CN117295637A - 用于双逆变器ev传动系统中的燃料电池的直接集成的功率共享控制的系统和方法 - Google Patents

用于双逆变器ev传动系统中的燃料电池的直接集成的功率共享控制的系统和方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种双逆变器传动系统，所述双逆变器传动系统具有集成到电动车辆中的能量存储燃料电池。描述了一种使用功率共享控制方法来操作双逆变器传动系统的方法，所述方法允许在不折损电动车辆驱动系统的动态性能的情况下实现燃料电池的关键要求。特别地，表现出的是，即使在再生制动的情况下，这种控制方法也能确保来自所述燃料电池的单向功率传递，以及尽管马达扭矩瞬变是快速的，但是燃料电池功率的变化是缓慢的。

Description

用于双逆变器EV传动系统中的燃料电池的直接集成的功率共 享控制的系统和方法
交叉引用
本申请是2020年12月16日提交的名称为“SYSTEMS AND METH ODS FOR POWERSHARING CONTROL FOR DIRECT INTEGRATION OF FUE L CELLS IN A DUAL-INVERTER EVDRIVETRAIN”的美国申请号63/126412的非临时申请并且要求其所有权益(包括优先权)，该申请以全文引用方式并入本文。
技术领域
本公开的实施方案总体上涉及电动车辆领域，并且更具体地，实施方案涉及用于改进电动车辆中的燃料电池的直接集成的装置、系统和方法。
引言
采用电动汽车(EV)是减少交通部门碳排放的重要一步。现有的EV传动系统典型地由直流(DC)能源、三相两电平逆变器和三相牵引马达组成。DC能源通常是锂离子电池(LiB)，锂离子电池具有高能量和功率密度的电池。
由燃料电池(FC)供电的EV是现有LiB供电的EV的替代方案。将FC集成到EV传动系统的现有解决方案包括DC-DC转换器以将FC的低压DC输出连接到LiB的高压输出。
发明内容
EV中经常使用DC-DC转换器来集成燃料电池堆(FC)，因为直接集成FC在技术上非常具有挑战性(例如，直接集成是在没有特定功率电子转换器的情况下将FC集成到车辆传动系统中的方法，该功率电子转换器的唯一目的只是集成FC)，因为除其他原因外，FC具有有挑战性的电特性(例如，缓慢变化的功率基准、长启动时间)，这些电特性与在EV的正常操作期间出现的电要求(例如，在加速/减速时的快速扭矩响应、在再生制动期间快速吸收从EV牵引马达请求的功率)不一致。如本公开中所讨论，提出了一种不需要专用DC-DC转换器的改进方法。
例如，FC不能吸收功率，具有与LiB相比更低的输出电压，具有随着FC的负载增加而下降的输出电压，要求FC产生的功率保持高于最小值以防止不希望的关闭，并且要求限制所产生的FC功率的变化率，以降低损坏FC的风险。期望包括减轻或克服FC的一些限制的FC的EV传动系统。
替代方法的专用DC-DC转换器向EV的传动系统增加了不希望的重量、复杂性和体积。由于车辆的运动需要能量来移动车辆，因此增加的重量会导致车辆变得不太功率高效。增加的复杂性是不希望的，因为它增加了制造成本(尤其是磁存储级，诸如电感器)和维护成本，并且降低了车辆的可靠性。体积对车辆来说是额外价值，因为车辆有许多其他部件也会占用物理空间，并且DC-DC转换器对物理空间的任何使用都会消除EV在货物负载或乘客空间方面的承载能力。对专用DC-DC转换器的要求减少了对FC供电的EV的采用。由于FC供电的EV相对于具有内燃发动机机的车辆一般产生更少的排放(或无排放)，因此希望鼓励采用以帮助减少与车辆操作(例如，客运、货运)相关联的环境影响以及对自然环境和资源(例如，化石燃料)进行潜在保护。
因此，本文所述的技术方法提出了一种电路拓扑以及对应的控制方法和指令集(例如，计算机程序产品或机器程序产品)，其允许消除DC-DC转换器并准许直接使用FC作为双逆变器驱动器中的能量源中的一者。例如，另一个源可以是EV电池组(或EV超级电容器)。该方法利用控制从FC流出的功率的某些电特性的控制机制。虽然出于说明性目的描述了电池实施方案，但重要的是应注意，并非所有实施方案都因此受到限制并且电池可由其他类型的能量源替代，诸如超级电容器。
如在各种实施方案中所述，实施用于功率因数控制的控制方法，使得可遵守燃料电池的缓慢变化的功率基准，同时提供在EV的操作期间可能出现的某些情况下EV所需的快速扭矩响应。该方法尤其涉及避免危险操作条件以提高在操作EV时的安全性。
用于功率因数控制的控制方法实施起来在技术上有挑战性，因为需要适应电池能量源和FC能量源两者的物理限制。例如，控制方法应适应FC的有挑战性的电特性(例如，缓慢变化的功率基准、长启动时间)，而同时仍向马达提供所请求的功率。
本文提出的用于功率因数控制的控制方法包括控制FC输出电压矢量与AC马达定子电流矢量之间的角度，这可确保在操作期间从FC提取足够的功率。例如，可根据以下关系式来控制角度：
其中γ是FC的输出电压vFC之间的角度，是AC马达的定子电流，并且PFC是由FC产生的功率。
在示例实施方案中，FC的输出电压vFC的幅值可固定在其可通过线性调制实现的最大值，线性调制可提供更简单的控制方法。更简单的控制方法可提供更可靠且更便宜的传动系统。
该控制方法可用于确保即使在再生操作期间也能产生正的非零最小燃料电池功率，其中马达功率为负。例如，功率因数控制可适于保持燃料电池不必关闭，由于燃料电池的长启动时间，这是不希望的。
控制方法的技术实现可包括将磁通产生电流基准注入马达定子中，从FC功率基准提取功率以确保从FC提取正的非零最小FC功率，其中所需的马达电流矢量太小而无法提取所需的燃料电池功率。
这确保了在从电动车辆牵引马达请求的功率快速减少的情况期间，燃料电池功率的变化不会比其基准更快，因为不这样做可能会导致燃料电池损坏。
磁通产生电流基准可由下式定义：
其中iψ是注入的磁通产生电流基准，并且/>是所需的定子电流矢量幅值。
根据示例实施方案，将FC的输出电压vFC固定为可通过线性调制实现的最大值可能还需要注入较少量的磁通产生电流基准，以确保可满足燃料电池功率基准。
在另一个实施方案中，引入了将磁通产生基准注入马达的定子中的磁场减弱控制方法，以防止电池转换器饱和。磁场减弱控制方法限制电池电压矢量幅值以确保符合马达和燃料电池功率基准，以便不超过线性调制的限制。磁场减弱控制方法可帮助确定即使在高速下也能产生高质量的马达电流波形，从而减少马达中的损失和扭矩脉动。所提出的方法选择通过功率共享方法计算的磁通产生电流的最大值，以及磁场减弱PI控制器。因此，可满足电池转换器和燃料电池功率基准的线性调制的目标。
在示例实施方案中，控制方法的技术实施包括将被确定为防止电池逆变器饱和的磁通产生电流基准和确保可产生正的非零最小燃料电池功率的磁通产生电流基准中的最大值的最大磁通产生电流基准注入马达定子中。
在某些情况下，经由磁通产生电流基准将功率从FC传递到电池而不产生扭矩的控制方法的技术实施可减轻与FC的有挑战性的电特性相关联的挑战。例如，通过将功率从FC传递到电池，可防止FC关闭或者经历快速变化到需要输出的功率量。
所描述的系统可用于例如改进各种类型的EV，诸如机动车、汽车、船舶、飞机等。这对于使用率高的诸如卡车或公共汽车(在公路/高速公路上行驶)等车辆特别有用，因为使FC在主要的功率消耗方面可操作并将电池用于瞬态功率是有用的(例如，电池尺寸更小且大多数成本在FC上，而电池转换器上的损失更少)。
