一种氢气循环泵的电流控制方法及系统、破冰启动方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种氢气循环泵电流控制方法及系统、破冰启动方法。


背景技术：

2.氢气循环泵是燃料电池的核心部件，其用于给燃料电池的电堆供应氢气，氢气循环泵的良好运转是燃料电池能良好工作的必要条件。
3.燃料电池被广泛应用于诸如新能源汽车等各种领域，这就使得其会在各种环境条件下工作。在极寒天气中，或其他一些低温环境下，燃料电池工作过程中所产生水或水汽会在氢气循环泵中凝结成冰，导致氢气循环泵的转子被冻住，使得氢气循环泵的转子无法转动，进而所述氢气循环泵无法工作。为了解决这一情况，可以在氢气循环泵外部加装加热装置，通过加热达到破冰效果，但这种结构需要热量传递，消耗时间长，也增加了破冰硬件成本。在不增加成本的情况下，一般通过软件控制，例如转速开环控制实现氢循环泵的破冰启动。例如中国专利202210140928.4中提到一种氢气循环泵的破冰启动方法，其采用开环控制方法，根据定子频率与定子电压的线性关系，确定目标转速对应的定子电压，通过对定子电压进行逻辑处理，从而控制氢气循环泵的转子根据交替输出的第一破冰信号和第二破冰信号实现旋转方向的交替，开始除冰过程。但是这种方法通过电压控制转子转动，因此存在电流控制不稳定的问题，可能会出现过流的风险。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的部分或全部问题，本发明第一方面提供一种氢气循环泵的电流控制方法，其采用电流闭环控制方式，包括：
5.输入电流指令值；
6.采样所述氢气循环泵的电机电流值；以及
7.基于所述电机电流值与所述电流指令值的偏差得到控制电流值。
8.进一步地，所述电流指令值包括所述氢气循环泵的电机定子电流的d轴及q轴分量值。
9.进一步地，所述电机电流值为所述氢气循环泵的三相电流值。
10.进一步地，所述电机电流值与所述电流指令值的偏差根据如下步骤得到：
11.将所述电机电流值进行clark变换，得到其在两相静止坐标系下α、β轴的分量值；
12.将所述α、β轴的分量值进行park变换，得到其在两相旋转坐标系下d轴及q轴的分量值；以及
13.将所述d轴及q轴的分量值与所述电流指令值相减，得到所述偏差。
14.进一步地，所述park变换中所采用的角度值根据输入的速度指令值得到。
15.进一步地，所述控制电流值根据如下步骤得到：
16.将所述偏差进行比例及积分调节，得到控制电压的d轴及q轴分量值；
17.将所述控制电压的d轴及q轴分量值进行park逆变换，得到控制电压在两相静止坐标系下α、β轴的分量值；
18.基于所述控制电压的α、β轴的分量值，进行空间矢量脉宽调制，得到脉宽调制信号；以及
19.基于所述脉宽调制信号控制功率器件的通断，以产生三相电流。
20.进一步地，所述park逆变换中所采用的角度值根据输入的速度指令值得到。
21.本发明第二方面提供实现如前所述的电流控制方法的电流控制系统，包括：
22.求和模块，其输入端与电流指令输出端及电机电流值获取模块的输出端连接，且用于计算电机电流值与电流指令值的差值；
23.pi调节器，其连接至所述求和模块的输出端，用于对所述差值进行比例及积分调节；
24.park逆变换模块，连接至所述pi调节器的输出端，用于进行park逆变换；
25.svpwm模块，连接至所述park逆变换模块的输出端，用于进行空间矢量脉宽调制(svpwm，space vector pulse width modulation)；
26.逆变器，连接至所述svpwm模块的输出端，用于把直流电能转变成三相交流电，得到控制电流值；以及
27.电机电流值获取模块，用于获取所述氢气循环泵的电机电流值，并输出至所述求和模块。
28.进一步地，所述电机电流值获取模块包括：
29.电流采样单元，用于采样所述氢气循环泵的电机三相电流值；
30.clark变换单元，连接至所述电流采样单元的输出端，用于将三相电流值转换至二相静止坐标下；以及
31.park变换单元，连接至所述clark变换单元的输出端，用于将二相静止坐标下的电流值转换至二相旋转坐标下。
32.进一步地，所述电流控制系统还包括：
33.角度计算模块，其用于根据输入的速度指令值计算得到开环角度并发送给所述park逆变换模块及电机电流值获取模块。
