控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的系统和方法与流程

本发明涉及控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的系统和方法以及控制使用该系统和方法的燃料电池车辆的工作的系统和方法，更具体地，涉及控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法以及控制使用该方法的燃料电池车辆的工作的方法，其能够诊断燃料电池车辆的空气压缩机电动机中的永磁体的不可逆退磁并且基于该诊断结果稳定地操作空气压缩机电动机和燃料电池车辆。

背景技术：

用于向燃料电池车辆中的燃料电池堆供应空气的空气压缩机通过驱动电动机产生高压空气流。永磁体是空气压缩机电动机的主要部件之一，其经历不可逆的退磁，其中随着时间的推移，磁通量减小。因此，由于永磁体的退磁，出现低于初始设计值的磁通量，从而导致空气压缩机电动机的最大驱动速度降低。

特别地，燃料电池车辆的空气压缩机电动机是具有减小的尺寸同时具有高速和高输出的能力的电动机，并且当出现永磁体的退磁时对输出具有实质影响。另外，当由于出现永磁体的退磁而导致电动机驱动速度降低时，进入燃料电池堆的空气供应变得低于初始设计值，从而不足。因此，当驾驶员在燃料电池车辆的工作期间请求高输出时，燃料电池堆中的电池的电压瞬间降低，因此，用于保护燃料电池堆的电流限制功能起作用。因此，可能出现车辆颠簸并且加速受限的现象。因此，本领域中需要诊断空气压缩机电动机的永磁体的退磁并相应地适当调节电动机和燃料电池车辆的工作。

应当理解，背景技术的前述描述仅仅是为了促进对本发明背景的理解，而不应被解释为承认相关技术是本领域技术人员已知的。

技术实现要素：

因此，本发明诊断或检测燃料电池车辆的空气压缩机电动机中的永磁体的退磁，并基于退磁程度调节空气压缩机电动机电流，从而允许空气压缩机电动机被驱动到可以在退磁状态下输出的最大允许速度。

因此，本发明提供一种控制燃料电池车辆的空气压缩机的电动机的方法和控制使用该方法的燃料电池车辆的工作的方法，以解决现有技术中出现的技术问题，并且本发明能够通过主动施加可以根据空气压缩机电动机的最大驱动速度供应的流量，通过预先限制电池堆电流，来改善车辆的驱动稳定性，其中最大驱动速度已经由于退磁而改变。

本发明还提供一种控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法，其可以包括：基于向燃料电池堆供应空气的燃料电池车辆用空气压缩机电动机的电压和电流以及空气压缩机电动机的转速，计算空气压缩机电动机的反电动势常数；以及基于计算出的反电动势常数与预设的反电动势常数设计值之间的比较结果，确定空气压缩机电动机的永磁体是否被退磁。

在本发明的示例性实施例中，在计算反电动势常数的步骤中，空气压缩机电动机的三相电压和三相电流可以分别转换为d轴和q轴电压以及d轴和q轴电流，并且可以通过将转换后的d轴和q轴电压以及空气压缩机电动机的电角速度应用于电动机方程来计算空气压缩机电动机的电动势常数。在本发明的示例性实施例中，空气压缩机电动机的电动势常数可以使用以下方程计算：

方程

其中，由于vemf＝λ×ωe，则λ＝vemf/ωe

在上述方程中，vdsyn是空气压缩机电动机的d轴电压，vqsyn是空气压缩机电动机的q轴电压，idsyn是空气压缩机电动机的d轴电流，iqsyn是空气压缩机电动机的q轴电流，rs是空气压缩机电动机的相电阻，ld是空气压缩机电动机的d轴电感值，lq是空气压缩机电动机的q轴电感值，ωe是空气压缩机电动机的电角速度，vemf是空气压缩机电动机的反电动势电压，并且λ是计算出的反电动势常数。

在本发明的示例性实施例中，当空气压缩机电动机在正常状态下工作时，可以执行反电动势常数的计算。当在空气压缩机电动机的永磁体中检测到退磁时，本发明的示例性实施例可以进一步包括：使用空气压缩机电动机的计算出的反电动势常数以及电压和电流，计算空气压缩机电动机能够在退磁状态下输出的最大可驱动速度。本发明的示例性实施例还可以包括：基于计算出的退磁状态下的空气压缩机电动机的最大可驱动速度，补偿用于调节弱场磁体的β角度图。

