面向燃料電池汽車的雙源電機驅動系統

周雅夫，馬建剛，連 靜，李琳輝

(1.工業裝備結構分析國家重點實驗室(大連理工大學)，遼寧 大連 116024； 2.大連理工大學 汽車工程學院，遼寧 大連 116024)

驅動系統的成本和效率一直是制約燃料電池汽車大規模推廣應用的關鍵問題。燃料電池汽車驅動系統通常采用電-電混合驅動組成形式[1]，即由燃料電池提供車輛運行所需的平均功率，而由動力電池或超級電容等儲能部件提供動態輔助功率，以改善車輛的動態特性[2-3]，其拓撲方案中通常包含DC/DC變換器[4]。由于燃料電池的所有能量均經過DC/DC轉換，故要求DC/DC變換器的功率及體積較大，同時帶來制造成本高和功率損失等問題[5]。為避免DC/DC環節帶給燃料電池汽車驅動系統成本及效率方面的壓力，國內外研究者提出雙電源直接為電機供電的驅動系統方案[6-7]，由于該方案中雙電源共同為一套定子繞組供電，使得雙電源之間的能量傳輸與電機轉矩控制相互影響，且該方案中雙逆變器協同控制時存在零序電流與共模電壓問題。為了提高雙逆變器的協同控制性能，Zhong等[8]采用三電平逆變器，但增加的功率器件增加了系統成本并加大了控制難度。

本文所研究的燃料電池汽車雙源電機驅動系統采用雙電源直接為電機供電的驅動方案，但雙源電機定子上有兩套繞組，并分別由燃料電池、動力電池獨立供電，通過對兩套繞組內電流的控制，可以使雙源電機在多種模式下工作，并能夠在復雜工況下實現燃料電池汽車雙電源之間的能量傳輸及對應轉矩的獨立控制。首先建立燃料電池汽車雙源電機驅動系統模型；然后針對燃料電池汽車雙電源之間的能量傳輸及輸出轉矩的獨立控制問題，討論雙源電機的多種工作模式，并就雙源電機兩套繞組之間存在的電壓耦合現象提出解耦控制策略；最后，在試驗臺架上驗證雙源電機及其控制系統在燃料電池汽車不同工況下的輸出性能。

1 驅動系統模型

1.1 雙源電機模型

作為雙源驅動系統的核心部件，雙源電機承擔著車輛動力需求及燃料電池與動力電池之間能量交換的任務。因為永磁同步電機具有高效率、高可靠性的特點[9-10]，所以將雙源電機設計為定子上有兩套獨立繞組的永磁同步電機。傳統燃料電池汽車驅動系統通過DC/DC將燃料電池與動力電池并聯以驅動電機及其控制器，如圖1所示。與三相永磁同步電機不同，雙源電機的定子上有兩套中性點相互隔離的Y型繞組，并通過逆變器分別由燃料電池、動力電池供電，如圖2所示。由于兩套定子繞組共用1個轉子，雙源電機驅動系統相比于采用兩個獨立電機的驅動系統結構更為緊湊，可以節省車內可用空間，并降低電機制造成本。

圖2 燃料電池汽車雙源電機驅動系統

雙源電機的定子電壓方程[11]為

(1)

式中：vd1、vd2、vq1、vq2分別為燃料電池繞組、動力電池繞組對應的d、q軸電壓；id1、id2、iq1、iq2分別為兩套繞組的d、q軸等效電流；ψd1、ψd2、ψq1、ψq2分別為兩套繞組的d、q軸等效磁鏈；Rs為繞組的等效電阻，ω為電機電角速度。

雙源電機的磁鏈方程可表示為

(2)

式中：Ld1、Ld2、Lq1、Lq2分別為燃料電池繞組、動力電池繞組對應的d、q軸等效自感；Md12=Md21和Mq12=Mq21分別為兩套繞組之間的d、q軸等效互感；ψf為雙源電機轉子磁鏈。

雙源電機的轉矩方程為

T=1.5p0(ψd1iq1-ψq1id1+ψd2iq2-ψq2id2)

(3)

式中：T為雙源電機的電磁轉矩，p0為極對數。

當采用id=0策略對雙源電機進行控制時，id1=id2=0，此時，雙源電機的轉矩方程為

T=1.5p0ψf(iq1+iq2)=T1+T2

(4)

式中，T1、T2分別為雙源電機燃料電池繞組、動力電池繞組中的電流與電機轉子磁鏈相互作用產生的轉矩。

雙源電機的輸出功率為

(5)