34.基于如前所述的电流控制方法及系统，本发明第三方面提供一种氢气循环泵的破冰启动方法，包括：
35.采用如前所述的电流控制方法控制氢气循环泵的电流，控制其到达预设的转速，进行破冰启动。
36.本发明提供的一种氢气循环泵电流控制方法及系统，通过电流闭环控制以实现氢气循环泵的电流稳定控制，进而将其应用于破冰启动时，可以避免过流风险，使得氢气循环泵电机保持恒定的转矩，有效地提高了设备运行的安全性。
附图说明
37.为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似
的标记表示。
38.图1示出本发明一个实施例的一种氢气循环泵电流控制方法的流程示意图；以及
39.图2示出本发明一个实施例的一种氢气循环泵电流控制系统的结构示意图。
40.附图标记列表
41.001 氢气循环泵电机
42.201 求和模块
43.202 pi调节器
44.203 park逆变换模块
45.204 svpwm模块
46.205 逆变器
47.206 电机电流值获取模块
48.262 clark变换单元
49.263 park变换单元
50.207 角度计算模块
具体实施方式
51.以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。
52.在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
53.需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对方法步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据实际需求的调节来调整各步骤的先后顺序。
54.在本发明中，根据本发明的系统的各模块可以使用软件、硬件、固件或其组合来实现。当模块使用软件来实现时，可以通过计算机程序流程来实现模块的功能，例如模块可以通过存储在存储设备(如硬盘、内存等)中的代码段(如c、c++等语言的代码段)来实现，其中当所述代码段被处理器执行时能够实现模块的相应功能。当模块使用硬件来实现时，可以通过设置相应硬件结构来实现模块的功能，例如通过对现场可编程逻辑门阵列(fpga)等可编程器件进行硬件编程来实现模块的功能，或者通过设计包括多个晶体管、电阻和电容等电子器件的专用集成电路(asic)来实现模块的功能。当模块使用固件来实现时，可以将模块的功能以程序代码形式写入设备的诸如eprom或eeprom之类的只读存储器中，并且当所述程序代码被处理器执行时能够实现模块的相应功能。
55.为了实现氢循环泵，尤其是其破冰启动过程中的电流稳定控制，本发明提供一种氢气循环泵电流控制方法及系统，通过电流闭环控制以实现氢气循环泵的电流稳定控制，有效避免了过流风险，且可以使得氢气循环泵电机保持恒定的转矩，有效地提高了设备运
行的安全性。
56.下面结合实施例附图，对本发明的技术方案做进一步描述。
57.图1示出本发明一个实施例的一种氢气循环泵电流控制方法的流程示意图。如图1所示，一种氢气循环泵电流控制方法，包括：
58.首先，在步骤101，输入控制指令。在本发明的实施例中，所述控制指令包括电流指令值以及转速指令值。在本发明的一个实施例中，当应用于破冰启动时，所述预设的电流值应大于所述氢气循环泵正常工作状态下所需的电流值，但不应大于所述氢气循环泵电机的峰值电流。为便于控制，在本发明的一个实施例中，所述电流指令值包括所述氢气循环泵的电机定子电流的d轴及q轴分量值i
dcmd1
、i
qcmd1
；
59.接下来，在步骤102，采样电机电流值。采样所述氢气循环泵的电机电流值，并将其作为反馈电流以进行电流的闭环控制。在本发明的一个实施例中，所述电机电流值指所述氢气循环泵的三相电流值ia、ib以及ic；
60.接下来，在步骤103，计算偏差。计算所述电机电流值与所述电流指令值的偏差。在本发明的一个实施例中，由于采样得到的电机电流值为三相电流值，而电流指令值为两相旋转坐标系下的d轴、q轴分量，因此在计算偏差前，首先需要将所述电机电流值转换到两相旋转坐标系下，具体而言，包括：
61.首先，将所述电机电流值进行clark变换，得到其在两相静止坐标系下α、β轴的分量值，其中clark变换的变换矩阵如下：
