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1 概述 隨著人們對城市環(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d/d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，降低了對器件的要求；降低了d/d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。 2 多重串聯(lián)結(jié)構(gòu) 設(shè)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；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a和b的單元逆變器組成(a＞b)，則可輸出的正電平有a＋b，a，a－b，b。若a=b，則正電平數(shù)量為2；若a≠b，且a－b≠b，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），相移PWM技術(shù)(PSPWM)等。由于電動(dòng)汽車對電機(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： 式中：vaN，vbN，vcN是輸出端A,B,C相對于中性點(diǎn)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)ǎ聪驅(qū)ê团月贰Ｈ鐖D2所示，當(dāng)S11，S14開通，逆變器處于“正向?qū)ā保敵稣螂妷海划?dāng)S12，S13開通，逆變器處于“反向?qū)ā保敵龇聪螂妷海蝗缟蠘虮廴块_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(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 式中：Vi為第單元逆變器蓄電池電壓。 對于三相重串聯(lián)型逆變橋，由以上分析可知，每單相可輸出2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（2）(2－1)＋1。則對于三相二重串聯(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(gè)空間矢量，可通過多個(gè)開關(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(jìn)行開關(guān)頻率均衡控制，選擇合適的開關(guān)組合。 4 中性點(diǎn)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(diǎn)N的電壓是脈動(dòng)的，脈動(dòng)幅度為d/6，波形如圖5所示。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d，2d，如圖6所示。設(shè)N=d，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(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。這一方法用于兩重逆變器時(shí)，開關(guān)波形分配如圖7所示。 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)個(gè)逆變橋串聯(lián)，個(gè)逆變器被旁路，則輸出電壓為(－)d。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(dòng)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(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)帶來的危險(xiǎn)，降低器件的開關(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。通過旁路方式，可靈活地對蓄電池組充電，還可控制再生制動(dòng)的力矩。 |
