專利名稱：汽車高壓直流母線快速放電的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種汽車的控制方法，具體說涉及一種在燃料電池車或其他以電為動 力的汽車中，當停車或發(fā)生故障時，使高壓直流母線快速放電的方法。
背景技術：
燃料電池車用動力系統(tǒng)采用電力驅動，主要由燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、車 身底盤、供氫系統(tǒng)、電池系統(tǒng)及附件系統(tǒng)(電動空調、電動轉向、電動水泵、電動冷卻風扇) 等組成，系統(tǒng)中運動部件必須由可控的電機驅動，電機并聯(lián)在高壓直流母線上，實現(xiàn)速度或 者轉矩的可控調節(jié)。當車輛停車需關掉弱電系統(tǒng)(+12V弱電)或者車輛發(fā)生故障時，都需 首先切斷高壓電，并保證高壓母線電壓盡可能快地低于一定安全值。當前電機控制都采用 高頻率的電力電子元器件及大容量的濾波電容，因此盡管動力電池已經斷開，但電容的特 性使得高壓母線上各控制器內的濾波電容電壓還維持較高水平，足夠對乘客構成危險。在目前的車用動力系統(tǒng)中，電容的放電基本都是由各個子系統(tǒng)內部實現(xiàn)，在電機 控制器內濾波電容兩端并聯(lián)一個放電電阻，形成RC放電回路，將電容的電能轉變?yōu)殡娮璧?發(fā)熱消耗掉，具體放電時間由R · C確定。這會帶來以下缺點(1)放電電阻會增加控制器 體積和布置難度，并帶來一定成本問題；(2)車輛正常運行時會造成一定損耗，降低動力系 統(tǒng)效率，并帶來持續(xù)發(fā)熱問題；(3)放電時間較長，在此時間范圍內，車輛弱電(+12V)不能 切斷，另外不能對整車進行檢查修理，若遇到緊急狀況如交通事故，不能有效及時保證乘客 安全。(4)由于高壓母線電壓和弱電(+12V)掉電時序的嚴重不同步，導致整車控制策略的 復雜性。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種快速有效的汽車高壓直流母線的放電方法， 以克服現(xiàn)有技術中存在的缺陷。本發(fā)明采用以下技術方案一種汽車高壓直流母線快速放電的方法，包括與直流母線連接的主電機系統(tǒng)和若 干個同樣與直流母線連接，且與所述主電機系統(tǒng)并聯(lián)的用電子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)均由電機驅 動，還包括一與直流母線并聯(lián)的放電電阻，所述方法包括以下步驟(1)當直流母線斷電時，主電機作為用于控制的第一電機，第一電機控制器向第一 電機發(fā)出信號，通過第一電機產生電流使電機繞組發(fā)熱以耗散直流母線上的電容電壓；(2)當第一電機無法正常運行時，通過放電電阻耗散直流母線上的電容電壓。進一步地，所述第一電機控制器向第一電機發(fā)出的信號包括分別對第一電機定子 電流的轉矩分量和勵磁分量給出定值，其中第一電機定子電流轉矩分量、為零；勵磁分量 id為不為零的常數，該常數引起的磁通量可抵消第一電機轉子磁鏈。進一步地，所述用電子系統(tǒng)包括第一子系統(tǒng)、第二子系統(tǒng)......和第N子系統(tǒng)，在
所述步驟(1)中，當主電機無法作為第一電機時，由第一子系統(tǒng)作為第一電機，如果第一子系統(tǒng)無法作為第一電機，再由第二子系統(tǒng)作為第一電機，......以此類推，直至所有子系統(tǒng)
都無法正常工作后，執(zhí)行所述步驟(2)。本發(fā)明通過控制主電機定子電流，使電機輸出轉矩為零，在不影響車輛運行狀態(tài) 的前提下，僅利用電機繞組損耗就將高壓直流母線上各子系統(tǒng)濾波電容中儲存的電能快速 消耗掉，無需在各子系統(tǒng)控制器中并聯(lián)放電電阻，提高了系統(tǒng)效率，降低了零部件成本。本 發(fā)明能在切斷高壓電后對并聯(lián)在高壓直流母線上的電容快速放電，使得停車時強弱電的切 斷幾近同步，簡化了整車控制算法，尤其在出現(xiàn)緊急故障時可有效保證乘客安全。為了保險 起見，只需在整個動力系統(tǒng)母線上并聯(lián)一個小功率的放電電阻，以備主電機系統(tǒng)故障或車 輛弱電系統(tǒng)故障時的放電需求。