式中：P為雙源電機的輸出功率；P1、P2分別為燃料電池、動力電池對雙源電機的輸出功率。

由式(4)和式(5)可以看出，采用零直軸電流控制策略令id= 0，通過對雙源電機電壓方程中q軸電流iq1、iq2的控制，可以實現對燃料電池及動力電池的轉矩分配及輸出功率調節。

1.2 燃料電池模型

燃料電池工作在封閉、復雜環境下，是一個具有多回路、多相流電化學反應的非線性系統[12]。質子交換膜燃料電池模型[13]為

(6)

式中：VFC、iFC分別為燃料電池的輸出電壓、輸出電流；Eoc、N分別為燃料電池的開路電壓、單體電池數；Td、Rohm、i0分別為燃料電池的響應時間、內阻及交換電流；A為Tafel斜率。

式(6)代表燃料電池在給定溫度和壓力下的工作狀態，模型中的參數可根據制造商提供的極化曲線確定。

1.3 動力電池模型

車輛在運行過程中，存在頻繁的啟動、加速、爬坡等工況，要求驅動電機具有快速的輸出轉矩響應能力。由于雙源電機的輸出轉矩為燃料電池及動力電池對應的轉矩之和，而燃料電池輸出特性偏“軟”，動態響應性能欠佳[14]，故燃料電池無法提供車輛瞬態負荷變化的功率。為了提高驅動系統的動態響應能力，發揮動力電池高功率密度的特點，由動力電池提供車輛所需的瞬時功率[15]，而利用燃料電池高能量密度的特點使之提供車輛所需的平均功率。即動力電池對車輛需求功率起到“削峰填谷”的調節作用[16]，從而減少燃料電池啟停及變載次數，避免燃料電池輸出電流的突變，延長燃料電池的使用壽命。

動力電池的等效內阻模型為

CdVc/dt=iB-Vc/R2

(7)

VB=Voc-Vc-iBR1

(8)

式中：R1、R2為動力電池等效內阻，Vc為電容C的端電壓，VB、iB分別為動力電池的端電壓及輸出電流，Voc為動力電池開路電壓。

2 雙源電機驅動系統的控制

2.1 雙源電機多工作模式

為了滿足不同道路條件下車輛對動力的需求，并最大程度地延長電源的使用壽命，雙源電機需根據燃料電池、動力電池的狀態及車輛的需求功率，運行在多種工作模式下，并在復雜工況下進行不同工作模式之間的切換。

雙源電機的燃料電池繞組、動力電池繞組分別在逆變器控制下通入三相對稱交流電，此時雙源電機的輸出轉矩T等于燃料電池繞組、動力電池繞組內電流與電機轉子磁場相互作用所產生的轉矩T1和T2之和，即T=T1+T2，故雙源電機在合理的控制下可以看作為兩臺獨立工作的電機。根據燃料電池、動力電池的電流方向及雙源電機兩套定子繞組與轉子相互作用產生的轉矩不同，雙源電機存在以下幾種工作模式：Mode A，燃料電池和動力電池共同供電電機來驅動車輛運動，T1、T2均為正數；Mode B，燃料電池單獨供電電機來驅動車輛運動，T1為正、T2為零；Mode C，燃料電池單獨供電電機來驅動車輛運動，同時燃料電池向動力電池充電，T1為正、T2為負且T為正；Mode D，動力電池單獨供電電機來驅動車輛運動，T1為零、T2為正；Mode E，車輛處于制動能量回收模式，T1為零、T2為負。雙源電機各種工作模式下的電流流向及轉矩情況如圖3所示。

(a) Mode A：燃料電池、動力電池共同驅動

(b) Mode B：燃料電池單獨驅動

(c) Mode C：燃料電池單獨驅動且向動力電池充電

(d) Mode D：動力電池單獨驅動

(e) Mode E：制動能量回收

2.2 雙源電機解耦控制

由式(2)可知，燃料電池繞組磁鏈ψd1、ψq1不僅受到id1、iq1影響，還受到動力電池繞組電流id2、iq2影響；同理ψd2、ψq2亦受到id1、iq1影響。故結合式(1)可知，雙源電機兩套繞組之間存在電壓耦合，這使得對燃料電池繞組內的電流id1、iq1進行控制時，動力電池繞組的電壓vd2、vq2也會受到影響，此時動力電池繞組產生的電流id2、iq2亦會對燃料電池繞組電壓vd1、vq1造成影響，反之亦然。此外，燃料電池(動力電池)繞組內d、q軸之間也存在電壓耦合。耦合現象的存在為雙源電機兩套繞組內電流的獨立控制帶來困難，使得雙源電機的動態性能變差。同時，動力電池轉矩T2發生變化時，燃料電池轉矩T1及功率P1不得不相應改變，這惡化了燃料電池的工作條件，不利于燃料電池的穩定工作。為了實現兩套繞組內電流的獨立控制，進而實現燃料電池與動力電池對應轉矩的獨立控制，本文采用前饋控制技術對耦合電壓進行補償，令

