基于Z源逆變器的電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

王繼東 王彪 王智強(qiáng) 華小草

摘 要：Z源逆變器因其特有的結(jié)構(gòu)和可以升壓降壓的特性，可以應(yīng)用于各類性能要求高的場(chǎng)合。文章以電動(dòng)汽車中Z源逆變器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)為背景，達(dá)到減小電感和電流的波紋的目的，也可以進(jìn)一步避免損傷逆變器電子器件。在電機(jī)快速運(yùn)行狀態(tài)下，由于Z源網(wǎng)絡(luò)母線電壓的升高，所以電動(dòng)汽車的各類性能得到提升；低速時(shí)，Z源網(wǎng)絡(luò)母線電壓被降低和穩(wěn)定，這促進(jìn)了電動(dòng)汽車的各類性能的進(jìn)一步優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；Z源逆變器；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；空間矢量脈寬調(diào)制

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）28-0044-05

Abstract： Z-Source Inverter can be used in all kinds of high performance situations because of its unique structure and the characteristics of voltage rise and voltage reduction. In order to reduce the ripple of inductance and current， this paper takes the drive of electric motor driven by Z-source inverter as the background， and can further avoid the damage of inverter electronic devices. When the motor is running fast， the bus voltage of the Z-source network is increased， so the performance of the EV is improved. At low speed， the bus voltage of the Z-source network is reduced and stabilized. This promotes the further optimization of all kinds of performance of the electric vehicle.

Keywords： electric vehicle； Z-source inverter； motor drive； space vector pulse width modulation

1 概述

在當(dāng)今世界，自然能源的不斷減少和人口的不斷增長(zhǎng)構(gòu)成了當(dāng)今能源的主要問題和矛盾。隨著人們生活的不斷改善，人們對(duì)環(huán)保的意識(shí)不斷增加，以電能等新能源為代表的各類電動(dòng)、混動(dòng)車將成為今后人們的主流出行方式。在新能源汽車行業(yè)中，油電混動(dòng)車和裝載節(jié)能內(nèi)燃機(jī)的汽車得到了推廣，與此同時(shí)，整個(gè)汽車工業(yè)的技術(shù)水平也在探索中逐步提升[1]。

新能源汽車的技術(shù)，核心在于驅(qū)動(dòng)裝置的控制系統(tǒng)，其中以電動(dòng)汽車最具有代表性。傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)汽車在加速狀態(tài)中，會(huì)降低電動(dòng)汽車儲(chǔ)能裝置的電壓大小，同時(shí)電量快速減少，當(dāng)其電壓達(dá)到逆變器之間的導(dǎo)線電壓時(shí)，會(huì)影響逆變器母線電壓，從而使得電動(dòng)汽車的性能達(dá)不到理想的狀態(tài)。

本文以新型的Z源逆變器代替一般的逆變器，設(shè)計(jì)了新的電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，創(chuàng)新點(diǎn)在于基于雙向Z源逆變器的整體設(shè)計(jì)。在電機(jī)快速運(yùn)行狀態(tài)下，由于Z源網(wǎng)絡(luò)母線電壓的升高，而使電動(dòng)汽車的各種性能提高很多；低速時(shí)，通過降低和穩(wěn)定Z源網(wǎng)絡(luò)母線電壓而使電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能得到很大提高。在工程實(shí)際中應(yīng)用價(jià)值很大，可以應(yīng)用于絕大多數(shù)需要高頻改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩以及輸出功的電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)所，而且其非常適用于寬范圍調(diào)速運(yùn)行的電機(jī)使用場(chǎng)合。

在日本的汽車公司中，出現(xiàn)了采用了永磁同步電機(jī)的豐田公司，而國內(nèi)的比亞迪公司制造的純電動(dòng)汽車也是采用永磁同步電機(jī)。Z源逆變網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，在新能源汽車領(lǐng)域中得到了極大的發(fā)展。傳統(tǒng)的逆變器是只能通過降低電壓的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，而Z源網(wǎng)絡(luò)則能夠在逆變器之前（通常在直流電源之后）增加DC-DC轉(zhuǎn)換器[2]。Z源逆變器不僅成本價(jià)格低，而且有性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。本文基于Z源逆變器設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)原理及檢測(cè)方法確定

