一種基于Z源逆變器的燃料電池汽車(chē)變換器

摘要：在燃料電池汽車(chē)中，電能轉(zhuǎn)換是一個(gè)核心問(wèn)題。結(jié)合燃料電池的特性，簡(jiǎn)要說(shuō)明了燃料電池汽車(chē)中現(xiàn)有變換器的不足。同時(shí)，為了克服傳統(tǒng)燃料電池汽車(chē)電能變換器兩級(jí)結(jié)構(gòu)固有的不足，進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性，提出了一種性能較高的Z源逆變器，分析了該結(jié)構(gòu)的工作原理，采用了一種新型的具有直通零矢量的三相電壓空間矢量調(diào)制方法，介紹了其工作特點(diǎn)以及直通零矢量的產(chǎn)生方法，進(jìn)行了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，該電路結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到較高的性能要求，適合在燃料電池汽車(chē)上應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：燃料電池汽車(chē)；電能變換；高性能Z源逆變器；空間矢量調(diào)制

0 引言
近幾年來(lái)隨著汽車(chē)需求的高速增長(zhǎng)，石油進(jìn)口大量增加，使國(guó)家能源安全面臨著重大挑戰(zhàn)。同時(shí)，環(huán)境問(wèn)題日益突出，據(jù)統(tǒng)計(jì)，60％的城市污染來(lái)自汽車(chē)。與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，燃料電池汽車(chē)具有無(wú)污染，工作效率高，低噪音，行駛平穩(wěn)和不依賴(lài)石油等諸多優(yōu)點(diǎn)，是汽車(chē)未來(lái)發(fā)展的方向，得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注和支持。
在燃料電池汽車(chē)系統(tǒng)中，燃料電池和蓄電池是整車(chē)所需能量的來(lái)源，變換器是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)能量流動(dòng)的重要環(huán)節(jié)。變換器是燃料電池和蓄電池之間的一個(gè)周期性通斷的開(kāi)關(guān)控制裝置，具有調(diào)節(jié)電壓及變換電壓形式的功能，對(duì)于燃料電池汽車(chē)，其驅(qū)動(dòng)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。
燃料電池汽車(chē)車(chē)輪的動(dòng)力來(lái)自于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，目前在燃料電池汽車(chē)上直流電機(jī)的應(yīng)用逐漸被交流電機(jī)所取代，目前應(yīng)用最多且最被看好的是異步電機(jī)及永磁電機(jī)，而對(duì)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，燃料電池汽車(chē)中需要有逆變器完成DC／AC變換。事實(shí)也表明交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流。
傳統(tǒng)的燃料電池汽車(chē)借助DC／DC變換器和后級(jí)DC／AC變換器的配合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的寬范圍多方式調(diào)速，DC／DC變換器對(duì)燃料電池的最大輸出電流和功率進(jìn)行控制，以保護(hù)燃料電池，同時(shí)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作用，將系統(tǒng)總線上的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于電機(jī)運(yùn)行的電能，同時(shí)控制電機(jī)的運(yùn)行，構(gòu)成典型的兩級(jí)式電能變化。
傳統(tǒng)Boost拓?fù)渖龎豪щy，因?yàn)樵撏負(fù)渖龎阂蜃雍艽髸r(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通比接近1，這樣開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而開(kāi)關(guān)截止時(shí)間過(guò)短，從而導(dǎo)致?lián)p耗和溫升過(guò)大，影響實(shí)用，限制其調(diào)壓范圍。然而常采用的逆變裝置面臨著因?yàn)轭~外加入的Boost升壓斬波電路，增加了系統(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因?qū)е履孀兤魃舷鹿苤蓖▽p壞開(kāi)關(guān)管；為了避免開(kāi)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(wèn)題。
一般來(lái)說(shuō)，兩級(jí)式效率要低于單級(jí)式系統(tǒng)。新型Z源網(wǎng)絡(luò)能利用其獨(dú)特的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降壓變換功能，而且還保持了單級(jí)結(jié)構(gòu)和高效率，具有很好的研究?jī)r(jià)值。當(dāng)燃料電池輸入電壓較低時(shí)，Z源網(wǎng)絡(luò)通過(guò)直通時(shí)間的引入，工作于升壓模式；當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，不需加入直通時(shí)間，此時(shí)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(chē)燃料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(guò)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(mǎn)足于燃料電池汽車(chē)的一些要求，具有很高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。對(duì)它的控制可通過(guò)應(yīng)用電壓空間矢量調(diào)制方法，在傳統(tǒng)零矢量作用區(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(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的控制，相對(duì)于正弦脈寬調(diào)制等方法，具有明顯優(yōu)勢(shì)。但是傳統(tǒng)SVPWM方法沒(méi)有直通狀態(tài)，無(wú)法直接應(yīng)用于Z源逆變器。本文針對(duì)這一問(wèn)題給出實(shí)現(xiàn)方法。同時(shí)高性能新型Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)Z源結(jié)構(gòu)，會(huì)在直流電壓側(cè)多一個(gè)開(kāi)關(guān)管，所以文中對(duì)其開(kāi)關(guān)控制也予以了說(shuō)明。

1 Z源逆變器
1．1 傳統(tǒng)Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理
電壓型三相Z源逆變器的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。