鉅大LARGE | 點擊量：503次 | 2022年02月24日
一種基于Z源逆變器的燃料動力鋰離子電池汽車變換器
近幾年來隨著汽車需求的高速上升，石油進口大量新增，使國家能源安全面對著重大挑戰(zhàn)。同時，環(huán)境問題日益突出，據(jù)統(tǒng)計，60％的城市污染來自汽車。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料動力鋰電池汽車具有無污染，工作效率高，低噪音，行駛平穩(wěn)和不依靠石油等諸多優(yōu)勢，是汽車將來發(fā)展的方向，得到了社會的廣泛關(guān)注和支持。
在燃料動力鋰電池汽車系統(tǒng)中，燃料動力鋰電池和蓄電池是整車所需能量的來源，變換器是整個動力系統(tǒng)能量流動的緊要環(huán)節(jié)。變換器是燃料動力鋰電池和蓄電池之間的一個周期性通斷的開關(guān)控制裝置，具有調(diào)節(jié)電壓及變換電壓形式的功能，有關(guān)燃料動力鋰電池汽車，其驅(qū)動系統(tǒng)中的變換器應(yīng)包括DC／DC(直流-直流)變換器和DC／AC(直流-交流)變換器。
燃料動力鋰電池汽車車輪的動力來自于電機轉(zhuǎn)動，目前在燃料動力鋰電池汽車上直流電機的使用逐漸被交流電機所取代，目前使用最多且最被看好的是異步電機及永磁電機，而對其控制往往是靠將相應(yīng)的三相交流電加在其上完成的，因此，燃料動力鋰電池汽車中要有逆變器完成DC／AC變換。事實也聲明交流電機驅(qū)動系統(tǒng)是將來電動汽車電氣驅(qū)動系統(tǒng)的主流。
傳統(tǒng)的燃料動力鋰電池汽車借助DC／DC變換器和后級DC／AC變換器的配合調(diào)節(jié)，實現(xiàn)交流電機的寬范圍多方式調(diào)速，DC／DC變換器對燃料動力鋰電池的最大輸出電流和功率進行控制，以保護燃料動力鋰電池，同時穩(wěn)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)線上的電壓；DC／AC變換器起到電能變換控制的用途，將系統(tǒng)總線上的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于電機運行的電能，同時控制電機的運行，構(gòu)成典型的兩級式電能變化。
傳統(tǒng)boost拓撲升壓困難，因為該拓撲升壓因子很大時，開關(guān)導(dǎo)通比接近1，這樣開關(guān)導(dǎo)通時間過長而開關(guān)截止時間過短，從而導(dǎo)致?lián)p耗和溫升過大，影響實用，限制其調(diào)壓范圍。然而常采用的逆變裝置面對著因為額外加入的boost升壓斬波電路，新增了系統(tǒng)成本，降低了變換效率；由于控制失誤或電磁干擾的任何原由導(dǎo)致逆變器上下管直通將損壞開關(guān)管；為了戒備開關(guān)管直通而加入的死區(qū)又影響了輸出電流波形，存在大量諧波等問題。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
一般來說，兩級式效率要低于單級式系統(tǒng)。新型Z源網(wǎng)絡(luò)能利用其神奇的無源網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)升降壓變換功能，而且還保持了單級結(jié)構(gòu)和高效率，具有很好的研究價值。當燃料動力鋰電池輸入電壓較低時，Z源網(wǎng)絡(luò)通過直通時間的引入，工作于升壓模式；當輸入電壓較高時，不需加入直通時間，此時Z源網(wǎng)絡(luò)工作于降壓模式。因此，本文所提出的Z源逆變網(wǎng)絡(luò)能很好地適應(yīng)汽車燃料動力鋰電池輸出電壓的寬范圍變化。采用Z源電容電壓閉環(huán)控制，使電容電壓值穩(wěn)定在合理的給定，從而使直流母線電壓和輸出電壓保持穩(wěn)定。