根据另一示例性实施例，本发明还可以包括：基于向燃料电池堆供应空气的燃料电池车辆用空气压缩机电动机的电压和电流以及空气压缩机电动机的转速，计算空气压缩机电动机的反电动势常数；基于计算出的反电动势常数与预设的反电动势常数设计值之间的比较结果，确定空气压缩机电动机的永磁体是否被退磁；使用空气压缩机电动机的计算出的反电动势常数以及电压和电流，计算空气压缩机电动机能够在退磁状态下输出的最大可驱动速度；计算空气供应极限，该空气供应极限是可通过空气压缩机电动机可以在退磁状态下输出的最大可驱动速度供应到燃料电池堆的空气量；以及将燃料电池堆的输出限制到等于或小于与空气供应限制对应的燃料电池堆的输出的水平。

本发明的示例性实施例还可以包括：确认在限制燃料电池堆的输出之后向燃料电池车辆的驱动电动机提供电力的能量存储装置的充电状态；以及当能量存储装置的充电状态不足时，通过限制供应到燃料电池车辆的驱动电动机的电流来限制燃料电池车辆的震荡表现。

根据操作燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法和调节使用该方法的燃料电池车辆的工作的方法，考虑到由于将压缩空气供应到燃料电池堆中的空气压缩机电动机的永磁体的退磁而减少的空气供应量，可以预先限制燃料电池堆的电流，从而可以通过防止出现电流限制功能的操作以防止燃料电池堆中电压的瞬时下降，来解决诸如车辆颠簸等的问题。

特别地，根据操作燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法和调节使用该方法的燃料电池车辆的工作的方法，考虑到当燃料电池的输出由于空气压缩机电动机的退磁而受限时向车辆驱动电动机提供电力的能量存储装置的充电状态，可以限制车辆震荡表现。

在本发明中可获得的效果不限于上述效果，并且根据以下描述，未提及的其他效果对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。

附图说明

从以下结合附图的具体实施方式中，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：

图1是示意性地示出根据本发明的各种实施例的控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法和控制使用该方法的燃料电池车辆的工作的方法所应用的燃料电池车辆系统的框图；

图2是示出根据本发明的示例性实施例的控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法的流程图；以及

图3是示出根据本发明的示例性实施例的使用控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法的燃料电池车辆的工作的控制方法的流程图。

具体实施方式

应当理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语包括一般机动车辆，诸如包括运动型多功能车辆(suv)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商用车辆、包括各种船和舟的船只、航空器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，源自石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如汽油动力车辆和电动车辆。

尽管示例性实施例被描述为使用多个单元来执行示例性过程，但是应当理解，示例性过程也可由一个或多个模块执行。另外，应当理解，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件装置。存储器被配置成存储模块，并且处理器被具体配置成执行所述模块以执行下面进一步描述的一个或多个过程。

此外，本发明的控制逻辑可体现为包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于rom、ram、压缩光盘(cd)-rom、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质还可以分布在网络耦接的计算机系统中，使得计算机可读介质以分布式方式存储和执行，例如通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(can)。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。如本文所使用的，词语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。

除非特别说明或从上下文中显而易见，否则如本文所用，词语“约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非上下文中另外说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。

在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的各种示例性实施例的控制用于燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法。

图1是示意性地示出根据本发明的各种实施例的控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法和控制使用该方法的燃料电池车辆的工作的方法所应用的燃料电池车辆系统的框图。如图1所示，燃料电池车辆系统可以包括：燃料电池堆100，其包括燃料电池，该燃料电池配置为分别接收氢气和空气作为燃料和氧化剂，从而通过氧化还原反应产生电力；以及空气压缩机10，其配置为向阴极供应压缩空气。

另外，加湿器可以设置在燃料电池堆100和空气压缩机10之间，以向从空气压缩机10输出的压缩空气供应水分，并允许湿润空气传递到燃料电池堆100。然而其与本发明的主要技术思想无关，因此从附图中省略。空气压缩机10可以包括电动机并且可以配置为通过驱动电动机产生压缩空气。在本说明书中，空气压缩机10和空气压缩机10中的电动机被认为是相同的，因此将使用相同的附图标记来描述。换句话说，应当理解，控制空气压缩机10意味着控制空气压缩机电动机10。