进行的损失分析表明，所描述的方法可用于提高FC电池混合动力车辆的驾驶循环效率。
能够使用两个较小的模块(例如，较低电压模块)而不是一个较大的模块可潜在地减少开关损失。
其他实施方案描述了使用不同类型的反馈控制器来控制调制方法和输入的特定控制方法。这些控制方法用于生成控制占空比、开关周期等的门控调制信号，从而使用一系列门控脉冲(例如，基于控制器检测到的基准值)来主动控制该方法的电特性。
设想了对应的方法、计算机程序产品、嵌入式固件和存储机器可解释指令的非暂时性计算机可读介质。本文描述的方法可以控制器电路的形式合并，该控制器电路可放置在车辆上并耦合到驱动系统、用于包括控制器电路的EV的传动系统、或具有如本文的各种实施方案中所述的传动系统的EV。本文描述的方法也可以驻留在电路部件上的软件或固件指令的形式合并，该电路部件可耦合到或用作使用逻辑门或其他电路来实现的控制器电路。
附图说明
在附图中，以示例方式示出了实施方案。应明确地理解，本说明书和附图仅出于说明目的并且作为对理解的帮助。
现在将参考附图仅以示例方式描述实施方案，其中在附图中：
图1A和图1B是传动系统拓扑的每个电路图。
图2是根据一些实施方案的包括燃料电池的双逆变器传动系统拓扑的电路图。
图3是根据一些实施方案的燃料电池电特性的曲线图。
图4是根据一些实施方案的与图2的电路等效的模型电路的电路图。
图5是根据一些实施方案的在旋转参考系中的在操作期间图2的电路的特性的矢量图。
图6是根据一些实施方案的用于控制图2的电路的示例控制机制的控制图。
图7是根据一些实施方案的说明图6的电流控制器(电流基准生成)的框图。
图8是根据一些实施方案的说明图6的电压控制器(电压基准生成)的框图。
图9是根据一些实施方案的说明在操作期间图2的电路的电流和电压椭圆的曲线图。
图10A、图10B、图10C、图10D分别是根据一些实施方案的说明在操作中图2的电路的每安培最大扭矩的图。
图11是根据一些实施方案的用于控制燃料电池功率基准生成的控制图。
图12示出了根据一些实施方案的说明模拟结果的曲线图。
图13A至图13B分别示出了根据一些实施方案的说明模拟结果的曲线图。
图14示出了根据一些实施方案的说明旋转参考平面中的模拟结果的曲线图。
图15A至图15B分别是根据一些实施方案的驾驶循环的曲线图和图15A的驾驶循环的损失比较的曲线图。
图16A至图16B分别是根据一些实施方案的另一个驾驶循环的曲线图和图16A的驾驶循环的损失比较的曲线图。
图17是实验设置的框图。
图18是根据一些实施方案的说明图17的测功机系统和电力电子转换器的电路示意图。
图19是根据一些实施方案的包含一组电迹线的曲线图，示出了发马达扭矩的阶跃变化增加。
图20是根据一些实施方案的包含一组电迹线的曲线图，示出了发马达扭矩的阶跃变化降低。
图21是根据一些实施方案的包含一组电迹线的曲线图，示出了马达在仅有FC而没有电池的情况下从马达运行到再生的转变。
图22是根据一些实施方案的包含一组电迹线的曲线图，示出了在将速度降低至停止点时的系统功率递送。
图23是根据一些实施方案的在以较高速度操作期间的包含一组电迹线的曲线图。
图24是从图12至图14示出其结果的模拟的γ参数(燃料电池电压与马达电流矢量之间的角度)的曲线图。
具体实施方式
本文描述了根据一些实施方案的系统和方法，所述系统和方法将燃料电池(FC)集成为用于为电动车辆(EV)提供动力的双逆变器驱动器中的两个能量源中的一者。通过将FC直接集成到传动系统中，避免了在专用FC直流(DC)-DC转换器所需的附加磁能存储级的重量和体积。
引入了一种在FC电源与第二电源(例如，锂离子电池(LiB))之间共享功率的方法，该方法可允许调制双逆变器驱动器以防止FC吸收功率，补偿具有与第二电源相比更低的输出电压并且具有随着FC的负载增加而下降的输出电压的FC，确保由FC产生的功率保持高于最小值以防止FC关闭，并且将由FC输出的功率的变化率控制成有限的，以降低损坏FC的风险。两个逆变器都进行调制以确保FC与其基准功率相匹配，并且马达能够以正确的功率操作。
根据一些实施方案，存在可单独使用或以各种组合使用的本文描述的多种不同方法。
第一方法包括实施功率因数控制以确保可同时满足马达功率和燃料电池功率基准。通过使用功率因数控制来遵循FC的缓慢变化的功率基准，FC可集成到传动系统中，而不会影响EV所需的快速扭矩响应。
第二方法包括注入磁通产生电流基准，以确保在所需的马达电流矢量太小而无法提取所需的燃料电池功率的情况下，可满足燃料电池功率基准。注磁通产生电流基准确保在从电动车辆牵引马达请求的功率快速减少的情况期间，燃料电池功率的变化不会比其基准更快。不这样做可能会导致燃料电池损坏。在双逆变器配置中在FC电源与第二电源之间共享功率的方法可包括燃料电池转换器功率因数控制，其确保即使在再生操作期间也产生正的非零最小燃料电池功率，其中马达功率为负。FC转换器功率因数控制保持FC不必关闭，由于燃料电池的长启动时间，这是不希望的。
第三方法包括实施磁场减弱控制方法，在确保符合马达和FC功率基准所需的第二电源电压矢量幅值超出线性调制的极限的情况下，该磁场减弱控制方法可防止第二电源转换器的饱和。即使在EV以高速操作的情况下，磁场减弱控制方法也可实现高质量的马达电流波形产生，由此减少马达中的损失和扭矩脉动。
现有方法包括具有DC-DC转换器的电动传动系统，以将FC(替代地称为燃料电池电源)的低压DC输出连接到LiB的高压输出，以便确保从FC提取单向功率流。DC-DC转换器用于解决FC的缺点，即，与电池相比，由FC产生的功率是单向的(FC无法吸收功率)，与EV电池组相比，FC堆典型地具有更低的输出电压，输出电压随着FC的负载增加而下降，由FC产生的功率必须在整个驾驶循环内保持高于某个最小值以确保FC不会关闭，并且为了降低损坏FC的风险，必须限制燃料电池功率的变化率。
然而，DC-DC转换器增加了传动系统的重量和复杂性。DC-DC转换器需要采用电感器或变压器的形式的磁能存储级。这些装置的额外质量和体积在EV中是不希望的。在非限制性说明性示例中，如果观察混合动力车辆(例如，2010Toyota Prius HybridTM)的部件，虽然这不是燃料电池车辆，但它确实使用了低压电池组，该低压电池组在逆变器DC链路处经由DC-DC转换器提升到更高的电压。因此，它是与本文描述的必须要求DC-DC转换器的情况非常相似的配置。DC-DC转换器使用5.1kg的重量和4.8L的体积。
与使用DC-DC转换器(例如，升压转换器)将FC集成到EV传动系统中的一些现有方法相比，能够在没有(例如，不一定包括)DC-DC转换器的情况下操作的所提出的双逆变器方法在模拟中已经表明潜在更高的能量效率，在示例实施方案中，这仍减轻或缓解FC的一些或所有缺点。
在双逆变器配置中在FC电源与第二电源之间共享功率的所提出的方法的特征将在下面参考附图进一步详细描述。本文还描述了多种变体，包括若干不同的实施方案和方法。
图1A和图1B分别是传动系统拓扑的电路图。图1A示出了双逆变器传动系统拓扑100，而图1B示出了包括燃料电池的第二传动系统拓扑102。
拓扑100使用三相开放式绕组牵引马达以及两个逆变器和DC能量源。
这种方法可适应传动系统中的更高电压的马达(由此增加速度范围)，从而增加传动系统的冗余，并且通过利用消除施加到马达绕组的共模电压的先进调制技术来提供减少轴承电流的可能性。
