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。可以看出，通過適當(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開通，逆變器處于“正向?qū)?rdquo;，輸出正向電壓；當(dāng)S12，S13開通，逆變器處于“反向?qū)?rdquo;，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。

(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)