[0062][0063]
其中，k为变换系数，当k＝2/3时表示恒幅变换，变换前后幅值不变，当时表示恒功率变化，变换前后功率不变，可根据实际需求选择变换方式；以及
[0064]
接下来，将所述α、β轴的分量值进行park变换，得到其在两相旋转坐标系下d轴及q轴的分量值，其中，所述park变换的变
[0065]
换矩阵如下：
[0066][0067]
其中，在本发明的一个实施例中，所述θe采用开环角度，所述开环角度根据输入的速度指令值speedcmd计算得到。
[0068]
得到电机电流值的d轴及q轴分量值后，即可分别与所述电流指令值i
dcmd1
、i
qcmd1
相减，以计算得到d轴、q轴的电流偏差值；以及
[0069]
最后，在步骤104，获取控制电流值。基于所述电机电流值与所述电流指令值的偏差得到控制电流值。由于在氢气循环泵中电机实际输入电流值为三相交流电，因此需要根
据所述偏差得到最终的交流的控制电流值。在本发明的一个实施例中，所述控制电流值根据如下步骤得到：
[0070]
将所述偏差进行比例及积分调节，得到控制电压的d轴及q轴分量值ud、uq；
[0071]
将所述控制电压的d轴及q轴分量值ud、uq进行park逆变换，得到控制电压在两相静止坐标系下α、β轴的分量值u
α
、u
β
，其中，类似地，在本发明的一个实施例中，所述park逆变换中所采用的角度值同样根据输入的速度指令值speedcmd计算得到；
[0072]
基于所述控制电压的α、β轴的分量值u
α
、u
β
，进行空间矢量脉宽调制，得到脉宽调制信号pwm；以及
[0073]
基于所述脉宽调制信号控制功率器件的通断，以在氢气循环泵电机上产生三相电流。
[0074]
为了实现如前所述的电流控制方法，图2示出本发明一个实施例的一种氢气循环泵电流控制系统的结构示意图。如图2所示，一种氢气循环泵电流控制系统，包括求和模块201、pi调节器202、park逆变换模块203、svpwm模块204、逆变器205以及电机电流值获取模块206。
[0075]
所述求和模块201的输入端与电流指令输出端及所述电机电流值获取模块206的输出端连接。其用于计算所述电流指令输入端输入的电流指令值与所述电机电流值获取模块206输出的电机电流值之间的差值。
[0076]
所述pi调节器202的输入端连接至所述求和模块201的输出端，其输出端则连接至所述park逆变换模块203的输入端。pi调节器(proportional integral controller)是一种线性控制器，其可根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。在本发明的实施例中，所述pi调节器202用于对电流指令值与电机电流值之间的差值进行比例及积分调节，得到控制电压的d轴及q轴分量值ud、uq。
[0077]
所述park逆变换模块203的输入端连接至所述pi调节器202的输出端，输出端则连接至所述和svpwm模块204的输入端。所述park逆变换模块203用于进行park逆变换，进而将所述控制电压的d轴及q轴分量值ud、uq转换为在两相静止坐标系下α、β轴的分量值u
α
、u
β
。由于在park逆变换中需要用到开环角度θe，因此，在本发明的一个实施例中，所述电流控制系统还包括角度计算模块207。所述角度计算模块(anglegen)207用于根据输入的速度指令值speedcmd计算得到开环角度θe并发送给所述park逆变换模块203。
[0078]
所述svpwm模块204的输入端连接至所述park逆变换模块的输出端，输出端则连接至所述逆变器205的输入端。所述svpwm模块204用于进行空间矢量脉宽调制(svpwm，space vector pulse width modulation)，进而对所述控制电压的α、β轴的分量值u
α
、u
β
进行调制，得到脉宽调制信号pwm。
[0079]
所述逆变器(inverter)205的输入端连接至所述svpwm模块204的输出端，输出端则连接至所述氢气循环泵电机001。所述逆变器205用于把直流电能转变成三相交流电，即将所述pwm信号转换为三相交流电信号，得到控制电流值。
[0080]