双逆变器传动系统(例如，拓扑100)的附加益处是可以在每个逆变器的DC链路上使用不同的能量存储技术。先前一直研究的一种方法是在一个DC链路上使用超级电容器并且在另一个DC链路上使用锂离子电池。已经开发出允许超级电容器供应和吸收在驾驶循环期间产生的峰值功率以便限制电池的过度充电和放电的能量管理策略。
如本文所述，要解决的挑战涉及将燃料电池作为能量源进行集成。由于FC的不同操作特性，难以确保FC可始终满足其基准，并且本文提出了许多不同的实践方法来解决这一技术挑战。
图2是根据一些实施方案的双逆变器传动系统200的电路图。
双逆变器传动系统200包括与FC 208(例如，氢燃料电池)相关联的逆变器202，FC208被集成到双逆变器传动系统200中。双逆变器传动系统200还包括与锂离子电池210相关联的逆变器204。FC 208和锂离子电池210一起经由相应的逆变器来提供功率，以便为用于移动EV的马达206提供动力。
FC建模
FC(诸如FC 208)的端电压可被描述为开路电压，该开路电压在负载条件下通过由于被称为极化的现象而发生的电压降而降低。
FC端电压随负载电流而变的分析模型再现如下：
在这个等式中，A是堆的开路电压，而B，C，D和E是与FC结构相关的参数。在这项研究中，使用的FC模型是基于Ballard FCMove燃料额定70kW的聚合物电解质膜(PEM)FC堆。此FC的参数以及用于对其建模的ABCDE系数在表1中示出。
图3是根据一些实施方案的FC特性的曲线图300。
FC(例如，FC 208)可以是Ballard FCMoveTM燃料额定70kW的PEM FC堆，并且曲线图300示出了所述FC的电压对电流特性连同FC功率随电流而变。
表1给出了图3所示的FC的参数：
参数 描述 值
Pr 最大功率 70kW
PFCmin 最小功率 8kW
VFCmin 最小电压 250V
VFCmax 最大电压 500V
IFCmax 最大电流 240A
A 建模参数 520.8
B 建模参数 104.9
C 建模参数 69.57
D 建模参数 0.0386
E 建模参数 30
双逆变器驱动器的分析
双逆变器驱动器中的马达相电压(诸如双逆变器驱动器200中的马达206的马达相电压)可导出如下：
vas＝va1g1+va2g2+vg1g2 (2)
vbs＝vb1g1+vb2g2+vg1g2 (3)
vcs＝vc1g1+vc2g2+vg1g2 (4)
其中各项的下标与图2所示的位置一致。
然后可应用Clarke变换来计算马达相电压的静止αβ参考系分量：
如果将等式(1至3)代入(5)，则从vα和vβ的值中消除共模电压vg1g2。vα和vβ可被分组为与调制连接到FC的逆变器(例如，连接到FC 208的逆变器202)和连接到电池的逆变器(例如，连接到二次电源210的逆变器204)相关的项，如下：
vα＝vαFC+vαBat (6)
vβ＝vβFC+vβBat (7)
对于给定的转子位置θ，可通过将dq0电压与旋转矩阵相乘来获得旋转αβ0参考系电压：
vd和vq的值也可用与每个逆变器相关的分量来表示：
vd＝vdFC+vdBat (9)
vq＝vqFC+vqBat (10)
图4是根据一些实施方案的与图2的电路等效的模型电路的电路图。
永磁同步马达(PMSM)的两轴模型在400中示出。通过求解围绕每个电路的基尔霍夫电压定律，可写出以下等式：
其中ωe是马达的电频率，并且ψm是其永磁转子磁通链。最后，由PMSM产生的电磁扭矩可由下式给出：
其中p是马达极对的数量。
控制方法
图5是根据一些实施方案的在操作期间双逆变器系统200的特性的矢量图500。
定子电流矢量502可用它在旋转参考系(dq轴，分别经由id和iq)上的投影502A和502B以及它在扭矩和磁通产生参考系(Tψ，分别经由iT和iψ)上的投影502C和502D来表示。此描述可适用于凸极PMSM，其中q和d轴不专门用于扭矩和磁通产生。定子电流矢量502相对于d轴504的角度被定义为φ。
在500中还示出了定子电压矢量506以及由连接到燃料电池/>508和电池/>510的两电平逆变器产生的电压矢量。定子电压506与电流矢量之间的角度被定义为θ，而燃料电池电压矢量508与定子电流矢量502之间的角度被称为γ。/>508与d轴504之间的角度被定义为∈。
图6是根据一些实施方案的图2的双逆变器驱动电路的控制图600。控制图600示出了用于生成电流基准的电流控制器602、用于生成电压基准的电压控制器604以及相应的电池调制控制器608和FC调制控制器606。在图6中，示出了控制电路，由此通过基于由控制器获得的总电压基准确定燃料电池和电池的期望电压基准来控制角度γ。
在第一示例中，对于给定的操作点，假设不需要任何电流注入，并且能够使用该电流值生成燃料电池基准功率。在这种情况下，第一框(即，MTPA)将为期望的扭矩量生成一些电流基准。
电流基准生成框602将不做任何事情(它在需要注入时操作)。中间的部分是减法的圆圈，即，PI框，这些是控制器，并且对于一定量的直流和正交电流，这些控制器将计算直流和正交轴上有多少电压需要施加到马达。
电压基准生成框604将计算到燃料电池转换器和电池转换器的电压(直流和正交)的分配。它基于FC的功率基准以及FC、电池的测量电压和测量到的直流和正交电流来这样做。电压基准生成块604然后输出基准，然后在那个点，存在将这些基准转换为用于那些转换器的电力电子器件的门控信号的调制块。
就γ而言，γ实际上是燃料电池电压与马达电流矢量之间的角度。马达电流矢量基于用户请求多少扭矩而变化，并且随着604的其他输入变化，系统调整vdfc和vqfc以改变γ/改变Pfc，从而调整电池功率以便提供马达要求的功率与FC要求的功率之间的差异。
电流基准生成
图7是说明图6的电流控制器602的框图700。框图700描述了根据示例控制方法操作的电流控制器602的组成过程和元件。
框图700还示出了根据示例实施方案可如何生成磁通产生电流基准(在FC功率基准大于马达功率的情况下，以及在需要磁场减弱以防止电池转换器饱和时)。
在PMSM中，假设每安培最大扭矩(MTPA)操作的所需定子电流矢量502幅值可以是：
其中Im是双逆变器传动系统200的电流极限。可能存在不是由磁体引起的扭矩的另一个分量(例如，由于凸极引起)，并且这可能在等式(14)中缺失。该分量称为磁阻扭矩，这将是要从等式(14)简化的另一个因数，例如，等式(14)可能会产生对于给定扭矩而言过大的电流矢量幅值。
对于所需电流矢量502，d轴MTPA电流可从下式获得：
q-轴(图5中的轴512)MTPA电流然后通过下式找到：
这些d和q轴MTPA电流将施加MTPA电流矢量角(使用四象限反正切)：
由于MTPA电流矢量仅沿着500的T轴，因此φm表示d轴504与T轴之间的角度。磁通产生电流将与成φm弧度角。旋转方向取决于电磁扭矩基准的符号，并且可由下式给出：
dq电流基准的生成
PMSM的电功率可在dq系中表达为：
可能需要FC在操作期间始终提供一定的输出功率(PFCmin)以确保它不会关闭，并且因此希望在Ptot＜PFCmin时控制双逆变器驱动器200以避免关闭。
由燃料电池转换器在MTPA条件下产生的功率可获得为：
其中是FC电压矢量的幅值，/>是MTPA操作的定子电流矢量幅值，γ是这两个矢量之间的角度。
