CN113465947A - 用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置，包括失速保护控制器、含备用电源的低压直流电源、第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和母排；失速保护控制器中设置了判断被测电机失速的转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值，安装有监测软件和控制软件，当监测到被测电机达到失速条件或电网停电时，控制被测电机控制器将被测电机的转速降至0，控制燃料电池系统停机，当监测到被测电机转速降至0时，控制第三直流接触器断开，当监测到燃料电池系统完全停机时，控制第一直流接触器、第二直流接触器断开，从而避免台架试验过程中因测功电机出现异常或电网停电导致失速对燃料电池汽车动力总成测试平台的损害。

Description

用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置及方法

技术领域

本发明属于燃料电池汽车动力总成测试平台失速保护领域，特别涉及用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置及方法。

背景技术

动力总成是电动汽车唯一的驱动动力来源，其性能以及控制的可靠性直接决定了电动汽车的可控性和安全性，所以需要大量台架试验进行验证。目前，台架试验使用的燃料电池汽车动力总成测试平台包括动力电池系统、燃料电池系统、DC\DC转换器、被测电机控制器、被测电机、测功电机和测功机控制系统，燃料电池系统与DC\DC转换器连接，将其产生的直流电由DC\DC转换器调整至符合要求的电压后通过被测电机控制器向被测电机提供电能，被测电机与测功电机通过联轴器安装在同一轴上，测功电机充当被测电机负载，安装被测电机与测功电机的轴上安装有转矩转速传感器，所述转矩转速传感器用于检测被测电机的转矩与转速，测功电机控制系统与测功电机连接，将测功电机发出的电力回馈到电网当中，动力电池系统用于接收燃料电池系统输出的富余电力和补充燃料电池系统输出电力的不足。

失速是指电机在非外力的影响下其转速出现异常的增加，从而导致系统出现不稳定的状态。在燃料电池汽车动力总成测试时，导致被测电机失速主要有两种因素。一是测功电机出现异常而造成被测电机瞬间失去负载，在系统的平衡被打破后，被测电机在电磁扭矩的驱动下转速飞速增加而带动测功电机转速飞升。二是电网停电导致测功电机失去控制，被测电机负载将急速降低或消失从而引发失速问题。被测电机失速，将对燃料电池汽车动力总成测试平台的安全构成极大威胁，目前采取的措施通常是切断燃料电池系统和动力电池系统向被测电机控制器供电，但此种措施显然存在反电动势损害被测电机寿命的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置及方法，以避免台架试验过程中因测功电机出现异常和电网停电导致失速对燃料电池汽车动力总成测试平台造成损害。

本发明所述用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置，包括失速保护控制器、含备用电源的低压直流电源、第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和母排；适用的燃料电池汽车动力总成测试平台包括动力电池系统、燃料电池系统、DC\DC转换器、被测电机控制器、被测电机、测功电机和测功电机控制系统，燃料电池系统与DC\DC转换器连接，被测电机与测功电机通过联轴器安装在同一轴上，安装被测电机与测功电机的轴上安装有转矩转速传感器，被测电机控制器与被测电机连接，控制被测电机的运动，测功电机控制系统与测功电机连接，将测功电机发出的电力回馈到电网当中；所述含备用电源的低压直流电源分别与第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器、失速保护控制器连接，用于在电网有电或停电时为它们提供低压直流电；所述第一直流接触器与母排和燃料电池汽车动力总成测试平台中的动力电池系统连接，所述第二直流接触器与母排和燃料电池汽车动力总成测试平台中的DC/DC转化器连接，所述第三直流接触器与母排和燃料电池汽车动力总成测试平台中的被测电机控制器连接，以导通或截断所述燃料电池系统向被测电机提供电力及导通或截断所述动力电池系统接收燃料电池系统输出的富余电力和在燃料电池系统提供的电力不足时，向被测电机补充供电；所述失速保护控制器通过信号线分别与含备用电源的低压直流电源及燃料电池汽车动力总成测试平台中的转矩转速传感器、燃料电池系统、被测电机控制器连接，通过三个结构相同的三极管电路分别与所述第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器连接，失速保护控制器用于设置判断失速的阈值，采集转矩转速传感器输出的被测电机转速、转矩信号并判断是否达到失速条件，采集含备用电源的低压直流电源输出的电网状态信号，当达到失速条件或电网停电时，控制被测电机控制器将被测电机的转速降至0，控制燃料电池系统停机，控制第一直流接触器、第二直流接触器和第三直流接触器断开。

上述用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置中，所述三极管电路由一个三极管和电阻R1、电阻R2、电阻R3组成；所述电阻R1的一端与三极管的集电极连接，另一端与直流接触器的电磁绕组连接；所述电阻R2的一端与三极管的基极连接，另一端与失速保护控制器连接；所述电阻R3的一端与三极管的基极连接，另一端与三极管的发射极连接。

