多重串聯(lián)型逆變器在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

摘要：多重串聯(lián)型逆變器應(yīng)用于電動(dòng)汽車有諸多優(yōu)點(diǎn)。串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電壓矢量種類大大增加，增強(qiáng)了控制的靈活性，提高了控制的精確性；同時(shí)降低了電機(jī)中性點(diǎn)電壓的波動(dòng)。逆變器的旁路特點(diǎn)可提高充電和再生制動(dòng)控制的靈活性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；串聯(lián)型逆變器；逆變器的旁路

Application of Cascaded Inverter to Electric Vehicle

SHAN Qing-xiao, HU Kai, YU Zhi-xong 

Abstract:The application of cascaded inverter to electric vehicle can improve control freedom and accuracy by increasing number of output vector. And the voltage ripple of motor common end is also reduced. Bypass mode of single inverter is applied to increase control effect of charge and regenerative brake. 

Keywords:Electric vehicle; Cascaded inverter; Bypass mode of inverter 

1  概述

    隨著人們對(duì)城市環(huán)境的日益關(guān)切，電動(dòng)汽車的發(fā)展得到了一個(gè)難得的機(jī)遇。在城市交通中，電動(dòng)大客車由于載量大，綜合效益高，成為優(yōu)先發(fā)展的對(duì)象。電動(dòng)大客車大都采用三相交流電機(jī)，由于電機(jī)功率大，三相逆變器中的器件需要承受高電壓和大電流應(yīng)力的作用，較高的dv/dt又使電磁輻射嚴(yán)重，并且需要良好的散熱。

    而采用多重串聯(lián)型結(jié)構(gòu)的大功率逆變器則降低了單個(gè)器件承受的電壓應(yīng)力，降低了對(duì)器件的要求；降低了dv/dt值，減少了電磁輻射，器件的發(fā)熱也大大減少；由于輸出電平種類增加，控制性能更好。

    圖1為采用多重串聯(lián)方式的三相逆變器。每一個(gè)單元逆變器是一個(gè)單相全橋逆變器，有獨(dú)立的直流電源，在電動(dòng)車上，是由獨(dú)立的蓄電池提供。因此，降低了多個(gè)蓄電池串聯(lián)帶來(lái)的危險(xiǎn)性，便于蓄電池的拆卸。

圖1  多 重 串 聯(lián) 型 三 相 逆 變 器

2  多重串聯(lián)結(jié)構(gòu)

    設(shè)m個(gè)單元逆變器串聯(lián)，如果每個(gè)單元逆變器直流側(cè)蓄電池電壓相同，則可組合出的電平數(shù)為m；如果每一個(gè)單元逆變器的蓄電池電壓不同，則組合出的電平數(shù)將會(huì)大大增加。設(shè)逆變器由兩個(gè)蓄電池電壓分別為Va和Vb的單元逆變器組成(Va>Vb)，則可輸出的正電平有Va＋Vb，Va，Va－Vb，Vb。若Va=Vb，則正電平數(shù)量為2；若Va≠Vb，且Va－Vb≠Vb，則正電平數(shù)量為4?？梢钥闯?，通過(guò)適當(dāng)選擇電壓比，可以增加輸出電平的種類。以下分析均假設(shè)蓄電池電壓相等。

3  多重串聯(lián)逆變器

3.1  輸出矢量的復(fù)數(shù)表達(dá)

    相對(duì)于三相SPWM技術(shù)，多重串聯(lián)型逆變器的控制方法有多諧波PWM技術(shù)（SHPWM）[1]，相移PWM技術(shù)(PSPWM)[2]等。由于電動(dòng)汽車對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有較高的要求，采用三相異步電機(jī)的電動(dòng)汽車一般采用矢量控制方法和直接轉(zhuǎn)矩控制方法。在矢量控制中，由于多重串聯(lián)型逆變器可輸出多種PWM電平，因此在電流跟蹤控制時(shí)可大大降低開(kāi)關(guān)次數(shù)，減少輸出電流的諧波，改善跟蹤效果。

    當(dāng)采用空間矢量控制時(shí)，逆變器輸出矢量可表示如下：

     v(t)=〔vaN(t)＋a·vbN(t)＋a2·vcN（t）〕（1）

式中：vaN，vbN，vcN是輸出端A,B,C相對(duì)于中性點(diǎn)N的電壓。

       a=。

設(shè)

    v(t)=vx＋i·vy

則

     vx=(2·vaN－vbN－vcN)  （2）

     vy=·（vbN－vcN）    （3）

3.2  單元逆變器的幾種狀態(tài)

    在多重串聯(lián)型結(jié)構(gòu)中，每一單元逆變器有三種狀態(tài)：正向?qū)?，反向?qū)ê团月?。如圖2所示，當(dāng)S11，S14開(kāi)通，逆變器處于“正向?qū)?rdquo;，輸出正向電壓；當(dāng)S12，S13開(kāi)通，逆變器處于“反向?qū)?rdquo;，輸出反向電壓；如上橋臂全部開(kāi)通或下橋臂全部開(kāi)通，則逆變器處于“旁路”狀態(tài)，不輸出電壓。