傳統(tǒng)Z源逆變器存在一些不足，本文通過引入一種性能較高的新型Z源逆變器，使Z源逆變器在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，性能更加完善，更加滿足于燃料動力鋰電池汽車的一些要求，具有很高的研究價值和使用價值。對它的控制可通過使用電壓空間矢量調(diào)制辦法，在傳統(tǒng)零矢量用途區(qū)間施加直通零矢量，在不影響有效輸出電壓矢量的前提下，能夠同時實現(xiàn)對直流電壓的控制，相有關(guān)正弦脈寬調(diào)制等辦法，具有分明優(yōu)點。但是傳統(tǒng)SVpWM辦法沒有直通狀態(tài)，無法筆直使用于Z源逆變器。本文針對這一問題給出實現(xiàn)辦法。同時高性能新型Z源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，相有關(guān)傳統(tǒng)Z源結(jié)構(gòu)，會在直流電壓側(cè)多一個開關(guān)管，所以文中對其開關(guān)控制也予以了說明。
1Z源逆變器
1．1傳統(tǒng)Z源逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理
電壓型三相Z源逆變器的主電路拓撲如圖1所示。
式中：VDC為直流電源電壓。
假設(shè)在一個開關(guān)周期T中，逆變橋工作于直通零電壓狀態(tài)的時間為T0，工作于非直通零電壓狀態(tài)的時間為T1，T=T0+T1，則在穩(wěn)態(tài)下一個開關(guān)周期電感兩端的均勻電壓必然為0，由式(2)和式(3)可推出：
式中：M為逆變器的調(diào)制因子，。顯然，通過適宜地改變升壓因子和調(diào)制因子，交流側(cè)輸出電壓即可以升高也可以降低，所以說Z源逆變器具有靈活的升降壓特性。由以上分解知，之間均只相差一個常系數(shù)，只要對其中一個量進行控制就可以實現(xiàn)對其余兩個量的控制。通常采用Z源電容電壓閉環(huán)控制，使電容電壓值穩(wěn)定在合理的給定范圍內(nèi)，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。
傳統(tǒng)Z源逆變器的優(yōu)勢緊要包括：運用直通零電壓來升高直流電壓，以實現(xiàn)逆變器輸出電壓的升壓功能，實現(xiàn)寬范圍調(diào)壓；由于Z源網(wǎng)絡(luò)的引入，提高了逆變橋的安全性；消除了死區(qū)對輸出交流電壓的影響；減小開關(guān)損耗，提高電能變換效率。因此Z源逆變器供應(yīng)了一種低成本、高可靠性的單級式升降壓逆變器實現(xiàn)辦法。Z源逆變器的上述優(yōu)勢使它在燃料動力鋰電池發(fā)電等輸入電壓寬范圍變化的新能源場合具有潛在的使用前景。
然而進一步分解發(fā)現(xiàn)，它還存在如下局限性：在輕載運行時，Z網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的最大值會越來越高，而從高頻來看，Z網(wǎng)絡(luò)輸出電壓存在很分明的畸變；在輕載時，Z源逆變器直流鏈電壓是發(fā)散的，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。變換器存在啟動沖擊問題，不具有抑制啟動沖擊的能力，從而損壞變換器。
1．2Z源逆變器的改進
為了解決傳統(tǒng)Z源逆變器存在的上述不足，本文引入一種高性能適合燃料動力鋰電池汽車電機控制用的新型Z源逆變器。圖3為高性能Z源逆變器的主電路圖。開關(guān)管SW使Z網(wǎng)絡(luò)的電流能夠反向流動；二極管VD保證了電源電流的單向流動；而輸入電容C給電路的反向電流供應(yīng)了個通路。通過控制直通占空比和開關(guān)管SW來實現(xiàn)電路的所有功能。
由文獻知，高性能Z源逆變器在Z網(wǎng)絡(luò)小電感并且負載變化范圍很大的情況下，各部分電壓之間的關(guān)系與傳統(tǒng)Z源逆變器處于正常狀態(tài)時各部分的關(guān)系完全相同。所以傳統(tǒng)Z源逆變器的電壓關(guān)系對改進后的Z源結(jié)構(gòu)依然適用。由圖4中的工作模式4、工作模式5和工作模式6代替了傳統(tǒng)Z源逆變器在輕載或小電感時出現(xiàn)的三種特殊的非正常工作狀態(tài)，保證電路工作正常。