圖1是采用本發(fā)明所涉及的汽車高壓直流母線快速放電方法的燃料電池車用動 力系統(tǒng)的一種實施例的示意圖。圖2為本發(fā)明所涉及的汽車高壓直流母線快速放電方法的原理圖。圖3為采用本發(fā)明所涉及的汽車高壓直流母線快速放電方法和現(xiàn)有技術中采用 電阻放電方法的放電電壓曲線的對比圖。
具體實施例方式如圖1所示，為采用本發(fā)明地燃料電池車用動力系統(tǒng)的一種實施例。在該系統(tǒng)中， 高壓直流母線1與動力蓄電池相連接，燃料電池堆(FCS)通過單向DC/DC模塊與動力蓄電 池并聯(lián)，主電機并聯(lián)在高壓直流母線上，高壓直流母線上還接入其他高壓用電系統(tǒng)，見圖， 如包括兩個電動水泵3、4，兩個高壓電動風扇5、6，電動空調壓縮機7等，各個子系統(tǒng)均由電 機驅動，在各子系統(tǒng)中的電機為子電機。如圖2所示，電機的輸出轉矩由轉子磁鏈Il^和定子磁鏈Vs相互作用而產生，其 大小與兩者之間的夾角θ有關θ =90°時轉矩最大，θ =0°或者θ =180°時轉矩為 零。按照矢量控制理論，可將定子電流分解為q軸(交軸)的轉矩分量、和d軸(直軸) 的勵磁分量id，因此如果控制、=0，id =不為零的常數，該常數引起的磁通量可抵消主電 機轉子磁鏈，即定子磁鏈如圖2中虛線所示位置，可使轉矩輸出為零，而去磁(id為負)或 增磁(id為正)形成的無功損耗會將各子系統(tǒng)電容中的能量消耗掉。燃料電池車在停車斷電或出現(xiàn)故障時，將斷開動力電池供電回路，并通過整車控 制器發(fā)給主電機控制器相應信號。此時主電機控制器設定、=0，通過調節(jié)id的大小來調 節(jié)高壓母線上電容電壓的放電速度，即該放電速度可通過id來標定。在任何情況下，定子的三相繞組都以120度電角度均勻排列，三相繞組所產生的 合力最終促成電機的有效旋轉。隨著各相線圈的勵磁相位不同，其相互作用的結果既可以 產生無法形成旋轉轉矩的磁力作用，也可以產生能夠形成旋轉運動的磁力作用。這兩種不 同類型的磁力作用通常被分別稱作交軸分量(q)和直軸分量(d)，可產生有效轉矩的交軸 分量的運行方向垂直于轉子磁極軸線，不產生轉矩的直軸分量的運行方向則平行于轉子磁 極軸線。通常，電機控制的訣竅在于使q軸分量最大化的同時使d軸分量最小化。對永磁電機來說，其轉子采用永磁體，因此定子電流d軸分量設為0，而q軸分量則設為最大；對異 步電機來說，由于額外需要維持一定幅度的感應磁通，所以d軸分量不能取為零，而是代之 以一個與電機特性有關的小常量。而本方法的目的是為了將高壓母線的殘存電壓快速消耗掉，同時不會影響車輛運 行狀態(tài)，因此與電機的傳統(tǒng)控制不同，而是使得q軸分量為0，d軸分量根據放電時間的需求 來標定。此時電機不產生轉矩，而電流將在電機定子繞組中以熱的形式消耗。另外，在高壓直流母線1之間連接一個與主電機并聯(lián)的小功率放電電阻2，當主電 機、主電機控制器出現(xiàn)故障或者整車弱電系統(tǒng)故障(如+12V弱電)，而導致通過主電機損耗 放電無法實現(xiàn)時，可通過放電電阻2來放掉高壓母線上殘余的電容電壓。還可通過高壓母線上其它子系統(tǒng)的電機控制器采用相同的控制方法來實現(xiàn)。當 高壓母線斷電時，可先判斷主電機是否正常工作，若是，則將主電機作為控制放電的第一電 機，如果不是，則由子系統(tǒng)中的電機來替代原主電機成為第一電機。由于各用電子系統(tǒng)和主 電機是并聯(lián)關系，因此整車控制器能控制子系統(tǒng)中的電機控制器來對子系統(tǒng)的電機進行控 制，同樣能實現(xiàn)高壓母線快速放電的目的。當所有子系統(tǒng)中的電機都無法正常工作后，整車 控制器再通過放電電阻放電。以上所述快速放電方法基于電機控制理論，當高壓電斷開時，通過主驅動電機的 軟件控制算法控制主電機定子電流，主電機的繞組發(fā)熱對高壓直流母線上各子系統(tǒng)內部的 高壓濾波大電容進行快速放電，放電時間可控制在兩秒之內，有效保證整車的高壓安全。