上述用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置中，所述失速保护控制器优选单片机。

本发明所述用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护方法，步骤如下：

(1)在失速保护控制器中设置判断失速的转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值，并安装采集转矩转速传感器输出的被测电机转速、转矩信号和判断是否达到失速条件的软件，安装采集含备用电源的低压直流电源输出的电网状态信号的软件，以及安装达到失速条件或电网停电时，控制被测电机控制器将被测电机转速降至0，控制燃料电池系统停机，控制第一直流接触器、第二直流接触器和第三直流接触器断开的软件；

(2)电网有电时，电网输出的交流电为含备用电源的低压直流电源提供电能，通过含备用电源的低压直流电源将交流电转化为低压直流电为第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和失速保护控制器供电及向其所含备用电源充电；

失速保护控制器持续采集转矩转速传感器输出的被测电机转速、转矩信号和判断被测电机转速的突升、转矩的突降是否均达到设置的转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值，当被测电机转速的突升、转矩的突降均达到设置的转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值，失速保护控制器通过信号线同时持续向被测电机控制器发送将被测电机的转速降至0的指令、向燃料电池系统发送停机指令，收到上述指令后，被测电机控制器逐渐降低被测电机的转速，燃料电池系统逐渐降载，当失速保护控制器监测到被测电机转速降至0时，通过三极管电路控制第三直流接触器断开，当失速保护控制器监测到燃料电池系统完全停机时，通过三极管电路控制第一直流接触器、第二直流接触器断开；

(3)电网停电时，含备用电源的低压直流电源中的备用电源为第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和失速保护控制器供电，失速保护控制器通过信号线同时持续向被测电机控制器发送将被测电机的转速降至0的指令、向燃料电池系统发送停机指令，收到上述指令后，被测电机控制器逐渐降低被测电机的转速，燃料电池系统逐渐降载，当失速保护控制器监测到被测电机转速降至0时，通过三极管电路控制第三直流接触器断开，当失速保护控制器监测到燃料电池系统完全停机时，通过三极管电路控制第一直流接触器、第二直流接触器断开。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

1、由于本发明所述失速保护装置的结构及其失速保护控制器中安装的软件，因而使用本发明所述失速保护装置，在台架试验时，能实时获取燃料电池汽车动力总成测试平台中被测电机的转速和转矩，准确判断被测电机是否失速，及时获取电网是否停电，当被测电机达到失速条件或电网停电时，能控制被测电机控制器将被测电机的转速逐渐降至0，控制燃料电池系统逐渐降载直至停机，当监测到被测电机转速降至0时，能控制第三直流接触器断开，当监测到燃料电池系统完全停机时，能控制第一直流接触器、第二直流接触器断开，从而使测试平台达到有效保护，避免台架试验过程中因测功电机出现异常和电网停电导致失速对燃料电池汽车动力总成测试平台造成损害。

2、由于本发明所述失速保护装置中的失速保护控制器设置了判断失速的转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值，失速保护方法采用被测电机转速的突升、转矩的突降是否均达到设置的转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值来判断被测电机是否失速，因而可提高被测电机失速判断的准确性。

3、本发明所述失速保护装置结构简单，使用方便，因而易于推广使用。

附图说明

图1是本发明所述用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置的结构示意图；

图2是失速保护控制器通过三极管电路与直流接触器的连接示意图及三极管电路的电原理图；

图3是本发明所述失速保护装置中的失速保护控制器的控制信号连接示意图；

图4是含备用电源的低压直流电源的结构框图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明所述用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置及方法作进一步说明。

实施例1

本实施例中，用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置如图1、图3所示，包括失速保护控制器、含备用电源的低压直流电源、第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和母排；适用的燃料电池汽车动力总成测试平台包括动力电池系统、燃料电池系统、DC\DC转换器、被测电机控制器、被测电机、测功电机和测功电机控制系统。

所述失速保护控制器为单片机，市售商品，型号STMS32f103rct6。所述第一直流接触器、第二直流接触器和第三直流接触器为常开型单极直流接触器，市售商品，具体的规格、型号根据被测电机的工作电压及最大工作电流确定，主要要求是直流接触器主触头的额定电压应大于负载(负载包括被测电机及被测电机控制器)电压，主触头的额定电流应大于等于1.3倍负载额定电流。所述母排为导电体。

所述含备用电源的低压直流电源的结构如图4所示，包括微控制器、AC/DC转换器、DC/DC转换器、备用电源和开关电路；电网有电时，在微控制器的控制下，AC/DC转换器将电网的交流电转换为低压直流电为第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和失速保护控制器提供工作电流，并通过DC/DC转换器对备用电源充电；电网停电时，在微控制器的控制下，备用电源通过开关电路输出低压直流电，为第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和失速保护控制器提供工作电流。含备用电源的低压直流电源可自制，也可委托加工。

