基于交流电力测功机负载的燃料电池混合.doc
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1、精品论文基于交流电力测功机负载的燃料电池混合动力汽车综合测试平台肖朋1,2,3,全书海1,2,3,谢长君1,25(1. 武汉理工大学自动化学院,武汉 430070;2. 武汉理工大学新能源检测与控制研究中心,武汉 430070;3. 武汉理工大学汽车工程学院,武汉 430070) 摘要:以质子交换膜燃料电池和磷酸铁锂电池组为动力源,以交流电力测功机为负载,以数 据采集卡实时采集数据,以 CAN 通讯同步传输数据,以工控机实现平台控制和能量分配管10理,开发了燃料电池汽车混合动力综合测试平台,具有驾驶和工况两种模式,可进行燃料电 池、锂电池组、电机、混合动力能量分配管理性能测试,给出了驾驶模式锂
2、电池组单独驱动 和燃料电池混合动力驱动时的试验结果,并对结果进行了分析。关键词:动力与电气工程;燃料电池;混合动力汽车;磷酸铁锂电池;交流电力测功机中图分类号:U469.715AC electric dynamometer load-based fuel cell hybrid vehicles integrated test benchXIAO Peng1,2,3, QUAN Shuhai1,2,3, XIE Changjun1,2(1. School of Automation,Wuhan University of Technology, WuHan 430070;2. Detectio
3、n and Control of New Energy Research Center,Wuhan University of20Technology,WuHan 430070;3. School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology,WuHan 430070) Abstract: An AC electric dynamometer load-based fuel cell hybrid vehicles integrated test bench with the program automatical cont
4、rol and driving two modes was developed .Real-time data was acquired through data acquisition card. Vehicle control and energy management were25implemented by IPC.It can be used for fuel cells , the lithium battery pack, motors, hybrid energy allocation and management performance test.Test results t
5、hat driven by Lithium iron phosphate battery pack alone in driving mode and driven by fuel cell and Lithium iron phosphate batterypack in the program automatical control mode were given and discussed.Keywords: power and electrical engineering; fuel cells; hybrid vehicle; Lithium iron phosphate30batt
6、ery; AC electric dynamometer0引言随着全球环境污染问题的日益严重,电动汽车的研究正日益引起政府、企业和研究机构 的重视,质子交换膜燃料电池被认为是车用燃料电池的最优选择1,2,3,4。由于质35子交换膜燃料电池的电压-电流输出特性相对较软,当汽车负载波动的时候,动态响应能力 差,起动和加速时间长,必须增加辅助动力源 5,6 。目前多采用在燃料电池输出侧并联大 容值的超级电容或蓄电池作为辅助动力源7,8,9。质子交换膜燃料电池和蓄电池组成的混合动 力汽车能够在制动阶段回收制动能量并实现零排放10,11,12。在质子交换膜燃料电池电动汽车 动力性能的各种试验中,建立测试