2.1 系統(tǒng)原理

在逆變橋的前端位置，設(shè)置由一組電容、電感組成X字型結(jié)構(gòu)的無源網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)指標(biāo)如表格1所示，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示：

直流母線的箝位電路如下圖2所示。設(shè)計(jì)此電路的原因是要盡量減少電壓過沖發(fā)生在易受磨損的功率器件上。如圖2所示。3對(duì)智能功率模塊IPM組成了它，而IPM在直流母排上并聯(lián)連接。在設(shè)計(jì)上，使每對(duì)雙管IPM都在其獨(dú)有的箝位電路上穩(wěn)定工作，這樣可以實(shí)現(xiàn)電流通過的時(shí)間大大縮短，減小了輸出阻抗的效果。

C4，C5和C6都直接跨接在直流母線的兩端。二極管D1串接在C4和C5之間，D2，D3兩個(gè)二極管的功能是用于電容C4的放電，連接于母線和箝位電路。

2.2 檢測(cè)方法的確定

SVPWM控制方法電動(dòng)汽車的電機(jī)控制中應(yīng)用廣、范例多。一般說來，其具有高效率利用電壓、含有電流諧波的成分較低、能夠逆變而實(shí)現(xiàn)輸出電壓等等突出的優(yōu)點(diǎn)。改進(jìn)SVPWM控制Z源逆變器的控制策略，最核心的部分是如何設(shè)計(jì)過零環(huán)節(jié)，使得在采用一般的SVPWM控制方法的時(shí)候，讓系統(tǒng)的增壓功能得以正確實(shí)現(xiàn)。通過分析電感電流紋波分布，我們綜合了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，得出SVPWM控制方法中，電感電流最大值的原因，并且以此為一個(gè)重要的出發(fā)點(diǎn)，提出了我們自己設(shè)計(jì)的方法和思路。改變直通時(shí)導(dǎo)通狀態(tài)的大小分布，可以減小電感的電流紋波，并且與之前方法做出來比較。

2.2.1 Z源逆變器基本工作原理

簡(jiǎn)單來說，兩個(gè)電容、兩個(gè)電感，構(gòu)建成的X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)，就是Z源逆變器。逆變器連接到為任何類型的負(fù)載供電的直流電源。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一定的特點(diǎn)和特性，其中包括了允許直接訪問橋臂，并且將升降壓特性提供給逆變器。

其結(jié)構(gòu)如圖3所示：

Z源逆變器可有直通狀態(tài)、非直通狀態(tài)，如下面圖4，非直通狀態(tài)可以分為兩種，包括傳統(tǒng)零向量以及傳統(tǒng)狀態(tài)。對(duì)于傳統(tǒng)的三相電壓型逆變器來說，其具有八個(gè)開放的矢量狀態(tài)。在直流電壓直接加到負(fù)載上的情況下，有六個(gè)有效的矢量，并且當(dāng)上三個(gè)分量同時(shí)存在于逆變器臂上的時(shí)候，將存在有兩個(gè)傳統(tǒng)的零矢量狀態(tài)[2]。相反，Z源逆變器具有直接過零矢量，也就是說，當(dāng)同相或多相短路出現(xiàn)于逆變器上，將產(chǎn)生一個(gè)直接狀態(tài)。

如圖5所示，是Z源逆變器的等效電路。在直接連接的情況下，逆變器橋相當(dāng)于短路，電源電壓此時(shí)小于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中電容的電壓，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電容開始成為激勵(lì)源，通過電感向外供能，并且電感中的電流值被抬升，逆變橋相當(dāng)于電流源。傳統(tǒng)的零矢量狀態(tài)對(duì)應(yīng)于電流源；而傳統(tǒng)的有效矢量狀態(tài)則對(duì)應(yīng)于電壓源。