高性能Z源逆變電路中逆變橋開關(guān)管可以部分實現(xiàn)零電壓開通的功能。如圖4所示，當電路處于工作模式6時，電路中的電流通過輸入電容和Z網(wǎng)絡(luò)電容構(gòu)成回路，倘若此時加入直通信號，即開關(guān)SW封閉，電感中的電流不能突變，電流通過逆變橋開關(guān)管的體二極管構(gòu)成回路，形成了圖4(g)中的①所示的特殊直通狀態(tài)。該狀態(tài)使二極管把直流鏈電壓Vi箝在了零電壓，與此同時電感電流在負向減小，當減小到零后，由于已經(jīng)有直通信號，所以，逆變橋開關(guān)管零電壓導(dǎo)通，實現(xiàn)了開關(guān)管直通狀態(tài)下的零電壓開通。
它具有如下優(yōu)勢：新型拓撲具有內(nèi)在的抑制啟動沖擊的能力，通過采用適宜的軟啟動策略，可以實現(xiàn)變換器的軟啟動；消除了直流鏈的電壓畸變；電路對負載的適應(yīng)能力強，即能夠工作在燃料動力鋰電池汽車速度變化大環(huán)境下；簡化了Z網(wǎng)絡(luò)電感的設(shè)計和控制系統(tǒng)的設(shè)計；能部分實現(xiàn)逆變橋開關(guān)管在直通狀態(tài)時的零電壓導(dǎo)通，減少了開關(guān)損耗，改善了開關(guān)管的工作環(huán)境。使其更加適合燃料動力鋰電池汽車高功率密度、寬電壓范圍、瞬時過載能力強、高可靠性、輸出功率大、成本合理等要求，在燃料動力鋰電池汽車上有很好的使用前景。
2Z源逆變器的調(diào)制辦法
在眾多逆變器控制算法里，SVpWM算法以其有物理概念清晰，直流電壓利用率高，動態(tài)應(yīng)和快，在輸出電壓波形質(zhì)量相同情況下開關(guān)器件工作頻率低，開關(guān)損耗小等優(yōu)勢，廣泛使用在三相逆變器的控制中。
為了將SVpWM使用于新型Z源逆變器，要對傳統(tǒng)的SVpWM進行改進。在一個開關(guān)周期，傳統(tǒng)的SVpWM中要插入直通時間T0，以實現(xiàn)升壓功能。以第一扇區(qū)為例，改進后的SVpWM控制波形如圖5所示。
Ts為開關(guān)周期；T1，T2分別為有效矢量(100)、(110)的用途時間；Tz為傳統(tǒng)SVpWM中的零矢量用途時間，Tz=Ts-T1-T2；T0為直通時間，T0=Tz／12。
如圖5，直通狀態(tài)被平均地分布在整個開關(guān)周期，插入的直通時間沒有額外新增開關(guān)次數(shù)，各狀態(tài)分配時間如圖5所示。
圖6所示為直通信號和開關(guān)管SW驅(qū)動信號的關(guān)系。通過分解上述電路的工作狀態(tài)可知，在直通狀態(tài)發(fā)生時，開關(guān)管SW處于關(guān)斷狀態(tài)；為了得到所需的輸入電流(正電流或負電流)保證Z網(wǎng)絡(luò)輸出電流(iL+iC)不小于負載電流的50％，即iL+iC=ipN／2，在逆變橋處于非直通狀態(tài)時，開關(guān)管SW工作在導(dǎo)通狀態(tài)。也就是說，開關(guān)管SW的驅(qū)動信號和逆變橋的直通信號為互補關(guān)系。
3仿真結(jié)果與分解
本文對高性能Z源逆變器工作原理和狀態(tài)進行了仿真和試驗驗證，仿真和試驗電路參數(shù)如下：系統(tǒng)輸入電壓V0=510V；系統(tǒng)輸入電容C=470μF；L1=L2=100μH，C1=C2=470μF；開關(guān)頻率fs=10kHz；直通占空比D0=0．17。圖7和圖8是傳統(tǒng)電壓型逆變器和Z源逆變器在負載較輕時(RL=400Ω)直流鏈電壓仿真結(jié)果的比較。由圖7可以看到，傳統(tǒng)逆變器的直流鏈電壓在非直通狀態(tài)時有電壓畸變現(xiàn)象，圖8顯示高性能Z源逆變器分明消除了直流鏈電壓畸變現(xiàn)象。由圖9可以看出，改進后的Z源逆變器輸出電壓波形的正弦性較好，諧波較少。
4結(jié)語
交流電機驅(qū)動系統(tǒng)是將來電動汽車電氣驅(qū)動系統(tǒng)的主流。本文采用新型Z源逆變器拓撲在繼承傳統(tǒng)Z源逆變器中能寬范圍調(diào)壓；準許逆變橋上下橋臂同時導(dǎo)通，提高了逆變橋的安全性；消除了死區(qū)對輸出交流電壓的影響；減小開關(guān)損耗，提高電能變換效率等優(yōu)勢的同時，針對Z源逆變器使用于燃料動力鋰電池汽車后所面對的一些固有缺點，提出了改進措施，使得Z源逆變器作為一種低成本、高可靠性的單級式升降壓逆變器實現(xiàn)辦法，在改進后非常適合在燃料動力鋰電池輸出電壓不穩(wěn)定，而對輸出電能要求較高的燃料動力鋰電池汽車上使用。