7、平台是非常必要的。张冰战等以电力测功机为负载建立了40燃料电池与超级电容混合动力系统测试平台13;许家群等以水阻和直流电力测功机为负载基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(20090143110004);国家自然科学基金主任基金(51247003); 国家自然科学基金青年基金(61004018/F030102);国家 863 计划(2012AA110601) 作者简介:肖朋,(1979-),男,讲师,主要研究方向:燃料电池混合动力汽车控制。 通信联系人:全书海,(1955-),男,教授,主要研究方向:燃料电池技术和电动汽车动力系统控制。E-mail:- 6 -建立了车用大功率燃料电池发动机
8、系统测试平台14;伍庆龙等以测功机为负载建立了纯电 动汽车行驶工况仿真和测试的室内台架15。本文构建燃料电池混合动力汽车综合测试平台, 通过工控机对控制开关切换可方便实现对燃料电池、蓄电池、被测电机、动力系统能量管理 的测试,综合测试平台有驾驶和工况两种模式。交流电力测功机负载的加载性能好,产生的45电能可回馈电网,工作于电动状态时能反拖被测试电机给蓄电池进行充电,因此本文采用交 流电力测功机。磷酸铁锂电池(LiFePO4)寿命长、安全性能好、成本低,是电动汽车的理想动力源 ,本文采用锂电池组作为辅助电源。1燃料电池混合动力汽车综合测试平台1.1 综合测试平台结构50综合测试平台由燃料电池单元
9、、锂电池组单元、电机单元、交流电力测功机单元、工控 台操作单元等部分组成。被测电机、转矩转速传感器和变频电机固定在铸铁平台上,通过联 轴器同轴联接。综合测试平台结构如图 1 所示。55图 1 燃料电池混合动力汽车综合测试平台结构Fig. 1 fuel cell hybrid vehicles integrated test platform structure燃料电池系统额定输出功率 15kW,最大输出功率 18kW;锂电池组由型号 SE40AHA的 97 节锂电池串联,规格 310V/40Ah,容量 12.4kWh;DC/DC 变换器额定转换功率 15kW,60最大转换功率 20kW,输入电
10、压 120-200V,输出电压 200-350V;被测电机为永磁无刷直流 电机,额定电压 312V、额定功率 11kW、峰值功率 27kW、额定转速 3000r/min、最高转速6000r/min;交流电力测功机单元的变频电机额定功率 30 kW、额定电压 380V、额定电流 56A、 额定扭矩 97Nm;变频控制系统的 ABB 变频器型号为 ACS800-04-0035。1.2 综合测试平台原理65汽车在道路上行驶时的力平衡方程为:CD A2duFt = Ff + Fw + Fi + Fj = mgf + 21.15 ua+ mgi + mdt(1)式(1)中 Ft 、 Ff 、 Fw 、
11、Fi 、 Fj 分别为汽车所受驱动力、滚动阻力、迎风阻力、坡道阻力、加速阻力, g 为重力加速度,i 为坡道斜度,CD 为风阻系数, m 为汽车质量, A 为汽车迎风面积,u 为汽车速度(m/s),ua 为汽车平均速度(km/h), f 为滚动阻力系数, 为70汽车旋转质量换算系数。由式(1)得电机功率 PM 为:1 mgfua +CD A u 3 + mgiua + mua duPM =( 360076140 a36003600)(2)dtFt 与被测电机转矩TZ 的关系为:TtTZ ig i0Ft = r =r(3)75式(3)中 r 为汽车驱动轮半径,ig 为变速箱速比;i0 为主减速比
12、; 为传动效率。 由式(1)和式(3)可得:Tz =r ( mgf +uaCD A2 + mgi + m du)(4)被测电机转速 n 为:ig i021.15dtu i in = 2.653 a g 0r(5)80综合测试平台能够模拟燃料电池混合动力汽车道路行驶的动力与负载。电机单元的被测电机与交流电力测功机单元的变频电机转速相同,被测电机转矩Tz 与变频电机转矩TD 方向相反。当被测电机处于电动状态时,变频电机处于发电状态;当被测电机由电动状态变 为制动状态时,被测电机转矩反向,变频电机变为电动状态,变频电机转矩反向。1.3 综合测试平台功能85工控机通过 CAN 网络与燃料电池单元、锂电
13、池组单元、交流电力测功机单元、电机单 元等进行通讯,同步发送和接收信息,实现整车控制和能量管理。平台可进行燃料电池性能 测试、锂电池组性能测试、被测电机性能测试、能量分配管理测试等。工控机通过 CAN 总 线发送 K1、K2、K3、K4 的开关命令给开关切换执行单元,进行不同对象的测试。“闭合 K4,断开 K1、K2、K3”可进行燃料电池系统测试;工控机通过 CAN 总线调节90阻性电子可控负载的阻值,从而调节燃料电池的输出电流。燃料电池主控制器通过 CAN 总 线给工控机反馈相关数据,工控机保存数据。“闭合 K1、K2,断开 K3、K4”可进行锂电池组性能测试,锂电池组单独作为动力源, 锂电
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