从(20)很清楚的是，PFC可通过电压矢量和电流矢量的幅值或它们之间的角度来控制。在示例性实施方案中，双逆变器驱动器200以其可用线性调制实现的最大值操作，由下式给出：
这种方法的附加益处可以是在太小时传递功率所需的定子电流注入将减少。
如果将(20)至(21)组合，则可能推导出燃料电池电压与定子电流矢量之间应存在的角度γ：
应注意，当(22)的自变数具有大于1的幅值时，γ是虚数。这种情况表明电流矢量的幅值太小而无法产生所请求的FC功率。在这种情况下，确保可产生所请求的燃料电池功率所需的iψ注入是(使用复共轭)：
等式(23)描述了在燃料电池功率基准大于马达功率的情况下如何产生磁通产生电流。一旦已知这个基准，有助于这个所需的磁通产生电流的d和q轴电流就可导出为：
基于特定磁通产生电流和驱动电流极限的扭矩产生的最大可用电流可由下式给出：
其中Im是驱动系统的电流极限。然后可通过经由的值将MTPA电流矢量长度饱和来找到所需的扭矩产生电流：
使用此值，扭矩产生电流的最终dq分量被表达为：
并且dq参考系中的电流基准是：
电压基准生成
图8是根据一些实施方案的说明图6的电压控制器604的框图800。
框图800示出了用于基于FC 208的功率要求为二次燃料源和燃料电池逆变器(分别为204和202)生成dq系电压基准的控制方法。然后可使用测量的id和iq值来计算FC电压与定子电流矢量之间用于功率共享的所需角度γ：
根据一些实施方案，等式(32)描述了如何导出FC电压矢量508与定子电流矢量502之间的角度。FC电压矢量508相对于d轴504的角度可由下式给出(使用四象限反正切)：
然后可通过下式获得FC电压矢量508的所需dq分量：
然后可从(9)和(10)计算来自电池逆变器204的所需dq电压。
可使用磁场定向控制，其中通过额外的计算来确保FC跟踪其功率基准，而不管双逆变器驱动器200的扭矩基准所请求的总功率如何。在驱动器请求的功率小于FC功率基准的情况下，这可通过请求注入iψ来实现。iψ的引入允许从FC到电池的功率传递，而没有相关联的扭矩产生。
磁场减弱控制
鉴于燃料电池逆变器202已被限制为在其最大调制指数下以vdBat和vqBat的值可能超过线性调制的极限的较高速度操作。因此，当电池电压基准大于线性调制的极限时，磁场减弱控制器可用于生成磁通产生电流基准
磁场减弱控制器可以是比例积分(PI)调节器(例如，图7的PI调节器702)，该PI调节器输出磁通产生电流幅值基准最终，将/>和通过功率共享控制方法在(23)中计算的磁通产生电流(在700中定义为/>)中的最大值选择作为最终的磁通产生电流基准，并且在(24至26)中使用。
再生对操作极限的影响
在再生操作期间，马达电压矢量和电流矢量之间的角度将大于π弧度以确保从马达206吸收有功功率。然而，燃料电池电压矢量508和马达电流矢量之间的角度必须小于π弧度，以确保继续从燃料电池208提取有功功率。这些对燃料电池电压矢量508和马达电压矢量的矛盾要求将对电池逆变器204的电压极限施加困难的约束。
电池逆变器204的线性调制的电压极限可由下式给出：
以上等式可重新排列为以下形式：
其可重新排列为：
以上等式的右手边可称为考虑到这一点，可重新排列以上等式以给出椭圆的等式：
椭圆具有固定的中心点，但长轴和短轴会基于燃料电池d和q分量的相对符号而变化。
这种现象可通过图9最好地说明，该图是根据一些实施方案的说明在操作中图2的电路的电流和电压椭圆的曲线图900。
在900中可看到两种情况：情况902，其中示出了驱动电压和电流极限，其中马达206以基本驱动速度操作并且燃料电池电压矢量完全支持马达电压矢量；以及情况904，其中在燃料电池电压和马达电流矢量之间存在60度偏移。在这两种情况下，马达电压矢量都是1∠120pu，而马达206被定义为以基本速度(进入磁场减弱的速度)操作。对于此示例，最大燃料电池和电池电压矢量长度是0.5pu。
在第一情况902下，燃料电池和电池电压矢量都具有0.5∠120pu的值。对于第二情况904，燃料电池电压矢量具有0.5∠180pu的值。由于这种情况下的燃料电池和马达电压矢量的角度差异，在曲线图900中包封可达到该操作点的dq电流值的椭圆的面积减小。这表明每当燃料电池和马达电压矢量不指向同一方向时，可实现的最大扭矩产生电流就将减少。这种情况典型地发生在再生操作期间。
702中示出的磁场减弱控制器通过请求使用增加的磁通产生电流的幅值来处理在再生期间减小的操作电压范围。
矢量图
图10A至图10D分别是根据一些实施方案的说明在操作中图2的电路的每安培最大扭矩的曲线图。曲线图1000A示出了所提出的电流共享控制方法在加速期间的性能，其中总驱动请求功率大于燃料电池最小功率(PFCmin)。曲线图1000B示出了所提出的电流共享控制方法在加速期间的性能，其中总功率小于PFCmin。曲线图1000C示出了所提出的电流共享控制方法在减速期间的性能，其中总功率大于PFCmin，并且曲线图1000D示出了所提出的电流共享控制方法在减速期间的性能，其中总功率小于PFCmin。
另外地，曲线图1000A至1000D示出了电流注入从矢量角度看可能是什么样子。
为了表示的清楚起见，这些曲线图1000A至1000D是基于以下假设绘制的：研究中的马达206没有凸极或定子电阻并且因此定子电压降可由jωLs|Is|表示，其中Ld＝Lq＝Ls。
在曲线图1002中，使用(32)来计算递送所请求的燃料电池功率所需的角度γ。对于曲线图1004，定子电流矢量|Is|的幅值太小而无法生成PFCmin，因此注入附加的磁通产生电流。曲线图1006是曲线图1002的镜像，除了燃料电池电压矢量由于需要保持正q而指向负PFCmin方向。此约束导致需要更大的电池电压矢量幅值|Vbat|。曲线图1008是曲线图1004的镜像，因为注入附加的磁通产生电流以便确保|Is|足够大以确保可从燃料电池中提取PFCmin。
模拟
车辆建模
可执行通过EV的物理参数对施加在马达206上的机械负载进行建模，以得出对功率共享控制方法在操作模型双逆变器传动系统200中的功效的评估。所提出的方法用于确定EV的可应用于马达206的轴(例如，PMSM轴)的等效惯量。
首先，可根据下式确定EV的等效质量：
me＝(1+0.04+0.0025G2)m (40)
其中m是实际车辆质量，并且G是传动比。
EV车轮处的转动惯量可根据下式来计算：
其中rw是EV车轮半径。
最后，马达206的轴处的等效惯量可从下式找到：
模型双逆变器传动系统200中使用的负载扭矩可基于EV因滚动摩擦和空气阻力而遇到的机械损失来计算：
PL＝v[v2(0.5ρCdAf)+Crmg] (43)
其中v是EV速度，Cd是阻力系数，ρ是空气密度，Cr是滚动摩擦系数，并且g是重力加速度。
然后可通过下式计算所需的负载扭矩：
图6中描述的电流控制器602使用的电磁扭矩基准可通过下式获得：
其中aEV是EV的加速度。
燃料电池功率基准
图11是根据一些实施方案的用于控制燃料电池功率基准生成的控制图1100。
燃料电池功率基准可基于电磁扭矩基准和马达206的效率曲线来生成。低通滤波器可用于减慢燃料电池功率基准的动态，并且该滤波器的输出可被限制在FC 208可实现的功率界限内。如在燃料电池建模部分所述，燃料电池的最小功率被限制为8kW。
如在图800中可看出，当计算施加在定子电流和燃料电池电压矢量之间的所需角度γ时，功率共享控制方法利用燃料电池功率基准。