所述电机电流值获取模块206用于获取所述氢气循环泵的电机电流值，并输出至所述求和模块。如前所述，在本发明的实施例中，是对所述氢气循环泵的电机三相电流值ia、ib以及ic进行采样，然后进行clark及park变换，得到d轴、q轴分量。基于此，在本发明的
一个实施例中，所述电机电流值获取模块206包括电流采样单元(图中未示出)、clark变换单元262以及park变换单元263。其中，所述电流采样单元用于采样所述氢气循环泵的电机三相电流值ia、ib以及ic。所述clark变换单元262连接至所述电流采样单元的输出端，以用于将所述电机三相电流值ia、ib以及ic转换至二相静止坐标下，得到其在两相静止坐标系下α、β轴的分量值i
α
、i
β
。所述park变换单元263连接至所述clark变换单元262的输出端，以用于将二相静止坐标下的电流值i
α
、i
β
转换至二相旋转坐标下作为反馈量i
dfb
、i
qfb
。类似地，所述park变换单元263的输入端还与所述角度计算模块207连接，以获取根据输入的速度指令值speedcmd计算得到的开环角度θe。
[0081]
基于如前所述的电流控制方法及系统，本发明还提供一种氢气循环泵的破冰启动方法，破冰启动过程分为破冰阶段、清冰阶段、启动阶段三个过程：
[0082]
在接收到破冰指令后，进入破冰阶段。在破冰阶段首先将转速指令设定为正向预启动转速speed1，该转速通过积分会产生一个不断增加的电角度，时间持续t1，之后将转速speed设定为0，持续时间t2，随后将转速指令设定为反向与启动转速-speed1，该转速通过积分会产生一个不断减小的电角度，时间持续t3，之后再次将转速speed设定为0，持续时间t2，然后判定破冰是否成功，若没有成功，则重复执行前述操作n次，直至破冰成功为止；
[0083]
破冰成功后，进入清冰阶段，在清冰阶段，将转速指令设定为speed2，该转速通过积分会产生一个不断变化的电角度，持续时间t4，然后判定清冰阶段是否成功，若没有成功，则重复执行清冰操作，直至清冰成功为止；以及
[0084]
清冰成功后，进入启动阶段，在启动阶段，将转速指令设定为加速转速speed3，转速通过积分产生同样不断加速的电角度，该电流产生的磁场带动电机开始加速，至此完成氢气循环泵的破冰启动。
[0085]
在本发明的实施例中，在破冰阶段、清冰阶段、启动阶段三个阶段，均采用如前所述的电流控制方法，即采用电流闭环控制方式，给定id电流指令i
dcmd1
，iq电流指令i
qcmd1
，i
dcmd1
、i
qcmd1
和反馈电流i
dfb
、i
qfb
一起经过pi控制器，再经过vpark变换和svpwm控制，最终实现电流的控制。
[0086]
在本发明的一个实施例中，通过实时获取电机电流，计算得到实时电压值与理论电机电压值比较的方式，来判定电机破冰或清冰是否成功。具体而言，是计算所述实际电压值与理论电压值的差值，并与预设阈值比较，若所述差值小于所述预设阈值，则认为启动成功。为了保证准确率，通常在当前状态持续一定时长后，才认为破冰成功，基于此，在本发明的一个实施例中，需要连续获取实际电压值并与理论电压值比较，每当差值小于预设阈值，计时加一，直至计时数值大于预设值时，才认为破冰成功。
[0087]
其中所述理论电机电压值u
st
根据预设的电流值、所述电机的相关参数计算得到。所述理论电机电压值其中：
[0088]udt
＝r*i
d-w*lq*ιq；
[0089]uqt
＝r*iq+w(flux+ld*id)；
[0090]
其中，r为电枢电阻，id、iq分别为预设的电机定子电流的d轴及q轴分量，lq为交轴同步电感，ld为直轴同步电感，flux为永磁磁链，以及w为电机电角速度，在本发明的一个实施例中，所述电机电角速度w＝n
p
*wr，其中n
p
为氢气循环泵的电机极对数，以及wr为预设的
氢气循环泵的电机机械角速度。
[0091]
所述电机的实际电压值根据实时测量得到的电流值计算得到。具体而言，在本发明的一个实施例中，通过采样所述电机的三相电流，然后进行clark及park变换，得到所述电机的定子电流的d轴及q轴分量i
dr
、i
qr
，然后基于如前所述的公式计算得到当前的实际电压值。
[0092]
由于在电压的计算中，实际需要用到电机电角速度值，这就使得采用公式直接计算得到的实际电压值存在误差。基于此，在本发明的一个实施例中，采用软件控制的中间量u
dcmd
