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