(a)  正 向 導(dǎo) 通                                             (b)  反 向 導(dǎo) 通

(c)  旁 路 狀 態(tài)1                                      (d)  旁 路 狀 態(tài)2

圖2  單 體 逆 變 橋 的 幾 種 狀 態(tài) 

    設(shè)單元逆變器的狀態(tài)函數(shù)

        fi=

    以A相為例，假設(shè)A相由m個(gè)單元逆變器串聯(lián)組成，中性點(diǎn)電壓恒定，則A相輸出電壓為

       vaN=fiVi

式中：Vi為第i單元逆變器蓄電池電壓。

    對(duì)于三相n重串聯(lián)型逆變橋，由以上分析可知，每單相可輸出2n種電壓，則三相可組合出的空間電壓矢量個(gè)數(shù)為8n3。考慮到輸出矢量必須維持中性點(diǎn)電壓的穩(wěn)定，在靜態(tài)坐標(biāo)系中可行的空間矢量種類數(shù)量為3（2n）(2n－1)＋1[3]。則對(duì)于三相二重串聯(lián)型逆變橋，可選擇空間矢量個(gè)數(shù)為37。

3.3  開(kāi)關(guān)組合選擇

    多重逆變橋開(kāi)關(guān)組合的原理框圖如圖3所示。

圖 3  多 重 逆 變 橋 開(kāi) 關(guān) 組 合 選 擇

    由于多重逆變器存在開(kāi)關(guān)冗余狀態(tài)，即對(duì)于同一個(gè)空間矢量，可通過(guò)多個(gè)開(kāi)關(guān)組合實(shí)現(xiàn)，這是由于多重逆變器的特點(diǎn)決定的。由于開(kāi)關(guān)組合不再唯一，為使每一開(kāi)關(guān)器件工作頻率相等，在選擇空間矢量后，還需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)頻率均衡控制，選擇合適的開(kāi)關(guān)組合。

4  中性點(diǎn)的偏移

    對(duì)于圖4所示的兩電平的三相逆變器，以N′的電壓為參考電壓，則UN′=，其中性點(diǎn)N的電壓是脈動(dòng)的，脈動(dòng)幅度為Ud/6，波形如圖5所示[3]。對(duì)于多重逆變器而言，其輸出的電平有多種，以二重逆變器為例，假設(shè)每單元逆變器直流側(cè)電壓為Ud，輸出的uUN′，uVN′，uWN′是階梯波，階梯波的電平分別為Ud，2Ud，如圖6所示。設(shè)uN=Ud，由

     uNN′=(uUN′＋uVN′＋uWN′)   （4）

可得   uNN′=0

圖4  三 相 電 壓 型 橋 式 電 路

圖5  中 性 點(diǎn)N的 電 壓 波 形

圖6二 重 逆 變 橋 輸 出 的 電 壓 波 形

    可見(jiàn)，在二重逆變橋工作過(guò)程中，通過(guò)合適選擇輸出矢量，中性點(diǎn)N的電壓可以保持恒定。

5  蓄電池的均衡充放電

    由于電動(dòng)汽車的工況隨著駕駛情況的不同而改變，因此電機(jī)的電壓也是在隨時(shí)波動(dòng)。對(duì)于多重逆變器而言，并不是所有電池都參與電流的提供。在低調(diào)制系數(shù)下，僅有少數(shù)電池貢獻(xiàn)電流。這部分電池相對(duì)其它電池而言，放電速度更快些。

    為平衡電池的放電，有人提出采用交替導(dǎo)通的方法，均衡電池的放電[4]。這一方法用于兩重逆變器時(shí)，開(kāi)關(guān)波形分配如圖7所示。

圖7兩 重 逆 變 器 采 用 交 替 導(dǎo) 通 的 方 法 均 衡 蓄 電 池 的 放 電

    蓄電池充電和再生制動(dòng)時(shí)，多重逆變器作為整流器工作。每單元逆變器當(dāng)上橋臂或下橋臂全部導(dǎo)通時(shí)，該逆變器的蓄電池組則被旁路。設(shè)n個(gè)逆變橋串聯(lián)，i個(gè)逆變器被旁路，則輸出電壓為(n－i)Ud。通過(guò)旁路方式，可靈活的對(duì)蓄電池組充電，還可控制再生制動(dòng)的力矩。

6  結(jié)語(yǔ)

    多重串聯(lián)型逆變器適用于大功率的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。采用多重串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，可降低多個(gè)蓄電池串聯(lián)帶來(lái)的危險(xiǎn)，降低器件的開(kāi)關(guān)應(yīng)力和減少電磁輻射。但需要的電池?cái)?shù)增加了2倍。

    多重串聯(lián)型結(jié)構(gòu)輸出電壓矢量種類大大增加，從而增強(qiáng)了控制的靈活性，提高了控制的精確性；同時(shí)降低電機(jī)中性點(diǎn)電壓的波動(dòng)。為維持每組蓄電池電量的均衡，在運(yùn)行時(shí)需要確保電池的放電時(shí)間一致。通過(guò)旁路方式，可靈活地對(duì)蓄電池組充電，還可控制再生制動(dòng)的力矩。