多重串联型逆变器在电动汽车中的应用

摘要：多重串联型逆变器应用于电动汽车有诸多优点。串联结构输出电压矢量种类大大增加，增强了控制的灵活性，提高了控制的精确性；同时降低了电机中性点电压的波动。逆变器的旁路特点可提高充电和再生制动控制的灵活性。

关键词：电动汽车；串联型逆变器；逆变器的旁路

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

    随着人们对城市环境的日益关切，电动汽车的发展得到了一个难得的机遇。在城市交通中，电动大客车由于载量大，综合效益高，成为优先发展的对象。电动大客车大都采用三相交流电机，由于电机功率大，三相逆变器中的器件需要承受高电压和大电流应力的作用，较高的dv/dt又使电磁辐射严重，并且需要良好的散热。

    而采用多重串联型结构的大功率逆变器则降低了单个器件承受的电压应力，降低了对器件的要求；降低了dv/dt值，减少了电磁辐射，器件的发热也大大减少；由于输出电平种类增加，控制性能更好。

    图1为采用多重串联方式的三相逆变器。每一个单元逆变器是一个单相全桥逆变器，有独立的直流电源，在电动车上，是由独立的蓄电池提供。因此，降低了多个蓄电池串联带来的危险性，便于蓄电池的拆卸。

图1  多 重 串 联 型 三 相 逆 变 器

2  多重串联结构

    设m个单元逆变器串联，如果每个单元逆变器直流侧蓄电池电压相同，则可组合出的电平数为m；如果每一个单元逆变器的蓄电池电压不同，则组合出的电平数将会大大增加。设逆变器由两个蓄电池电压分别为Va和Vb的单元逆变器组成(Va>Vb)，则可输出的正电平有Va＋Vb，Va，Va－Vb，Vb。若Va=Vb，则正电平数量为2；若Va≠Vb，且Va－Vb≠Vb，则正电平数量为4。可以看出，通过适当选择电压比，可以增加输出电平的种类。以下分析均假设蓄电池电压相等。

3  多重串联逆变器

3.1  输出矢量的复数表达

    相对于三相SPWM技术，多重串联型逆变器的控制方法有多谐波PWM技术（SHPWM）[1]，相移PWM技术(PSPWM)[2]等。由于电动汽车对电机的动态响应有较高的要求，采用三相异步电机的电动汽车一般采用矢量控制方法和直接转矩控制方法。在矢量控制中，由于多重串联型逆变器可输出多种PWM电平，因此在电流跟踪控制时可大大降低开关次数，减少输出电流的谐波，改善跟踪效果。

    当采用空间矢量控制时，逆变器输出矢量可表示如下：

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

式中：vaN，vbN，vcN是输出端A,B,C相对于中性点N的电压。

       a=。

设

    v(t)=vx＋i·vy

则

     vx=(2·vaN－vbN－vcN)  （2）

     vy=·（vbN－vcN）    （3）

3.2  单元逆变器的几种状态

    在多重串联型结构中，每一单元逆变器有三种状态：正向导通，反向导通和旁路。如图2所示，当S11，S14开通，逆变器处于“正向导通”，输出正向电压；当S12，S13开通，逆变器处于“反向导通”，输出反向电压；如上桥臂全部开通或下桥臂全部开通，则逆变器处于“旁路”状态，不输出电压。

(a)  正 向 导 通                                             (b)  反 向 导 通

(c)  旁 路 状 态1                                      (d)  旁 路 状 态2

图2  单 体 逆 变 桥 的 几 种 状 态

    设单元逆变器的状态函数

        fi=

    以A相为例，假设A相由m个单元逆变器串联组成，中性点电压恒定，则A相输出电压为

       vaN=fiVi

式中：Vi为第i单元逆变器蓄电池电压。

    对于三相n重串联型逆变桥，由以上分析可知，每单相可输出2n种电压，则三相可组合出的空间电压矢量个数为8n3。考虑到输出矢量必须维持中性点电压的稳定，在静态坐标系中可行的空间矢量种类数量为3（2n）(2n－1)＋1[3]。则对于三相二重串联型逆变桥，可选择空间矢量个数为37。

3.3  开关组合选择

    多重逆变桥开关组合的原理框图如图3所示。

图 3  多 重 逆 变 桥 开 关 组 合 选 择

    由于多重逆变器存在开关冗余状态，即对于同一个空间矢量，可通过多个开关组合实现，这是由于多重逆变器的特点决定的。由于开关组合不再唯一，为使每一开关器件工作频率相等，在选择空间矢量后，还需要进行开关频率均衡控制，选择合适的开关组合。

4  中性点的偏移

    对于图4所示的两电平的三相逆变器，以N′的电压为参考电压，则UN′=，其中性点N的电压是脉动的，脉动幅度为Ud/6，波形如图5所示[3]。对于多重逆变器而言，其输出的电平有多种，以二重逆变器为例，假设每单元逆变器直流侧电压为Ud，输出的uUN′，uVN′，uWN′是阶梯波，阶梯波的电平分别为Ud，2Ud，如图6所示。设uN=Ud，由

     uNN′=(uUN′＋uVN′＋uWN′)   （4）

可得   uNN′=0

图4  三 相 电 压 型 桥 式 电 路

图5  中 性 点N的 电 压 波 形

图6二 重 逆 变 桥 输 出 的 电 压 波 形

    可见，在二重逆变桥工作过程中，通过合适选择输出矢量，中性点N的电压可以保持恒定。

5  蓄电池的均衡充放电

    由于电动汽车的工况随着驾驶情况的不同而改变，因此电机的电压也是在随时波动。对于多重逆变器而言，并不是所有电池都参与电流的提供。在低调制系数下，仅有少数电池贡献电流。这部分电池相对其它电池而言，放电速度更快些。

    为平衡电池的放电，有人提出采用交替导通的方法，均衡电池的放电[4]。这一方法用于两重逆变器时，开关波形分配如图7所示。

图7两 重 逆 变 器 采 用 交 替 导 通 的 方 法 均 衡 蓄 电 池 的 放 电

    蓄电池充电和再生制动时，多重逆变器作为整流器工作。每单元逆变器当上桥臂或下桥臂全部导通时，该逆变器的蓄电池组则被旁路。设n个逆变桥串联，i个逆变器被旁路，则输出电压为(n－i)Ud。通过旁路方式，可灵活的对蓄电池组充电，还可控制再生制动的力矩。

6  结语

    多重串联型逆变器适用于大功率的电动汽车驱动系统。采用多重串联型结构，可降低多个蓄电池串联带来的危险，降低器件的开关应力和减少电磁辐射。但需要的电池数增加了2倍。

    多重串联型结构输出电压矢量种类大大增加，从而增强了控制的灵活性，提高了控制的精确性；同时降低电机中性点电压的波动。为维持每组蓄电池电量的均衡，在运行时需要确保电池的放电时间一致。通过旁路方式，可灵活地对蓄电池组充电，还可控制再生制动的力矩。

参考文献

[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.