模拟结果
表2示出了在模拟双逆变器传动系统200中使用的参数。
参数 描述 值
p 马达极对 5
Ld 马达d轴电感 0.943mH
Lq 马达q轴电感 0.73mH
ψm 马达磁体磁通链 0.127Wb
Rs 马达定子电阻 45mΩ
Im 马达定子电流极限 220A
Vbat 标称电池电压 400V
Rbat 电池串联电阻 100mΩ
fsw 开关频率 10kHz
Jem 等效惯量 3.162kgm2
Af 车辆前部区域 2.3m2
rw 车轮半径 0.316m
G 车辆传动比 7.94
m 车辆质量 2000kg
Cd 空气阻力系数 0.417
Cr 滚动阻力系数 0.009
τFC FC控制器时间常数 1s
通过执行使车辆加速一秒、巡航两秒然后减速一秒的序列来评估功率共享控制方法的性能。本研究中EV的初始巡航速度是100km/H。
图12示出了根据一些实施方案的说明模拟结果的曲线图1202、1204和1206。曲线图1202示出了模拟中使用的模型车辆加速，并且曲线图1204示出了由模拟双逆变器传动系统200产生的电磁扭矩，并且曲线图1206示出了所得的EV速度。
图13A至图13B分别示出了根据一些实施方案的说明模拟双逆变器传动系统200的模拟结果的曲线图1300A和1300B。
曲线图1300A示出了整个模拟过程中锂离子电池210和FC 208的电压(分别示出为vBAT和vFC)。在整个模拟过程中，FC 208的电压以缓慢的变化率(例如，逐渐的，以秒为单位变化)改变。相反，电池210的电压在t＝1s和t＝3s左右表现出更高的变化率(例如，更快，以毫秒为单位)，这对应于曲线图1200中示出的加速度曲线的变化。其原因可通过观察曲线图1300B来理解，该曲线图示出了电池210功率、FC 208功率和FC 208功率基准(分别示出为PBAT、PFC和P* FC)。FC 208功率跟踪缓慢变化的FC 208功率基准，该基准是使用图11所示的控制设备生成，该控制设备利用低通滤波器(具有1s的时间常数，如表2所示)。相反，电池210功率在1s和3s的时间左右快速变化，这使得曲线图1204中所示的电磁扭矩曲线能够具有快速瞬变。
在3s之后的时段内，尽管马达206的电磁扭矩(在曲线图1204中示出)变为负，但仍保持正的FC 208功率，这意味着马达206功率为负，因为EV速度仍大于零。
图14示出了根据一些实施方案的说明旋转参考平面中的模拟结果的曲线图1402、1404和1406。马达206的模拟dq系电流连同由电池逆变器204和燃料电池逆变器202产生的dq电压一起在曲线图1402中示出，其中曲线图1404示出了FC和电池d轴电压，而曲线图1406示出了燃料电池和电池q轴电压。
在图14所示的这个示例中，电池电压和马达操作速度的组合足够高而需要磁场减弱。
这种速度的示例将是在公路或高速公路操作期间。
在加速(0s到1s)和减速(3s到4s)时段期间，请求很大一部分d轴电流，因为马达206在磁场减弱区域内。在巡航时段期间，不要求磁场减弱，因此d轴电流随着功率共享控制方法缓慢地降低磁通产生电流要求而逐渐减小，以确保燃料电池功率以其基准规定的变化率降低。dq电池和燃料电池电压的分配根据800中示出的方法来实现，并且确保遵守驱动器和燃料电池两者的功率要求。
图17示出了实验设置。
顶部部分是模拟EV的牵引马达的测功机系统的图片，该测功机系统用于测试不同的驾驶结果/状态。测功机系统包含向控制器提供信息的旋转变压器(位置传感器)。扭矩换能器上有附加的传感器，以用于在测试期间监测马达的扭矩和速度。
图17的底部部分是电力电子转换器的图片，其包含连接到控制器(例如，TIF28379D)的电流和电压传感器，该控制器基于与测量的电流或电压成比例的电流或电压信号来做出决定。可对电力电子转换器实施各种实施方案。
电力电子转换器电耦合到测功机系统的TM4(通过六个Infineon HP1连接)、两个双向电压源(图片中未示出)、一个用于模拟电池的双向电压源，以及另一个用于模拟燃料电池的双向电压源。
图18是图17的实验设置的电路示意图。六根电线对应于在图17中找到的InfineonHP1连接。添加Inmotion ACH Gen2逆变器(图17中未示出)用于有效地模拟车辆将经历的牵引负载。
图19示出了在发马达扭矩从大约10Nm到大约20Nm(大约由于对马达电流的控制而不是实验设置中的扭矩本身，9至18Nm也是可能的)的命令阶跃变化增加(由虚线1902指示)期间的一组电迹线。
通道1和2分别示出了电池电流和FC电流。通道3对应于来自马达相位中的一者的电流，它随着扭矩(在通道4处示出)一起增加。在扭矩增加之前通道1和2的稳定电迹线示出了来自电池和FC的恒定电压，这与实际功率成正比。随着扭矩的增加，电池功率迅速地增加，而FC功率缓慢地增加。可观察到，即使扭矩具有快速响应，它也在不到500ms的时间内达到新的设定点。
观察通道3，示出了来自马达相位中的一者的电流，因此观察到在转矩上升的同时极快地上升表明系统正在快速增加转矩，从而表明马达具有快速扭矩控制并且该方法可动态地控制车辆，同时对FC进行缓慢控制。重要的是要考虑到，FC永远不会吸收功率，即使在发电期间等也是如此，并且这就是为什么很难实现只有FC的汽车的原因，因为没有地方来发送能量(例如，如果向FC发送能量，则它将被损坏，并且这可潜在地导致装置的损失)。如果FC被损坏，则在那之后它可能无法使用，并且在一些应用中，设计者只是调整系统以改为燃烧能量(例如，使用“制动电阻器”来燃烧能量)。该方法有助于提高安全性，以确保操作条件保持在燃料电池的操作界限内。
在实验中，模拟FC基准的方法是使该功率基准成为车辆的要用作基准模拟的机械基准的低通滤波器。在实际实施中，可基于FC本身(例如，车载监测装置)或来自车辆控制单元(例如，VCU/ECU)的命令来获取FC基准，而不是基于仿真。
图20示出了一组类似的电迹线，除了是在发马达扭矩的命令阶跃变化减少(由虚线2002指示)期间。与通道1处示出的电池电流相比，在通道2处示出的FC电流缓慢地斜降。与图19中的扭矩增加相比，马达电流(通道3)在此曲线图中没有阶跃变化。相反，马达的电流因包括附加的无功分量而逐渐地斜降，以确保可获得特定量的FC功率。
在图20中，附加的无功分量涉及注入的分量，该注入的分量在一些实施方案中是任选的，但是可用于确保FC功率可以受控方式降低。如果没有无功分量，则将更快地下降，而不是平滑斜降。无功分量允许减少逐步降低。
FC可产生的最大功率受通道3迹线的大小限制。在扭矩瞬变之后，如果通道3轨迹出现降低，类似于先前的图像出现提升，则在发生降低的时刻，存在对可提供的最大FC功率的极限。
另一方面，在增加速度时不需要附加的无功分量，因为通道3迹线在增加，并且系统在增加FC功率的极限。即使在极限更高的情况下，该方法也可使用控制来进行控制，使得不会立即达到该极限。然而，当减少时，如果不采取措施来添加通道3的迹线，则可达到的操作极限基本上处于极限，并且可能会降低性能。
图21包含另一组电迹线，示出了从马达运行到再生的马达转变，这有效地模仿制动的动作。虚线2102位于通道4的中点，这将马达运行阶段(中点之前)和再生阶段(中点之后)分开。即使在制动瞬变的情况下，FC的电流仍保持为正(通道2)，而电池的电流变为负(通道1)。这表明当电池在再生时，FC继续供电。
