多重串聯(lián)型逆變器在電動汽車中的應用

多重串聯(lián)型逆變器在電動汽車中的應用 單慶曉1，胡楷1，余志雄2
(1國防科技大學機電工程與儀器系，湖南長沙410000）
(2總裝備部工程設(shè)計研究總院自動化室，北京100008）

1概述

隨著人們對城市環(huán)境的日益關(guān)切，電動汽車的發(fā)展得到了一個難得的機遇。在城市交通中，電動大客車由于載量大，綜合效益高，成為優(yōu)先發(fā)展的對象。電動大客車大都采用三相交流電機，由于電機功率大，三相逆變器中的器件需要承受高電壓和大電流應力的作用，較高的dv/dt又使電磁輻射嚴重，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器件承受的電壓應力，降低了對器件的要求；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。每一個單元逆變器是一個單相全橋逆變器，有獨立的直流電源，在電動車上，是由獨立的蓄電池提供。因此，降低了多個蓄電池串聯(lián)帶來的危險性，便于蓄電池的拆卸。

2多重串聯(lián)結(jié)構(gòu)

設(shè)m個單元逆變器串聯(lián)，如果每個單元逆變器直流側(cè)蓄電池電壓相同，則可組合出的電平數(shù)為m；如果每一個單元逆變器的蓄電池電壓不同，則組合出的電平數(shù)將會大大增加。設(shè)逆變器由兩個蓄電池電壓分別為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?，通過適當選擇電壓比，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輸出矢量的復數(shù)表達

相對于三相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。由于電動汽車對電機的動態(tài)響應有較高的要求，采用三相異步電機的電動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可大大降低開關(guān)次數(shù)，減少輸出電流的諧波，改善跟蹤效果。

當采用空間矢量控制時，逆變器輸出矢量可表示如下：

式中：vaN，vbN，vcN是輸出端A,B,C相對于中性點N的電壓。

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团月贰Ｈ鐖D2所示，當S11，S14開通，逆變器處于“正向?qū)ā?，輸出正向電壓；當S12，S13開通，逆變器處于“反向?qū)ā?，輸出反向電壓；如上橋臂全部開通或下橋臂全部開通，則逆變器處于“旁路”狀態(tài)，不輸出電壓。
設(shè)單元逆變器的狀態(tài)函數(shù)

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

式中：Vi為第i單元逆變器蓄電池電壓。

對于三相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數(shù)為8n3。考慮到輸出矢量必須維持中性點電壓的穩(wěn)定，在靜態(tài)坐標系中可行的空間矢量種類數(shù)量為3（2n）(2n－1)＋1[3]。則對于三相二重串聯(lián)型逆變橋，可選擇空間矢量個數(shù)為37。

3.3開關(guān)組合選擇

多重逆變橋開關(guān)組合的原理框圖如圖3所示。

由于多重逆變器存在開關(guān)冗余狀態(tài)，即對于同一個空間矢量，可通過多個開關(guān)組合實現(xiàn)，這是由于多重逆變器的特點決定的。由于開關(guān)組合不再唯一，為使每一開關(guān)器件工作頻率相等，在選擇空間矢量后，還需要進行開關(guān)頻率均衡控制，選擇合適的開關(guān)組合。

4中性點的偏移

對于圖4所示的兩電平的三相逆變器，以N′的電壓為參考電壓，則
其中性點N的電壓是脈動的，脈動幅度為Ud/6，波形如圖5所示[3]。對于多重逆變器而言，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

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

5蓄電池的均衡充放電

由于電動汽車的工況隨著駕駛情況的不同而改變，因此電機的電壓也是在隨時波動。對于多重逆變器而言，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)電池貢獻電流。這部分電池相對其它電池而言，放電速度更快些。

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

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

6結(jié)語

多重串聯(lián)型逆變器適用于大功率的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。采用多重串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，可降低多個蓄電池串聯(lián)帶來的危險，降低器件的開關(guān)應力和減少電磁輻射。但需要的電池數(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，從而增強了控制的靈活性，提高了控制的精確性；同時降低電機中性點電壓的波動。為維持每組蓄電池電量的均衡，在運行時需要確保電池的放電時間一致。通過旁路方式，可靈活地對蓄電池組充電，還可控制再生制動的力矩。

  來源:零八我的愛