所述含备用电源的低压直流电源、第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和母排安装在一个箱体中，形成电气控制柜。

本实施例中，燃料电池汽车动力总成测试平台所含系统和构件的连接方式：燃料电池系统与DC\DC转换器连接，被测电机与测功电机通过联轴器安装在同一轴上，安装被测电机与测功电机的轴上安装有转矩转速传感器，被测电机控制器与被测电机连接，控制被测电机的运动，测功电机控制系统与测功电机连接，将测功电机发出的电力回馈到电网当中。

本实施例中，失速保护装置所含的失速保护控制器与失速保护装置所含的含备用电源的低压直流电源通过信号线连接，失速保护装置所含的失速保护控制器通过三个相同结构的三极管电路分别与所述第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器连接；所述三极管电路如图2所示，由一个三极管和电阻R1、电阻R2、电阻R3组成；电阻R1的一端与三极管的集电极连接，另一端与直流接触器的电磁绕组连接；电阻R2的一端与三极管的基极连接，另一端与失速保护控制器连接；电阻R3的一端与三极管的基极连接，另一端与三极管的发射极连接；失速保护装置所含的第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器均与失速保护装置所含的母排连接。

本实施例中，失速保护装置所含构件与燃料电池汽车动力总成测试平台所含系统和构件的连接方式：所述第一直流接触器与动力电池系统连接，所述第二直流接触器与DC/DC转换器连接，所述第三直流接触器与被测电机控制器连接；所述失速保护控制器通过信号线分别与转矩转速传感器、燃料电池系统、被测电机控制器连接；失速保护控制器用于设置判断失速的阈值，采集转矩转速传感器输出的被测电机转速、转矩信号并判断是否达到失速条件，采集含备用电源的低压直流电源输出的电网状态信号，当达到失速条件或电网停电时，控制被测电机控制器将被测电机的转速降至0，控制燃料电池系统停机，控制第一直流接触器、第二直流接触器和第三直流接触器断开。

实施例2

本实施例中，燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护方法使用实施例1所述失速保护装置，步骤如下：

(1)在型号STMS32f103rct6的单片机中设置判断失速的转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值，对于不同被测电机，转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值不同；在型号STMS32f103rct6的单片机中安装监测软件和控制软件，监测软件用于采集转矩转速传感器输出的被测电机转速、转矩信号和判断被测电机是否达到失速条件，以及用于采集含备用电源的低压直流电源输出的电网状态信号；控制软件在被测电机达到失速条件或电网停电时用于向被测电机控制器发布将被测电机转速降至0的指令，向燃料电池系统发布停机指令及控制第一直流接触器、第二直流接触器和第三直流接触器断开；

(2)电网有电时，电网输出的交流电为含备用电源的低压直流电源提供电能，通过含备用电源的低压直流电源将交流电转化为低压直流电为第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和型号STMS32f103rct6的单片机供电及向其所含备用电源充电；

型号STMS32f103rct6的单片机持续采集转矩转速传感器输出的被测电机转速、转矩信号和判断被测电机转速的突升、转矩的突降是否均达到设置的转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值，当被测电机转速的突升、转矩的突降均达到设置的转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值，型号STMS32f103rct6的单片机通过信号线同时持续向被测电机控制器发送将被测电机的转速降至0的指令、向燃料电池系统发送停机指令，收到上述指令后，被测电机控制器逐渐降低被测电机的转速，燃料电池系统逐渐降载，在被测电机降速和燃料电池系统降载的过程中，如果燃料电池系统输出的电力大于被测电机所需的电力，富余电力通过母排、第一直流接触器充入动力电池系统，如果燃料电池系统输出的电力小于被测电机所需的电力，动力电池系统通过第一直流接触器、母排、第三直流接触器向被测电机控制器补充供电，当型号STMS32f103rct6的单片机监测到被测电机转速降至0时，通过三极管电路控制第三直流接触器断开，当型号STMS32f103rct6的单片机监测到燃料电池系统完全停机时，通过三极管电路控制第一直流接触器、第二直流接触器断开；

(3)电网停电时，含备用电源的低压直流电源中的备用电源为第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和型号STMS32f103rct6的单片机供电，型号STMS32f103rct6的单片机通过信号线同时持续向被测电机控制器发送将被测电机的转速降至0的指令、向燃料电池系统发送停机指令，收到上述指令后，被测电机控制器逐渐降低被测电机的转速，燃料电池系统逐渐降载，在被测电机降速和燃料电池系统降载的过程中，如果燃料电池系统输出的电力大于被测电机所需的电力，富余电力通过母排、第一直流接触器充入动力电池系统，如果燃料电池系统输出的电力小于被测电机所需的电力，动力电池系统通过第一直流接触器、母排、第三直流接触器向被测电机控制器补充供电，当型号STMS32f103rct6的单片机监测到被测电机转速降至0时，通过三极管电路控制第三直流接触器断开，当型号STMS32f103rct6的单片机监测到燃料电池系统完全停机时，通过三极管电路控制第一直流接触器、第二直流接触器断开。