在转变之前FC电流的小跳跃可能是由于非理想情况或控制参数，但可被认为是可忽略不计的。
图22示出了对应于系统功率递送降低直到停止点的一组电迹线。马达的速度由通道4表示，并且由扭矩换能器测量。随着马达频率降低，FC电流仍保持为正，并且电流的幅值不会发生很大变化(通道2)。在降低期间，电池从FC吸收一些功率(通道1)。
图23包含在以高速(2000至2650RPM)操作期间的一组电迹线。在高速下，马达请求比电池能够提供的电压更高的电压。通道2的电迹线表明FC可有效地保持其功率而变化很小。通过使从马达产生的扭矩斜降，可在遵守FC功率基准的同时达到更高的速度。
实验结果
所提出的算法在图17所示的实验设置上得到验证。将表2中描述的TM4 HSM60马达用作开绕式PMSM，它机械地联接到充当负载机器的Parker GVM210马达。TM4马达由双逆变器原型控制，该双逆变器原型由两个Infineon Hybridpack 1三相牵引模块构成。在TexasInstrumentsTM F28379D微控制器上实现功率共享机制。ParkerTM机器由InmotionTM ACHGen2逆变器控制，该逆变器被配置为在速度控制模式下操作。图18示出了实验设置的电路图。虽然此设置用于实验，但申请人指出还有其他可能的方法。
图18中所示的DC电压源vFC和VBat通过双向DC电源来实现。对于实验，将vFC的值设置为恒定的150V，而将VBat的值设置为200V。剩余的实验参数在表3中示出：
参数 描述 值
vFC 燃料电池电压 150V
vBat 电池电压 200V
vdc 负载逆变器DC电压 300V
Cdc1，Cdc2 DC链路电容 500μF
PFCmin 最小燃料电池功率 250W
τFC FC控制器时间常数 1s
fsw 开关频率 10kHz
恒定速度下的扭矩瞬变
在这个部分，测功机(Parker)马达在速度控制下操作，其中固定基准为1000rpm。在第一实验中，以这个速度对TM4马达进行从10Nm到20Nm的扭矩基准的阶跃。图19示出了该实验的结果，其中扭矩瞬变发生在记录后的五秒。通道1是FC的电流(150V源)，通道2是电池的电流(200V源)，通道3是TM4马达的A相电流，并且通道4是由扭矩换能器测量到的实验系统的轴扭矩。在扭矩步骤之前，FC具有7A的电流(对应于PFC＝1050W)，而电池具有0A的电流(表明FC供应所有机械功率)。
在5秒时发生扭矩阶跃之后，电池电流迅速上升至6.5A的峰值，从而表明电池递送的峰值瞬态功率为1300W。相比之下，FC电流缓慢地斜升(由于τFC值为1s)，从而在扭矩瞬变后五秒达到最大值13.5A(对应于2025W的FC功率)。此时电池电流衰减为零，从而表明所有稳态功率均由FC供应。在此操作期间，使用功率因数控制来控制马达电流和燃料电池电压矢量之间的角度，如在以上实施方案中所述。
马达电流具有提升，并且作为引起缓慢功率变化的控制方法，该方法包括在功率上升的时刻以更大的角度打开，并且在经过了足够的时间以便燃料电池达到其稳态值后缓慢地将其恢复到当前稳态功率。这样使得系统不会过快地改变功率。
在该方法包括降低马达功率的情况下，目的将是使FC功率在更长的时间内保持较高，然后缓慢地斜降，在这些情况下，角度将设置为0，比如说甚至处于0角度，系统仍然无法产生足够的功率，并且在变体实施方案中，系统被控制来注入无功电流以满足我们缓慢降低的功率基准。
例如，在该实施方案中，检测到角度下降到0，即，系统将模式切换到注入模式。一旦系统达到稳定状态，它将达到稳定的γ值并保持在那里直到发生变化，即，加速或减速，并且这就是γ再次改变的时候。
在扭矩瞬变时，TM4马达A相电流(通道3)观察到幅值的阶跃增加。尽管存在这种瞬变，但FC电流的缓慢增加表明正在计算FC电压和定子电流矢量之间的正确角度γ。
这个部分中的第二实验涉及扭矩以1000rpm的速度从20Nm到10Nm的阶跃减少。在转变之前，FC电流处于13.5A(对应于2025W)，而电池电流为0A(表明没有从电池传递功率)。在扭矩瞬变后不久，电池电流达到最小值-5A(意味着电池吸收了1kW的瞬变功率)。该瞬变功率是马达所需的电功率(其根据扭矩瞬变快速地变化)与缓慢变化的FC功率之间的差异。FC电流在瞬变之后缓慢地下降，最终在记录结束时达到6.5A的值，从而表明FC传递了1300W。此时，电池电流已增加到0A，表明在此阶段电池没有吸收功率。
与图19相比，图20中所示的相电流在扭矩瞬变时没有表现出阶跃变化。相反，相电流的幅值因注入功率共享电流而缓慢地斜降，以确保尽管所要求的机械功率快速减少，但FC可保持其功率基准。
再生
在这个实验中(图21)中，由TM4马达以500rpm的旋转速度递送从10Nm到-10Nm的扭矩瞬变。由于转速为正值，负扭矩值表示正在从驱动器回收再生能量，该再生能量只能由电池吸收。
在瞬变之前，FC电流等于3.2A(表明从FC传递的480W)，而电池电流为0A(没有来自电池的功率。在扭矩瞬变之后，FC电流缓慢地下降至1.4A，保持在这里。在瞬变期间，电池电流下降到最小值-4A(表明为电池恢复了800W的功率)，然后在稳定状态下达到-2.7A(向电池递送540W)。此电池功率等于由TM4马达产生的电功率加上由FC产生的PFCmin。图21清楚地验证了所提出的算法能够实现再生制动，同时确保FC仅递送正功率，这是在EV驱动器中部署此拓扑的关键要求。
停止时的功率传递
对于下一实验，命令Parker dyno的速度基准从500rpm斜降到0rpm，而TM4机器在零扭矩基准和250W最小FC功率基准下操作。FC电流在整个瞬变过程中具有1.7A的恒定值，表明在整个时间间隔内从FC递送了255W。电池电流为-1A，表明在整个过程中电池吸收了200W。从A相电流波形(图22)中可清楚地看到速度的降低，其随着速度降低而表现出频率的降低。尽管由于FC功率而从TM4马达请求零扭矩，但该电流是非零的。在零速度下，可看到DC相电流。该结果表明，所提出的算法可确保FC的功率传递要求可在变速和停止状态下实现。
磁场减弱
在最后的实验中，系统最初在2000rpm的巡航速度下以30Nm的负载扭矩操作。图23中的饱和块指定的最大FC功率是3.3kW，并且因此FC电流的值为22A。需要对最大FC功率进行这种限制，以便观察由于磁场减弱而引起的无功电流注入，因为更高的燃料电池功率基准将导致功率共享无功电流被注入。在一秒的实验时间，负载马达的速度基准增加到2650rpm。看到轴速度(通道1)相应地升高，而FC电流(和因此功率)保持不变。
当系统速度达到大约2300rpm的值(在六秒的实验时间)时，发生磁场减弱操作，如可通过从此时开始的扭矩减少看出。这种减少一直持续到负载马达达到其2650rpm的基准速度并稳定在21Nm的最终值。该结果验证了部分V中提出的磁场减弱算法的性能。
分析损失比较
在这个部分中，对图1B中所示的现有燃料电池集成和图2中所示的双逆变器传动系统200的预期电力电子和马达损失进行分析比较。在这项研究中，使用了如表1中提供的相同燃料电池参数，同时使用表2中提供的马达和车辆参数。表2还提供了双逆变器情况的开关频率和电池电压(分别为10kHz和400V)。
常规情况使用的电路参数在表4中示出：
参数 描述 值
VbatC 标称电池电压 800V
fswI 牵引逆变器开关频率 20kHz
fswB 升压转换器开关频率 20kHz
LB 升压转换器电感 0.3mH