(9)

(10)

式中：vd1de、vq1de、vd2de、vq2de為雙源電機各個軸上經過前饋補償后的解耦電壓分量，vd1fw、vq1fw、vd2fw、vq2fw為對應前饋電壓補償量。則式(1)可寫為

(11)

由式(11)可以看出，前饋控制技術將電壓耦合項vd1fw、vq1fw、vd2fw、vq2fw從對應電壓分量中去掉，使得解耦電壓分量vd1de、vq1de、vd2de、vq2de與對應電流分量id1、iq1、id2、iq2為一階關系，故經過前饋解耦后的雙源電機各軸電壓方程可以等效為一階系統，可采用PI控制器對各軸電流進行反饋調節。雙源電機驅動系統的控制框圖如圖4所示。

圖4 雙源電機驅動系統的控制框圖

在Simulink仿真環境中對圖4中雙源電機驅動系統進行仿真，如圖5所示(驅動系統仿真模型參數見表1)。從圖5可以看出，在未進行前饋補償控制之前，雙源電機d1、q1、d2、q2軸電流存在明顯的耦合效應。iq1的脈沖變化會使得id1波動，d2、q2軸電流id2、iq2出現電流尖峰，這對實現燃料電池及動力電池轉矩的獨立控制及功率分配極為不利。與解耦前兩套繞組對應的d、q軸的電流波形相比，在解耦后的控制系統中iq1的脈沖變化對于id1、id2和iq2沒有影響，故通過上述前饋補償實現了對雙源電機兩套繞組中d、q軸電流的獨立控制。

表1 雙源電機驅動系統仿真參數

(a)解耦前 (b)解耦后

3 雙源電機驅動系統臺架模擬試驗

為了對所研究的燃料電池汽車驅動系統進行性能驗證，搭建了雙源電機驅動系統模擬試驗臺架。試驗臺架系統由加拿大D&V公司的高性能測功機及其上位機、燃料電池模擬器、動力電池、雙源電機、雙源電機控制器、功率分析儀、維克多VX1060高速測量標定系統及其上位機CANape軟件組成，如圖6所示。其中燃料電池模擬器的輸出可以根據需求進行編程控制，用以模擬燃料電池的輸出特性。

圖6 雙源電機驅動系統模擬試驗臺架

試驗臺架各主要部件的參數見表2。試驗時，通過上位機給雙源電機控制器發送轉矩指令來模擬車輛的啟動、加速、減速、制動能量回收等工況。

表2 雙源電機驅動系統模擬試驗臺架參數

圖7為雙源電機在實驗室設計工況下的轉矩輸出及對應定子繞組q軸電流。T為雙源電機需求轉矩指令值；Tt為雙源電機實際輸出轉矩；T1、T2分別為雙源電機控制器接收到的燃料電池及動力電池轉矩指令值，且T=T1+T2；iq1、iq2分別為燃料電池繞組及動力電池繞組的q軸電流。

在0～1 s，模擬車輛處于駐車狀態，此時雙源電機的輸出轉矩Tt為0。在1～2 s，車輛處于起步行駛狀態，雙源電機工作在Mode D。在2～10 s，車輛起步運行后加速行駛，雙源電機輸出轉矩Tt增大，在此過程中燃料電池加載，動力電池隨著燃料電池輸出電流的增加逐步退出驅動，雙源電機在Mode A下工作。在10～11 s，車輛進入平穩行駛階段，雙源電機輸出轉矩Tt不變，雙源電機工作在Mode B。在11～12 s，車輛進入上坡路段，雙源電機輸出轉矩Tt也相應增加；為了維持燃料電池輸出平穩，由動力電池滿足突然增加的功率需求，此時雙源電機工作在Mode A，動力電池繞阻電流iq2隨著其轉矩指令T2的增加而增加。在12～13 s，車輛進入功率需求較小的下坡路段，雙源電機輸出轉矩Tt減小，燃料電池輸出仍維持平穩，由動力電池響應突然減小的功率需求，雙源電機進入Mode C。在13～17 s，車輛進入低速行駛階段，燃料電池進入降載階段，燃料電池繞組q軸電流iq1逐漸減小至0；動力電池對應轉矩T2由負值逐漸增加以維持輸出轉矩Tt不變，直至雙源電機的輸出轉矩完全由動力電池提供，雙源電機的工作狀態由Mode C過渡到Mode A。在17～18 s，車輛減速并準備進入駐車狀態，此時雙源電機進入制動能量回收狀態，即Mode E，動力電池轉矩由表示制動的負值逐漸到0。