为了操作或控制空气压缩机电动机10，燃料电池车辆系统可以包括逆变器20。逆变器20可以配置为操作电动机以允许空气压缩机电动机10对应于速度命令。更具体地，逆变器20可以包括：控制器21，其配置为基于从主控制器40提供的速度命令、从空气压缩机电动机10反馈的空气压缩机电动机10的电流和电压以及由配置为检测空气压缩机电动机10的转子的位置的位置传感器30(例如，霍尔传感器等)提供的关于转子位置的信息，来计算用于调节空气压缩机电动机10的速度以对应于速度命令的脉冲宽度调制(pwm)信号；以及开关元件单元22，其包括多个开关元件，该多个开关元件配置为输出三相电动机电压，其导通/截止由从控制器21生成的pwm信号来确定。

在控制器21中执行的电动机的速度控制可以通过本领域中已知的各种相关控制技术来执行。此外，开关元件单元22可以包括多个功率半导体开关元件(例如，绝缘栅双极型晶体管(igbt)等)，其配置为基于pwm信号将输入直流(dc)电压转换成三相交流(ac)电压，从而向空气压缩机电动机10提供三相ac电压。开关元件单元22的电路结构也可以应用现有技术中的公知技术。

另外，控制器21可以配置为使用基于提供给空气压缩机电动机10的电压和电流导出的转子的转速和由位置传感器30提供的关于转子位置的信息来检测永磁体是否被退磁。因此，控制器21可以配置为当已经出现退磁时，考虑到退磁的出现来执行电动机控制。

同时，逆变器20还可以包括栅极驱动单元23，其配置为基于从控制器21生成的pwm信号向开关元件单元22内的开关元件的栅极提供用于导通/截止的控制信号，用于驱动开关元件单元22。从燃料电池堆100产生和输出的dc电压可以输出到高压总线端子。高压总线端子可以连接到驱动电动机的能量存储装置50和逆变器60的输入端子，其向产生车辆驱动力的车辆驱动电动机70提供三相ac电压。

能量存储装置50根据需要可以配置为存储电能，如电池，并且可以通过从高压总线端子接收电力来充电，或可以配置为将用于驱动车辆驱动电动机70的电力输出到高压总线端子。配置为转换电压幅度的dc-dc转换器(未示出)可以设置在能量存储装置50和高压总线端子之间。

主控制器40可以配置为基于驾驶员的输入生成空气压缩机电动机10的速度命令，并且将速度命令提供给控制器21。当控制器21确定已经出现空气压缩机电动机10的退磁时，主控制器40可以配置为执行用于车辆工作的各种控制。例如，当已经出现空气压缩机电动机10的退磁时，主控制器40可以配置为调节车辆的驱动状态，诸如空气供应极限、燃料电池堆输出极限、基于能量存储装置50的充电状态的车辆驱动电动机70的输出极限等。通过如上配置的系统，可以实现根据本发明的各种示例性实施例的控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法和控制使用该方法的燃料电池车辆的工作的方法。

图2是示出根据本发明的示例性实施例的控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法的流程图。下文描述的方法可以由具有处理器和存储器的控制器执行。参考图2，根据本发明的示例性实施例的控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法可以包括：在s12中，计算空气压缩机电动机的反电动势常数；以及基于计算出的反电动势常数与预设的反电动势常数设计值之间的比较结果，确定空气压缩机电动机的永磁体是否被退磁。

可以基于使用空气压缩机电动机10的电压和电流由逆变器20中的控制器21导出的空气压缩机电动机10的转速和配置为检测电动机10的转子的位置的位置传感器30的位置信息，使用电动机方程来计算空气压缩机电动机10的反电动势常数。即使未在图1中示出，但是在从逆变器20的开关元件单元22连接到空气压缩机电动机10的三相连接线中，可以设置用于每相的电压传感器和电流传感器。因此，空气压缩机电动机10的三相电压和三相电流可以由电压传感器和电流传感器感测，并且感测值可以提供给控制器21。

另外，空气压缩机电动机10可以包括电动机转子位置传感器，诸如旋转变压器、编码器或霍尔传感器，并且控制器21可以配置为通过接收从电动机转子位置传感器30输出的位置感测值来导出空气压缩机电动机10的转速。感测电动机的电压和电流并导出电动机的转速的细节是本领域普通技术人员所熟知的，因此将省略其详细描述。在步骤s12中，控制器21可以配置为通过将空气压缩机电动机10的电压和电流以及空气压缩机电动机10的转速应用于如下面的方程1所示的电动机方程来计算空气压缩机电动机10的反电动势常数。