本 發(fā)明可以在不降低系統(tǒng)效率的前提下，達到快速放電的目的，如圖3所示，其中，縱軸代表 母線電壓u，橫軸代表放電時間t，ut為安全閾值電壓，虛線為現(xiàn)有采用放電電阻的放電曲 線(放電速率的變化可通過選擇不同阻值的電阻來實現(xiàn))，實線為基于本發(fā)明方法的放電 曲線(放電速率的變化可通過選擇不同大小的id來實現(xiàn))。與現(xiàn)有技術不同的是，本發(fā)明中高壓直流母線上的子系統(tǒng)不用單獨設計放電電 阻，避免了放電電阻給各子系統(tǒng)在空間布置、發(fā)熱、效率和成本等方面帶來的缺陷。本發(fā)明 會極大提高放電速度，有效地保證了在緊急故障時的乘客安全，并解決了強弱電掉電時序 的嚴重不同步性，從而簡化了整車控制算法。由于放電速度可通過主驅動電機控制器id的 大小來標定，具有相當高的靈活性。避免了由于動力系統(tǒng)拓撲結構發(fā)生改變(高壓母線電 容量的改變)而帶來的放電時間變化問題。僅在高壓直流母線上設置一個統(tǒng)一的放電電 阻，易于保證從整車角度選擇合適的參數，由于該放電電阻只是在主驅動電機控制器出現(xiàn) 致命故障或者整車弱電系統(tǒng)故障的最高等級故障時才會起作用，因此可選用小功率的放電 電阻，便于布置且提高系統(tǒng)效率。
權利要求
一種汽車高壓直流母線快速放電的方法，包括與直流母線連接的主電機系統(tǒng)和若干個同樣與直流母線連接，且與所述主電機系統(tǒng)并聯(lián)的用電子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)均由電機驅動，還包括一與直流母線并聯(lián)的放電電阻，其特征是所述方法包括以下步驟(1)當直流母線斷電時，主電機作為用于控制的第一電機，第一電機控制器向第一電機發(fā)出信號，通過第一電機產生電流使電機繞組發(fā)熱以耗散直流母線上的電容電壓；(2)當第一電機無法正常運行時，通過放電電阻耗散直流母線上的電容電壓。
2.根據權利要求1所述的汽車高壓直流母線快速放電的方法，其特征是所述第一電 機控制器向第一電機發(fā)出的信號包括分別對第一電機定子電流的轉矩分量和勵磁分量給 出定值，其中第一電機定子電流轉矩分量為零；勵磁分量id為不為零的常數，該常數引起 的磁通量可抵消第一電機轉子磁鏈。
3.根據權利要求1或2所述的汽車高壓直流母線快速放電的方法，其特征是所述用電子系統(tǒng)包括第一子系統(tǒng)、第二子系統(tǒng)......和第N子系統(tǒng)，在所述步驟(1)中，當主電機無法作為第一電機時，由第一子系統(tǒng)作為第一電機，如果第一子系統(tǒng)無法作為第一電機，再由第二子系統(tǒng)作為第一電機，......以此類推，直至所有子系統(tǒng)都無法正常工作后，執(zhí)行所述步驟(2)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種汽車高壓直流母線快速放電的方法，包括與直流母線連接的主電機系統(tǒng)和若干個同樣與直流母線連接，且與所述主電機系統(tǒng)并聯(lián)的用電子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)均由電機驅動，還包括一與直流母線并聯(lián)的放電電阻，所述方法包括以下步驟(1)當直流母線斷電時，主電機作為用于控制的第一電機，第一電機控制器向第一電機發(fā)出信號，通過第一電機產生電流使電機繞組發(fā)熱以耗散直流母線上的電容電壓；(2)當第一電機無法正常運行時，通過放電電阻耗散直流母線上的電容電壓。本發(fā)明可在不影響車輛運行狀態(tài)的前提下，僅利用電機繞組損耗就將高壓直流母線上各子系統(tǒng)濾波電容中儲存的電能快速消耗掉，無需在各子系統(tǒng)控制器中并聯(lián)放電電阻，提高了系統(tǒng)效率，降低了零部件成本。本發(fā)明能在切斷高壓電后對并聯(lián)在高壓直流母線上的電容快速放電，使得停車時強弱電的切斷幾近同步，簡化了整車控制算法，尤其在出現(xiàn)緊急故障時可有效保證乘客安全。
文檔編號H02P3/12GK101944755SQ201010252089
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月12日 優(yōu)先權日2010年8月12日
發(fā)明者歐陽啟, 程偉 申請人:上海汽車工業(yè)(集團)總公司