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

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。

背景技术：

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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：

8、

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、磁通产生电流基准可由下式定义：

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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。

20、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)。

21、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。

22、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。

23、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。

24、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。