和u
qcmd
计算得到计算得到来等效代替，作为实际电压值。
[0093]
本发明提供的一种氢气循环泵电流控制方法及系统，通过电流闭环控制以实现氢气循环泵的电流稳定控制，进而将其应用于破冰启动时，可以避免过流风险，使得氢气循环泵电机保持恒定的转矩，有效地提高了设备运行的安全性。
[0094]
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

技术特征：
1.一种氢气循环泵的电流控制方法，其特征在于，包括步骤：提供电流指令值；采样所述氢气循环泵的电机电流值；以及基于所述电机电流值与所述电流指令值的偏差确定控制电流值。2.如权利要求1所述的电流控制方法，其特征在于，所述电流指令值包括所述氢气循环泵的电机定子电流的d轴及q轴分量值。3.如权利要求1所述的电流控制方法，其特征在于，所述电机电流值包括所述氢气循环泵的三相电流值。4.如权利要求1所述的电流控制方法，其特征在于，所述电机电流值与所述电流指令值的偏差根据如下步骤得到：将所述电机电流值进行clark变换，得到其在两相静止坐标系下α、β轴的分量值；将所述α、β轴的分量值进行park变换，得到其在两相旋转坐标系下d轴及q轴的分量值；以及将所述d轴及q轴的分量值与所述电流指令值相减，得到所述偏差。5.如权利要求4所述的电流控制方法，其特征在于，所述park变换中所采用的角度值根据输入的速度指令值得到。6.如权利要求1所述的电流控制方法，其特征在于，所述控制电流值根据如下步骤得到：将所述偏差进行比例及积分调节，得到控制电压的d轴及q轴分量值；将所述控制电压的d轴及q轴分量值进行park逆变换，得到控制电压在两相静止坐标系下α、β轴的分量值；基于所述控制电压的α、β轴的分量值，进行空间矢量脉宽调制，得到脉宽调制信号；以及基于所述脉宽调制信号控制功率器件的通断，以产生三相电流。7.如权利要求6所述的电流控制方法，其特征在于，所述park逆变换中所采用的角度值根据输入的速度指令值得到。8.一种氢气循环泵的电流控制系统，其特征在于，包括：求和模块，其输入端与电流指令输入端及电机电流值获取模块的输出端连接，所述求和模块被配置为计算电机电流值与电流指令值的差值；pi调节器，其连接至所述求和模块的输出端，且被配置为对所述差值进行比例及积分调节；park逆变换模块，连接至所述pi调节器的输出端，且被配置为进行park逆变换；svpwm模块，连接至所述park逆变换模块的输出端，且被配置为进行空间矢量脉宽调制；逆变器，连接至所述svpwm模块的输出端，且被配置为把直流电能转变成三相交流电，得到控制电流值；以及电机电流值获取模块，其被配置为获取所述氢气循环泵的电机电流值，并输出至所述求和模块。9.如权利要求8所述的电流控制系统，其特征在于，所述电机电流值获取模块包括：
电流采样单元，其被配置为采样所述氢气循环泵的电机三相电流值；clark变换单元，连接至所述电流采样单元的输出端，且被配置为将三相电流值转换至二相静止坐标下；以及park变换单元，连接至所述clark变换单元的输出端，且被配置为将二相静止坐标下的电流值转换至二相旋转坐标下。10.如权利要求8所述的电流控制系统，其特征在于，还包括：角度计算模块，其被配置为根据输入的速度指令值计算得到开环角度并发送给所述park逆变换模块及电机电流值获取模块。11.一种氢气循环泵的破冰启动方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任一所述的电流控制方法控制氢气循环泵的电流，控制其到达预设的转速，进行破冰启动。

技术总结
本发明公开一种氢气循环泵的电流控制方法，其采用电流闭环控制方式，首先输入电流指令值，然后采样氢气循环泵的电机电流值，并基于电机电流值与电流指令值的偏差得到控制电流值。通过电流闭环控制可以实现氢气循环泵的电流稳定控制，进而将其应用于破冰启动时，可以避免过流风险，使得氢气循环泵电机保持恒定的转矩，有效地提高了设备运行的安全性。有效地提高了设备运行的安全性。有效地提高了设备运行的安全性。


技术研发人员：靳增峰 徐大炎 刘华健 王娟 董文宇
受保护的技术使用者：华涧新能源科技（上海）有限公司
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/1