RB 升压转换器电感器ESR 1.2mΩ
应注意，使用了800V的更高电池电压。这可提供双逆变器和升压系统之间更准确的比较，因为双逆变器能够形成马达电压矢量，该马达电压矢量是来自每个逆变器的电压矢量的合成(如500中所示)。另一个区别是与双逆变器传动系统200的10kHz相比，牵引逆变器的开关频率设置为20kHz。双逆变器传动系统200能够产生多级电压波形。这种能力允许双逆变器传动系统200以较低频率切换，同时保持与现有燃料电池集成相比类似的马达电流纹波曲线。最后，获得现有燃料电池集成情况的升压电感器值和参数，以便在20kHz的升压转换器开关频率下实现10％的燃料电池电流纹波。
双逆变器和升压情况下使用的电力电子器件的参数在表5中示出：
参数 描述 双逆变器 常规逆变器 升压逆变器
零件编号 - FS400R07A3E3H6 FS400R12A2T4 FS450R12KTP4
Vces 集电极-发射极电压 705V 1200V 1200V
In 标称电流 400A 300A 450A
Vceo IGBT接通电压 0.798V 0.889V 0.78V
VDo 二极管接通电压 0.95V 0.92V 0.8V
Ron IGBT接通电阻 2.2mΩ 3mΩ 2.78mΩ
RD 二极管接通电阻 1.4mΩ 1.78mΩ 1.27mΩ
Eoff IGBT关闭能量 9.1mJ 13mJ 26mJ
Eon IGBT打开能量 5.1mJ 17mJ 19mJ
Erec 二极管回收能量 3.35mJ 7mJ 19mJ
升压情况下所需的更高电池电压需要使用具有更高阻断电压的绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块。这些模块显然比双逆变器情况中使用的较低电压模块具有显著更高的开关能量。
图15A至图15B分别是根据一些实施方案的驾驶循环的曲线图1500A和图15A的驾驶循环的损失比较的曲线图1500B。曲线图1500B示出了在曲线图1500A中所示的EPA公路驾驶循环过程中双逆变器传动系统200和现有传动系统中引发的计算损失的比较。曲线图1500A示出了EPA公路驾驶循环，包括车辆在某一时间(min)的速度(km/h)，并且曲线图1500B示出了随时间(min)而变的传动系统功率损失(W)。
图16A至图16B分别是根据一些实施方案的另一个驾驶循环的曲线图1600A和图16A的驾驶循环的损失比较的曲线图1600B。类似于曲线图1500B，曲线图1600B示出了对于曲线图1600A所示的EPA城市驾驶循环的常规(升压)和双逆变器燃料电池集成传动系统的计算损失的比较。
同样地，曲线图1600A示出了EPA城市驾驶循环，包括车辆在某一时间(min)的速度(km/h)，并且曲线图1600B示出了随时间(min)而变的传动系统功率损失(W)。在模拟期间，双逆变器传动系统200在两个驾驶循环中都表现出显著更低的损失。
在示例实施方案中，常规和双逆变器传动系统200在驾驶循环中的能量效率可通过下式来建模：
其中p损失是传动系统的功率损失，并且p输出是传动系统的输出功率，它是在用于马达运行操作的马达轴处和用于再生的电池处测量的。
对于双逆变器传动系统200和常规传动系统，图15A和图15B中所示的两个驾驶循环的能量效率总结在下表6中。在城市驾驶循环中获得能量效率提高7.46％，并且在公路驾驶循环获得5.34％的提高。
驾驶循环 双逆变器 常规
公路 94.15％ 88.81％
城市 78.02％ 70.56％
对双逆变器和常规燃料电池集成系统的传动系统损失的分析比较表明，使用双逆变器方法明显提高能量效率。
实用解说
驾驶循环效率的提高将为电动车辆提供更大的里程。这对制造商和用户来说都是有价值的提高。由于在FC集成的替代方法中使用的DC-DC转换器而减少质量会给予行驶里程并且还提高驾驶循环效率。此外，车辆上安装体积的减少可用于增加货物空间，增加乘客空间以提高舒适度。另一个益处是电动车辆要冷却的部件少了一个，因此冷却系统的操作负载更小。
直接集成的改进使电动车辆能够实际实施，特别是在所需的传动系统功率迅速减少(或增加，因为FC功率变化太快)的操作事件中。每当所需的驱动功率发生迅速变化时，这种方法使我们能够确保FC功率不会变化太快。
如本文的各种实施方案所述的电流注入允许在驱动功率减少时满足不变化太快的约束(在典型的驱动中，功率为正，马达在产生功率，而在再生制动中，马达充当发马达并且电池吸收功率)。角度(γ)允许系统确保满足FC功率基准。
两个逆变器的操作例如使用诸如微处理器或FPGA(用于控制逆变器的组件)的微控制器来控制。具体地，通过控制门控信号的占空比的控制信号(例如，PWM信号)来控制(例如，通过控制门控信号)逆变器的门控。例如，可以10kHz的频率进行门控(但其他变化也是可能的)。占空比在0至100％之间，并且目的是确保所需的占空比不超过100％(例如，磁场减弱方法的目的)。
微控制器可具有嵌入式软件、固件、指令集，诸如存储计算机或机器程序产品的非暂时性计算机可读介质，所述程序产品可在微处理器上执行以使得微处理器执行本文的各种实施方案中描述的方法的步骤。
就可结合用于电动车辆的结构特征而言，在一些实施方案中，描述了适当配置的微控制器。在另一个实施方案中，微控制器被结合到传动系统中作为操作传动系统的方面(诸如控制各种占空比)的控制器电路。在另一个实施方案中，传动系统嵌入到电动车辆中，诸如具有FC和电池的电动车辆。并非所有实施方案都涉及电池作为其他能量源，设想到替代能量源可代替电池使用，或与电池结合使用，诸如电容器(例如，超级电容器)。在备选的各种实施方案中，本文描述的电池能量源在必要的变更之后被替换为备选的能量源。
能量源(例如，电池或电容器)是双向的，使得它可提供或接收/吸收功率，并且能够处理FC无法进行的吸收或提供瞬变功率。FC可包括例如PEM燃料电池(质子交换膜，诸如氢燃料电池)等。
当加速时，需要来自马达的大瞬变请求功率。FC功率基准观察马达请求功率的低通滤波版本，并且该方法包括确定确保FC功率满足其基准需要的所需角度γ，并且然后计算FC逆变器和所需的电池逆变器需要的电压基准。然后对门控信号进行调制并将其提供给两个逆变器。如本文所述，选择在磁通产生电流的最大值(其由磁场减弱算法或功率共享算法生成)之上的燃料减弱的最大值。
γ控制
图24是从图12至图14示出其结果的模拟的γ参数(燃料电池电压与马达电流矢量之间的角度)的曲线图。如图24所示，在曲线图2400处，γ在Y轴处示出并且相对于x轴中的时间示出。
对于t＝0至t＝0.4s，角度随着燃料电池功率(图13B中所示)增加而减小。
在t＝0.4s时，燃料电池功率达到其最大允许值50kW，因此γ的值保持不变。
在t＝1s时，车辆的加速曲线(图12)朝零减小，这导致马达扭矩迅速减小。为了防止燃料电池功率也快速降低，γ的值快速降低。
当马达扭矩迅速降低时，γ的这种快速降低防止燃料电池功率在t＝1s时不连续。
在t＝1s到t＝3s之间，随着燃料电池功率开始下降，γ的值缓慢地增加。在t＝3s时，发起再生制动瞬变，这增加了马达电流矢量幅值(如从图14中的id和iq的值可看出)。因此，此时增加γ值以允许燃料电池功率降低。
在t＝3.2s时，燃料电池功率达到其最小值，这导致γ值变得恒定。
调制方法的实际实施
在实施方案中，功率共享方法在数字信号处理器(DSP)上实施。该DSP可物理地位于控制印刷电路板(PCB)上。