方程1

其中，由于vemf＝λ×ωe，则λ＝vemf/ωe。

在方程1中，vdsyn是空气压缩机电动机10的d轴电压，vqsyn是空气压缩机电动机10的q轴电压，idsyn是空气压缩机电动机10的d轴电流，iqsyn是空气压缩机电动机10的q轴电流，rs是相电阻，ld是空气压缩机电动机10的d轴电感值，lq是空气压缩机电动机10的q轴电感值，ωe是空气压缩机电动机10的电角速度，vemf是空气压缩机电动机10的反电动势电压，并且λ是反电动势常数。

方程1是使用通过将电动机的三相电压和电流分别坐标转换成d轴和q轴而获得的值的电动机方程，并且分别从传感器接收的空气压缩机电动机10的电压和电流感测值可以通过控制器21被转换成d轴和q轴并应用于方程1。在方程1中，可以在制造系统时分别预先确定相电阻rs以及d轴和q轴电感值ld和lq，并且电角速度ωe可以基于由电动机转子位置传感器30检测到的电动机转子位置变化和电动机的极来计算。

接下来，在步骤s13中，可以通过将在步骤s12中的方程1中计算出的反电动势常数和在设计系统时预设的反电动势常数设计值彼此比较来确定空气压缩机电动机内部的空气压缩机电动机10中的永磁体是否已经出现退磁。例如，控制器21可以配置为从预设的反电动势常数设计值中减去在步骤s12中计算出的反电动势常数计算值。因此，当差的大小大于预设值时，控制器21可以配置为确定两个值的误差在异常范围内，从而检测到已经出现退磁。

在另一示例中，控制器21可以配置为将通过从预设的反电动势常数设计值减去在步骤s12中计算出的反电动势常数计算值而获得的值除以反电动势常数，从而计算出与初始设计值的比率。因此，当计算出的比率大于预设的初始设计值时，控制器21可以配置为确定误差在异常范围内并且检测到已经出现退磁。

同时，可以提供根据本发明的示例性实施例的控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法，以当空气压缩机电动机10处于正常状态时执行更精确地测量反电动势常数，以通过预设的恒速驱动命令以恒定速度稳定工作。换句话说，当控制器21可以配置为确定空气压缩机电动机10在正常状态下工作时，因为从主控制器40输入的转速命令是恒定的，并且通过接收从电动机转子位置传感器30输出的位置感测值导出的空气压缩机电动机10的转速是恒定的，因此，控制器21可以配置为执行计算反电动势常数的步骤s12。此外，由于当电动机转子位置传感器30的偏移角度失真时，d轴和q轴的值分别失真，因此反电动势常数计算可能不准确，因此控制器21可以配置为在步骤s11中确认电动机转子位置传感器30的偏移角度是否被校正。当控制器21确定偏移角度被校正时，控制器可以执行计算反电动势常数的步骤s12。

根据本发明的示例性实施例的控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法还可以包括：在确定在空气压缩机电动机10的永磁体中已经出现退磁之后，计算空气压缩机电动机10的最大可驱动速度的步骤s14。当在步骤s13中在空气压缩机电动机10的永磁体中检测到退磁时，控制器21可以配置为使用计算出的反电动势常数以及能够提供给空气压缩机电动机10的最大电压和电流来计算空气压缩机电动机10能够在退磁状态下输出的最大可驱动速度。

步骤s13中的最大可驱动速度计算也可以使用诸如方程1的电动机方程来执行，并且特别地，还可以使用用于在方程1的第二行中描述的q轴电压和q轴电流的方程来执行，如下面的方程2中所示。

方程2

在方程2中，ωe_c表示能够在退磁状态下输出的最大可驱动速度，vq_c表示当空气压缩机电动机以最大速度被驱动时提供的电动机的q轴电压，并且是在电动机设计时预先确定的值，iq_c表示当空气压缩机电动机以最大速度被驱动时提供的电动机的q轴电流，并且是在设计电动机时预先确定的值，并且λ表示通过方程1计算的反电动势常数。

