多重串聯型逆變器在電動汽車中的應用

摘要：多重串聯型逆變器應用于電動汽車有諸多優點。串聯結構輸出電壓矢量種類大大增加，增強了控制的靈活性，提高了控制的精確性；同時降低了電機中性點電壓的波動。逆變器的旁路特點可提高充電和再生制動控制的靈活性。

關鍵詞：電動汽車；串聯型逆變器；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

??? 隨著人們對城市環境的日益關切，電動汽車的發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，成為優先發展的對象。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。

??? 而采用多重串聯型結構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帶來的危險性，便于蓄電池的拆卸。

圖1? 多 重 串 聯 型 三 相 逆 變 器

2? 多重串聯結構

??? 設m個單元逆變器串聯，如果每個單元逆變器直流側蓄電池電壓相同，則可組合出的電平數為m；如果每一個單元逆變器的蓄電池電壓不同，則組合出的電平數將會大大增加。設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，則正電平數量為2；若Va≠Vb，且Va－Vb≠Vb，則正電平數量為4。可以看出，通過適當選擇電壓比，可以增加輸出電平的種類。以下分析均假設蓄電池電壓相等。

3? 多重串聯逆變器

3.1? 輸出矢量的復數表達

??? 相對于三相SPWM技術，多重串聯型逆變器的控制方法有多諧波PWM技術（SHPWM）[1]，相移PWM技術(PSPWM)[2]等。由于電動汽車對電機的動態響應有較高的要求，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矩控制方法。在矢量控制中，由于多重串聯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次數，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：

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

式中：vaN，vbN，vcN是輸出端A,B,C相對于中性點N的電壓。

?????? a=。

設

??? 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

??? 在多重串聯型結構中，每一單元逆變器有三種狀態：正向導通，反向導通和旁路。如圖2所示，當S11，S14開通，逆變器處于“正向導通”，輸出正向電壓；當S12，S13開通，逆變器處于“反向導通”，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，不輸出電壓。

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

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

圖2? 單 體 逆 變 橋 的 幾 種 狀 態

??? 設單元逆變器的狀態函數

??????? fi=

??? 以A相為例，假設A相由m個單元逆變器串聯組成，中性點電壓恒定，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。

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

3.3? 開關組合選擇

??? 多重逆變橋開關組合的原理框圖如圖3所示。

圖 3? 多 重 逆 變 橋 開 關 組 合 選 擇

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

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UN′=，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，假設每單元逆變器直流側電壓為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N的 電 壓 波 形

圖6二 重 逆 變 橋 輸 出 的 電 壓 波 形

??? 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。在低調制系數下，僅有少數電池貢獻電流。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，開關波形分配如圖7所示。

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

??? 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n個逆變橋串聯，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? 結語

??? 多重串聯型逆變器適用于大功率的電動汽車驅動系統。采用多重串聯型結構，可降低多個蓄電池串聯帶來的危險，降低器件的開關應力和減少電磁輻射。但需要的電池數增加了2倍。

??? 多重串聯型結構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。

參考文獻

[1] G.Carrara,S.Gardella,M.Marchesoni, R. Sallutari, and G.Sciutto.A new multilevel PWM method:A theoretical[J].IEEE Trans. Power Electronics,1997,12(7):497－ 502.

[2] Leon M.Tolbert.Multilevel PWM Methods at Low Modulation Indices[J].IEEE Trans. Power Electronics.2000,15(4).

[3] J.Rodriguez.A Vector Control Technique for Medium Voltage Multilevel Inverters. IEL_0293CNF:7283:19685:911644.

[4] Leon M.Tolbert.Multilevel Inverters for Electric Vehicle Application. IEL_0218CNF:5908:15758:731062.