控制PCB电连接到测量马达电流、电池和燃料电池电压以及马达的转子位置的传感器。
这些传感器数据与DSP上的模数转换器介接。另外地，控制PCB电连接到两个逆变器模块的栅极驱动电路。一个逆变器模块在DC侧连接到燃料电池，而另一个逆变器模块在其DC侧连接到电池。
在示例实施方式中，控制方法与两个逆变器的脉宽调制(PWM)频率同步。该频率典型地为约在10kHz至20kHz，这导致50μs至100μs的控制采样时段。在每个采样时段，该方法使用来自连接到控制PCB的传感器的数据并且执行功率共享方法。基于燃料电池功率和马达扭矩基准，计算燃料电池和电池逆变器的调制指数。然后，DSP将这些调制指数转换为PWM门控信号。这些PWM信号以电方式传输到逆变器的栅极驱动电路，并且因此，它们控制每个逆变器中存在的IGBT的开关过程。
申请人注意到所描述的实施方案和示例是说明性的而非限制性的。这些特征的实际实施可结合一些或所有方面的组合，并且本文描述的特征不应被视为未来或现有产品计划的指示。申请人参与基础研究和应用研究，并且在一些情况下，所描述的特征是在探索性基础上开发的。
术语“连接”或“耦合到”可包括直接耦合(其中彼此耦合的两个元件彼此接触)和间接耦合(其中至少一个附加元件位于两个元件之间)两者。
尽管已详细地描述了实施方案，但是应该理解，在不脱离范围的情况下，可在本文中做出各种改变、替换和变更。此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施方案。
如本领域的普通技术人员将从本公开内容中容易了解，可利用执行基本上与本文描述的对应实施方案相同的功能或者实现基本上与本文描述的对应实施方案相同的结果的目前存在或稍后将开发的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，实施方案旨在将此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。
如可理解，以上描述和示出的示例仅旨在是示例性的。

Claims (22)

1.一种双逆变器驱动器，所述双逆变器驱动器适于直接集成作为第一能量源的燃料电池和作为第二能量源的电池组以便为电动车辆的马达提供动力，所述双逆变器驱动器包括：
控制器电路，所述控制器电路被配置为建立功率因数控制以控制施加在燃料电池电压与定子电流矢量Is之间的角度γ，以确保同时满足马达功率和燃料电池功率基准，所述功率因数控制使用以下关系式来建立：
其中VFC是由耦合到所述燃料电池的两电平逆变器产生的电压矢量，并且PFC是由所述燃料电池产生的功率，并且id和iq是定子电流矢量Is在具有轴dq的旋转参考系上的投影。
2.如权利要求1所述的双逆变器驱动器，其中所述燃料电池电压相对于所述电池组的电压以缓慢的变化率变化，并且所述电池组的所述电压在所述电动车辆的加速或减速持续时间期间表现出更高的变化率。
3.如权利要求2所述的双逆变器驱动器，其中当在所述加速或减速持续时间期间以高速操作时，所述马达在磁场减弱操作区域内操作，并且其中在所述电动车辆的巡航持续时间期间，所述马达在正常操作区域中操作，由此d轴电流逐渐减小。
4.如权利要求3所述的双逆变器驱动器，其中在所述磁场减弱操作区域中的操作用于防止电池转换器饱和。
5.如权利要求4所述的双逆变器驱动器，其中将通过功率共享控制方法计算出的磁通产生电流iψPS和磁通产生电流幅值基准iψFW中的最大幅值作为总磁通产生电流基准，以确保满足所述双逆变器驱动器的功率共享和磁场减弱要求两者。
6.如权利要求1所述的双逆变器驱动器，其中在γ为虚数的持续时间期间注入磁通产生电流iψ，从而指示所述电流矢量的幅值不足以产生请求的燃料电池功率。
7.如权利要求6所述的双逆变器驱动器，其中使用以下关系式来定义所述磁通产生电流iψ的复共轭i*ψ：
其中是每安培最大扭矩(MTPA)操作的定子电流矢量幅值。
8.如权利要求7所述的双逆变器驱动器，其中注入所述磁通产生电流iψ以确保能够产生所述请求的燃料电池功率。
9.如权利要求7所述的双逆变器驱动器，其中在所述电动车辆的再生制动操作时段期间注入所述磁通产生电流iψ。
10.如权利要求1所述的双逆变器驱动器，其中燃料电池的所述直接集成包括在没有用于将所述第一能量源和所述第二能量源连接到所述双逆变器驱动器的DC链路的DC-DC转换器的情况下集成所述燃料电池。
11.一种用于直接集成作为第一能量源的燃料电池和作为第二能量源的电池组以便为电动车辆的马达提供动力的方法，所述方法包括：
控制施加在燃料电池电压与定子电流矢量Is之间的角度γ，以确保同时满足马达功率和燃料电池功率基准，功率因数控制使用以下关系式来建立：
其中VFC是由耦合到所述燃料电池的两电平逆变器产生的电压矢量，并且PFC是由所述燃料电池产生的功率，并且id和iq是所述定子电流矢量Is在具有轴dq的旋转参考系上的投影。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述燃料电池电压以缓慢的变化率变化，并且所述电池组的电压在所述电动车辆的加速或减速持续时间期间表现出更高的变化率。
13.如权利要求12所述的方法，其中当在所述加速或减速持续时间期间以高速操作时，所述马达在磁场减弱操作区域内操作，并且其中在所述电动车辆的巡航持续时间期间，所述马达在正常操作区域中操作，由此d轴电流逐渐减小。
14.如权利要求13所述的方法，其中在所述磁场减弱操作区域中的操作用于防止电池转换器饱和。
15.如权利要求14所述的方法，其中将通过功率共享控制方法计算出的磁通产生电流iψPS和磁通产生电流幅值基准iψFW中的最大幅值作为总磁通产生电流基准，以确保满足双逆变器驱动器的功率共享和磁场减弱要求两者。
16.如权利要求11所述的方法，其中在γ为虚数的持续时间期间注入磁通产生电流iψ，从而指示所述电流矢量的幅值不足以产生请求的燃料电池功率。
17.如权利要求16所述的方法，其中使用以下关系式来定义所述磁通产生电流iψ的复共轭i*ψ：
其中是MTPA操作的定子电流矢量幅值。
18.如权利要求17所述的方法，其中注入所述磁通产生电流iψ以确保能够产生所述请求的燃料电池功率。
19.如权利要求17所述的方法，其中在所述电动车辆的再生制动操作时段期间注入所述磁通产生电流iψ。
20.一种非暂时性机器可读介质，所述非暂时性机器可读介质存储机器可解释指令集，所述机器可解释指令集在被处理器执行时致使所述处理器执行根据权利要求11至19中任一项所述的方法的步骤。
21.一种电动车辆传动系统，所述电动车辆传动系统包括如权利要求1至10中任一项所述的双逆变器驱动器。
22.一种控制器电路，所述控制器电路适于直接集成作为第一能量源的燃料电池和作为第二能量源的电池组以便为电动车辆的马达提供动力，所述控制器电路包括控制电路，所述控制电路被配置为建立功率因数控制以控制施加在燃料电池电压与定子电流矢量Is之间的角度γ，以确保同时满足马达功率和燃料电池功率基准，所述功率因数控制使用以下关系式来建立：
其中VFC是由耦合到所述燃料电池的两电平逆变器产生的电压矢量，并且PFC是由所述燃料电池产生的功率，并且id和iq是定子电流矢量Is在具有轴dq的旋转参考系上的投影。
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