圖7 實驗室設計工況下雙源電機輸出轉矩及對應定子q軸電流

當雙源電機運行在Mode A～E時，雙源電機的輸出轉矩Tt與其需求轉矩指令T基本重合，二者偏差<5%，輸出轉矩響應時間<100 ms。在燃料電池啟動后，其對應繞組電流iq1恒定以維持燃料電池輸出平穩，動力電池繞組電流iq2響應需求轉矩T的瞬態變化。故雙源電機驅動系統能夠實現對需求轉矩的快速響應，并通過多種工作模式實現燃料電池與動力電池的能量分配與傳輸。

由圖7可知，燃料電池轉矩T1、動力電池轉矩T2與對應的q軸電流波形iq1、iq2一致，驗證了零直軸電流控制策略的有效性。在10～13 s，動力電池繞組電流iq2進行了階躍變化，雙源電機輸出轉矩Tt變化與動力電池轉矩指令T2變化相同，燃料電池轉矩指令T1及對應電流iq1均不變，驗證了前饋補償控制方法的有效性，消除了兩套繞組間的耦合效應。所采用的控制方法實現了對雙源電機燃料電池、動力電池繞組電流及對應轉矩的獨立控制。

為了驗證雙源電機驅動系統在實際工況下的性能，根據GB/T 18386—2017 B.2.2，采用電動汽車基本市區循環試驗工況進行測試。其中，基本市區循環試驗工況的車速為v，對雙源電機的需求轉矩為T，試驗結果如圖8所示。在測試過程中，雙源電機的實際輸出轉矩Tt與其需求轉矩T曲線基本重合，二者偏差<5%，輸出轉矩響應時間<100 ms。試驗過程中，為維持燃料電池輸出平穩，燃料電池轉矩指令值T1保持恒定，動力電池轉矩指令T2響應需求轉矩T的瞬態變化；燃料電池繞組、動力電池繞組電流iq1、iq2與二者轉矩指令T1、T2波形一致，在iq2響應動力電池轉矩指令T2而進行階躍變化時，iq1仍響應燃料電池轉矩指令T1維持平穩輸出，證明了所采用的解耦控制算法在實際工況下實現了對燃料電池、動力電池的電流及對應轉矩的獨立控制。

圖8 基本市區循環工況下雙源電機輸出轉矩及對應定子q軸電流

在基本市區循環試驗工況中，燃料電池繞組電流iq1維持恒定正值，動力電池繞組電流iq2為正值時，動力電池側轉矩輸出為正，此時雙源電機工作在Mode A，即燃料電池、動力電池共同驅動；動力電池繞組電流iq2為負值時，動力電池側轉矩輸出為負，此時雙源電機工作在Mode C，即燃料電池單獨驅動且向動力電池充電，故雙源電機驅動系統在實際工況下通過對燃料電池、動力電池繞組電流及對應轉矩的獨立控制，實現了雙電源之間的能量分配與傳輸。

4 結 論

1)為避免DC/DC帶給燃料電池汽車驅動系統成本及效率方面的壓力，實現雙電源之間能量傳輸及轉矩獨立控制，研究了燃料電池汽車雙源電機驅動系統，建立了雙源電機模型、燃料電池模型及動力電池模型。

2)針對燃料電池汽車在實際運行過程中的啟動、加速、下坡、制動等工況給出了雙源電機相應的工作模式Mode A～E。針對雙源電機兩套繞組中的電壓耦合問題，采用前饋補償及零直軸電流控制策略，實現了對兩套繞組中電流的獨立控制。

3)搭建了燃料電池汽車雙源電機驅動系統模擬試驗臺架，并對雙源電機在不同工作模式下的轉矩響應性能進行了模擬試驗驗證。試驗結果表明，燃料電池汽車雙源電機驅動系統能夠滿足燃料電池汽車在不同工況下的轉矩需求，在實際工況下實現燃料電池與動力電池之間的能量傳輸及對應轉矩的獨立控制。