2.2.2 Z源逆變器在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用

Z源逆變器的單級(jí)結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于包括永磁同步電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的各種類型的電動(dòng)車輛，特別是能夠代替普通電動(dòng)車中的雙向DC-DC和逆變器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)[3-7]。

近幾年，國內(nèi)外的很多專家對(duì)Z源逆變器做出來大量的研究，中國科學(xué)院在這個(gè)領(lǐng)域有很大的進(jìn)展，為了完成以電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，具有電動(dòng)和制動(dòng)功能，提出了一種電動(dòng)汽車雙向能量Z源逆變器的控制系統(tǒng)模型[7]。重慶大學(xué)的劉和平團(tuán)隊(duì)提出了新的控制方法，控制Z源網(wǎng)絡(luò)中輸出母線電壓，使用雙向Z源逆變器提高電動(dòng)汽車的性能，即將直流母線的峰值電壓限制在基本速度范圍內(nèi)，使車輛可以控制，在基本速度巡航期間保持恒定的總線電壓和速度驅(qū)動(dòng)，速度與直流母線電壓成正比例關(guān)系[8]。來自布魯塞爾自由大學(xué)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提出了包括在混合動(dòng)力汽車中用雙向Z源逆變器代替兩級(jí)電壓源型逆變器、用雙向Z源逆變器代替插塞式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中的雙向充電器在內(nèi)的三種電動(dòng)車Z源逆變器。為了實(shí)現(xiàn)充電，一種可以廣泛適用于燃料電池混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）的Z源逆變器被提出，功能更加強(qiáng)大[9]。

3 總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)框圖：

在基于Z源逆變器的電動(dòng)汽車組成系統(tǒng)中，基于Z源異步電機(jī)控制器是核心，電機(jī)控制器連接三相感應(yīng)電機(jī)和蓄電池，電池管理技術(shù)連接蓄電池控制器，強(qiáng)力保障了整個(gè)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)用CAN總線連接，使之便于實(shí)現(xiàn)一體化的控制策略。系統(tǒng)的框圖如圖6所示。

本電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用TMS320F28035PAGT控制器的PWM模塊來進(jìn)行配置，然后輸出6路能單獨(dú)控制的PWM，與傳統(tǒng)的矢量控制算法不同，是通過數(shù)字信號(hào)處理完成電機(jī)矢量控制算法。直通控制算法可以通過空間矢量脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖7所示。

4 軟硬件設(shè)計(jì)及測(cè)試算法

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

Z源逆變器由一個(gè)由電感和電容組成的無源網(wǎng)絡(luò)組成。Z源網(wǎng)絡(luò)連接到逆變器橋的前端。Z源逆變器的額定輸出功率為3kV。通過計(jì)算可以得到，其峰值輸出線電壓78V，輸出電壓48V，斬波頻率為15kHz，平均電流為100A，電壓波紋10%，電流波紋0.2，平均電壓為40V。

4.1.1 Z源網(wǎng)絡(luò)電感設(shè)計(jì)

4.1.2 電容容量計(jì)算

4.1.3 基于Z源逆變器的SVPWM控制算法

在傳統(tǒng)的SVPWM技術(shù)中，逆變橋定義為上、下管中，開通和閉合時(shí)分別用1和0表示。橋的3個(gè)臂由8個(gè)稱為基本空間矢量的開關(guān)狀態(tài)矢量組成，他們與零矢量一起將空間分為差為60度6個(gè)扇區(qū)。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 軟件需求

為了給出理論研究的驗(yàn)證性結(jié)論，我們進(jìn)行了基于上述新型逆變器的動(dòng)力系統(tǒng)的仿真。

4.2.2 功能流程圖及數(shù)學(xué)模型

如圖8、9所示：按照設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)搭建了Simulink仿真模型。采用了SVPWM調(diào)制的三相異步電動(dòng)機(jī)，Z源網(wǎng)絡(luò)電容為500e-6（F），Z源網(wǎng)絡(luò)電感為500e-6（H）。

從仿真波形可以看出設(shè)計(jì)的基于Z源逆變器的電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能滿足要求，驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制算法的可行性和有效性。

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