电，第二绕组10输出转矩T2为零，车辆处于停车状态。
本发明实施例提供的基于双源电机的新型燃料电池汽车动力系统，其优点在于：在实现燃料电池7向动力二次电源8充电时，无需DC/DC环节，且通过将双源电机1的第一绕组9作为升压电感使用，可以在双源电机1低速运行的情况下实现燃料电池7向动力二次电源8的高效率充电。
本领域的技术人员应当理解，此处的具体实施方案仅用于解释本发明专利，并不用于限制本发明专利。在本发明专利的精神和原则之内作出的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之中。
Claims (3)
1.一种基于双源电机的燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述的燃料电池汽车动力系统包括双源电机、第一控制开关、第二控制开关、第一逆变器、第二逆变器、二极管、燃料电池及动力二次电源，其中双源电机定子上有两套星型绕组：第一绕组、第二绕组；所述的第一逆变器的直流侧通过二极管连接燃料电池，第一逆变器的交流侧连接第一绕组；所述的第二逆变器的直流侧连接动力二次电源，第二逆变器的交流侧连接第二绕组；所述第一逆变器、第二逆变器、燃料电池及动力二次电源共地；所述燃料电池的额定电压低于动力二次电源的额定电压；
所述的第一绕组的中性点通过第一控制开关、第二控制开关的配合连接到动力二次电源的正、负直流母线上；所述第一控制开关、第二控制开关有如下三种工作状态：第一控制开关断开、第二控制开关闭合，第一绕组的中性点连接到动力二次电源的负极，即状态A；第一控制开关闭合、第二控制开关断开，第一绕组的中性点连接到动力二次电源的正极，即状态B；第一控制开关、第二控制开关均断开，第一绕组的中性点与动力二次电源的直流母线断开，即状态C；
所述的第一绕组既可以作为常规的电机定子绕组使用，又可以作为升压电感使用，对应于所述系统的两种工作模式：双绕组驱动模式和单绕组升压单绕组驱动模式；
所述的双绕组驱动模式下，第一控制开关、第二控制开关处于状态C，第一绕组、第二绕组均作为常规的电机定子绕组工作，即第一绕组、第二绕组在第一逆变器、第二逆变器的控制下均流过交流电，产生旋转磁场驱动双源电机工作，双源电机的输出转矩为第一绕组、第二绕组与电机转子相互作用产生的转矩之和，燃料电池、动力二次电源分别通过第一逆变器、第二逆变器驱动双源电机，可以实现：燃料电池或动力二次电源单独驱动双源电机、燃料电池和动力二次电源共同驱动双源电机、燃料电池向动力二次电源充电、制动能量回收；
所述的单绕组升压单绕组驱动模式下，第一逆变器的三个上桥臂开关均闭合、三个下桥臂开关均断开，第一控制开关、第二控制开关在状态A与状态B之间反复切换，第一绕组通过第一控制开关和第二控制开关的交替闭合作为升压电感工作，第二绕组仍作为常规的定子绕组并在第二逆变器的控制下驱动电机正常运行，进而利用第一绕组构成升压电路实现燃料电池向动力二次电源的充电；
所述系统在实现燃料电池向动力二次电源充电时，若双源电机在高转速范围内运行，则采用双绕组驱动模式，并使第一绕组工作在电动状态，第二绕组工作在发电状态；若双源电机在低转速范围内运行，则采用单绕组升压单绕组驱动模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于双源电机的燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述逆变器中的开关及控制开关可以是绝缘门极双极型晶体管IGBT、电力金属氧化物半导体场效晶体管P-MOSFET或其他类型开关管。
3.根据权利要求1所述的一种基于双源电机的燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述动力二次电源可以是蓄电池或超级电容。
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