另外，根据本发明的示例性实施例的控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法还可以包括：基于在步骤s14中计算出的退磁状态下的空气压缩机电动机10的最大可驱动速度来补偿用于调节弱场磁体的β角度图的步骤s15。在当执行电动机的高速控制时反电动势电压形成为高的情况下，弱场磁体控制是被实施为确保三相电压裕度不足的驱动区域中的电压裕度的控制。

当电动机被退磁时，与电动机没有退磁时相比，即使当电动机被施加相同的电流时，电动机的扭矩也会降低。因此，需要根据最大可驱动速度对有助于扭矩的q轴电流的最大值进行补偿，以获得期望的响应。补偿β角度图的步骤s15可以包括调节要减小的d轴电流以进一步确保有助于电动机的扭矩的q轴电流和作为电动机定子电流和d轴之间的角度的β角。随后，控制器21可以配置为在退磁状态下，通过使用补偿的β角度图操作电动机来执行对退磁状态进行补偿的驱动模式。

图3是示出根据本发明的示例性实施例的使用控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法的燃料电池车辆的工作的控制方法的流程图。下文描述的方法可以由具有处理器和存储器的控制器执行。具体地，控制器21可以配置为在步骤s14中计算处于退磁状态下的空气压缩机电动机10的最大可驱动速度，然后将计算结果传递到主控制器40。

主控制器40可以配置为基于燃料电池堆100的电流输出需求向控制器21提供速度命令，以操作空气压缩机电动机10。例如，当燃料电池堆100中需要最大电流输出时，主控制器40可以配置为向控制器21提供速度命令以使空气压缩机电动机10以最大速度旋转。

当需要最大电流输出并且主控制器40没有检测到空气压缩机电动机10的退磁状态时，用于使空气压缩机电动机10以在设计燃料电池系统时确定的最大速度旋转的速度指令可以传递给控制器21。然而，由于在设计中确定的最大速度的旋转由于永磁体的退磁而不可能实现，所以空气压缩机电动机10不能供应燃料电池堆的最大电流输出所需的空气。因此，提供根据本发明的示例性实施例的使用控制燃料电池车辆的空气压缩机电动机的方法的燃料电池车辆的工作的控制方法，以解决由于永磁体的退磁而产生的燃料电池堆100的空气供应不足的问题。

首先，主控制器40可以配置为基于能够在空气压缩机电动机的退磁状态下输出的最大可驱动速度来在s21中计算空气供应极限，其中从控制器21提供关于退磁状态的信息。特别地，可以理解的是，空气供应极限是指空气压缩机电动机10在退磁状态下并以最大速度被驱动时能够供应给燃料电池堆100的空气量。在设计系统时，可以提前预设空气压缩机电动机的设计中的电动机的转速与可供应空气量之间的关系。

随后，主控制器40可以配置为在s22中将燃料电池堆100的输出限制为不大于当在步骤s21中计算出的空气供应极限被提供给燃料电池堆100时可以从燃料电池堆100输出的电流输出。换句话说，主控制器40可以配置为基于当最大驱动速度由于向燃料电池堆100供应压缩空气的空气压缩机电动机10中的永磁体出现退磁而减小时对应于减小的最大驱动速度的空气供应量来限制燃料电池堆100的输出。因此，可以解决由燃料电池堆100的空气供应不足而引起的问题。

此外，主控制器40可以配置为当产生能量存储装置50(例如，电池)的输出极限时，基于能量存储装置50的充电状态(soc)来限制车辆的震荡表现。当产生能量存储装置50的输出极限时，主控制器40可以配置为在s23和s24中计算并确认能量存储装置50的充电状态，该能量存储装置存储要提供给车辆的驱动电动机的电力。当确定车辆的充电状态不足时，主控制器40可以配置为在s25中限制车辆的震荡表现。

同时，可以使用燃料电池车辆中的燃料电池堆100的输出和能量存储装置50的输出来驱动车辆驱动电动机70。当燃料电池堆100的输出受到限制，并且能量存储装置50的输出不足时，可以提供给车辆驱动电动机70的电流可能不足。因此，可能能够限制车辆震荡表现，从而使得车辆能够更稳定地工作。车辆的震荡表现限制s25可以以这样的方式实现，即主控制器40操作用于驱动电动机的逆变器60，从而限制供应给车辆驱动电动机70的电流。

虽然已经关于本发明的示例性实施例示出和描述了本发明，但是对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。