Claims (4)

1.一种用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置，所述燃料电池汽车动力总成测试平台包括动力电池系统、燃料电池系统、DC\DC转换器、被测电机控制器、被测电机、测功电机和测功电机控制系统，燃料电池系统与DC\DC转换器连接，被测电机与测功电机通过联轴器安装在同一轴上，安装被测电机与测功电机的轴上安装有转矩转速传感器，被测电机控制器与被测电机连接，控制被测电机的运动，测功电机控制系统与测功电机连接，将测功电机发出的电力回馈到电网当中，其特征在于该失速保护装置包括失速保护控制器、含备用电源的低压直流电源、第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和母排；

所述含备用电源的低压直流电源分别与第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器、失速保护控制器连接，用于在电网有电或停电时为它们提供低压直流电；

所述第一直流接触器与母排和燃料电池汽车动力总成测试平台中的动力电池系统连接，所述第二直流接触器与母排和燃料电池汽车动力总成测试平台中的DC/DC转化器连接，所述第三直流接触器与母排和燃料电池汽车动力总成测试平台中的被测电机控制器连接；

所述失速保护控制器通过信号线分别与含备用电源的低压直流电源及燃料电池汽车动力总成测试平台中的转矩转速传感器、燃料电池系统、被测电机控制器连接，通过三个结构相同的三极管电路分别与所述第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器连接，失速保护控制器用于设置判断失速的阈值，采集转矩转速传感器输出的被测电机转速、转矩信号并判断是否达到失速条件，采集含备用电源的低压直流电源输出的电网状态信号，当达到失速条件或电网停电时，控制被测电机控制器将被测电机的转速降至0，控制燃料电池系统停机，控制第一直流接触器、第二直流接触器和第三直流接触器断开。

2.根据权利要求1所述用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置，其特征在于所述三极管电路由一个三极管和电阻R1、电阻R2、电阻R3组成；所述电阻R1的一端与三极管的集电极连接，另一端与直流接触器的电磁绕组连接；所述电阻R2的一端与三极管的基极连接，另一端与失速保护控制器连接；所述电阻R3的一端与三极管的基极连接，另一端与三极管的发射极连接。

3.根据权利要求1所述用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护装置，其特征在于所述失速保护控制器为单片机。

4.一种用于燃料电池汽车动力总成测试平台的失速保护方法，其特征在于使用权利要求1至3中任一权利要求所述失速保护装置，步骤如下：

(1)在失速保护控制器中设置判断失速的转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值，并安装采集转矩转速传感器输出的被测电机转速、转矩信号和判断是否达到失速条件的软件，安装采集含备用电源的低压直流电源输出的电网状态信号的软件，以及安装达到失速条件或电网停电时，控制被测电机控制器将被测电机转速降至0，控制燃料电池系统停机，控制第一直流接触器、第二直流接触器和第三直流接触器断开的软件；

(2)电网有电时，电网输出的交流电为含备用电源的低压直流电源提供电能，通过含备用电源的低压直流电源将交流电转化为低压直流电为第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和失速保护控制器供电及向其所含备用电源充电；

失速保护控制器持续采集转矩转速传感器输出的被测电机转速、转矩信号和判断被测电机转速的突升、转矩的突降是否均达到设置的转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值，当被测电机转速的突升、转矩的突降均达到设置的转速上升速度阈值和转矩下降速度阈值，失速保护控制器通过信号线同时持续向被测电机控制器发送将被测电机的转速降至0的指令、向燃料电池系统发送停机指令，收到上述指令后，被测电机控制器逐渐降低被测电机的转速，燃料电池系统逐渐降载，当失速保护控制器监测到被测电机转速降至0时，通过三极管电路控制第三直流接触器断开，当失速保护控制器监测到燃料电池系统完全停机时，通过三极管电路控制第一直流接触器、第二直流接触器断开；

(3)当电网停电时，含备用电源的低压直流电源中的备用电源为第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和失速保护控制器供电，失速保护控制器通过信号线同时持续向被测电机控制器发送将被测电机的转速降至0的指令、向燃料电池系统发送停机指令，收到上述指令后，被测电机控制器逐渐降低被测电机的转速，燃料电池系统逐渐降载，当失速保护控制器监测到被测电机转速降至0时，通过三极管电路控制第三直流接触器断开，当失速保护控制器监测到燃料电池系统完全停机时，通过三极管电路控制第一直流接触器、第二直流接触器断开。

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