氢燃料电池高速空压机控制器设计 .docx
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2022-12-15
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1 引言
新能源汽车采用电能作为主要能源,以电动机作为能量转换工具,电能在转
化成机械能的过程中几乎没有其他物质排放,同时电动机驱动系统的噪声低、
变速平滑,这些特点促进了新能源汽车应用和产业的快速发展
[1]
。燃料电池是一
种通过催化剂促进燃料进行氧化还原反应,在正、负极形成电子移动的电池。
其中氢燃料电池使用氢气作为燃料,利用电解水的逆反应产出电能,具有三个明
显的优势：产物水对环境零污染,能量转换高效率,续航里程长,而且氢气燃料的
来源非常丰富,是未来新能源汽车最具前景的动力能源。然而,氢燃料电池至今
没有得到大规模应用,其根本原因是成本太高,目前氢燃料电池汽车的价格是燃
油汽车和纯电动汽车的 2~3 倍。氢燃料电池汽车成本中 2/3 是燃料电池系统的
花费：一方面,制氢、供氢、加氢系统的配套建设还不完善,规模化效益还未形
成,用氢价格超过了燃油价格;另一方面,燃料电池汽车使用的关键零部件成本非
常高,例如质子交换膜电池中含有贵重金属的催化剂铂、储氢罐需要采用耐压
70 MPa 的特殊材料,膜电极制造工艺精度达到 0.01 mm,还需要给电池化学反
应提供高温高压空气的高速空压机。
高速空压机为氢燃料电池提供电化学反应所需的氧气浓度和压力,研究表
明在相同电流密度下,电池输出电压随氧气压力增大而升高
[2]
。高速永磁电动机
尺寸小,可以省去机械增速机构和油润滑装置,降低噪声同时提高系统传动效率,
适合驱动氢燃料电池空压机。但是高速永磁电动机设计相比于常规电动机面临
更多问题：首先是高频电流和磁场变化带来的损耗增加,在高速永磁电动机体
积相对较少的情况下散热更加困难
[3]
。其次是高速永磁电动机的结构强度和机
械临界转速需要重点考虑,特别是永磁体保护套设计
[4]
。最后是高速永磁电动机
所用的轴承,其控制技术和制造工艺技术都要求非常高。
高永磁速电动机控制相比于低频永磁电动机难度更大。首先高速永磁电动
机安装位置传感器成本高、可靠性差,因此高电动机通常采用无传感器位置控
制方法
[5]
。其次高速永磁电动机的电流换向频率高,通常要求功率元件的开关频
率高,但会使功率元器件发热严重,导致控制器效率降低。宽禁带半导体如 SiC
或 GaN 具有较高的散热系数和运行开关频率
[6]
,但是目前价格非常高,使控制器
成本大幅增加。最后高速永磁电动机电流换向频率高,控制器需要高速采集电
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