一種基于Z源逆變器的燃料電池汽車變換器設(shè)計(jì)

　　摘要：在燃料電池汽車中，電能轉(zhuǎn)換是一個核心問題。結(jié)合燃料電池的特性，簡要說明了燃料電池汽車中現(xiàn)有變換器的不足。同時，為了克服傳統(tǒng)燃料電池汽車電能變換器兩級結(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上應(yīng)用。

0 引言

　　近幾年來隨著汽車需求的高速增長，石油進(jìn)口大量增加，使國家能源安全面臨著重大挑戰(zhàn)。同時，環(huán)境問題日益突出，據(jù)統(tǒng)計(jì)，60％的城市污染來自汽車。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車具有無污染，工作效率高，低噪音，行駛平穩(wěn)和不依賴石油等諸多優(yōu)點(diǎn)，是汽車未來發(fā)展的方向，得到了社會的廣泛關(guān)注和支持。

　　在燃料電池汽車系統(tǒng)中，燃料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)能量流動的重要環(huán)節(jié)。變換器是燃料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，對于燃料電池汽車，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。

　　燃料電池汽車車輪的動力來自于電機(jī)轉(zhuǎn)動，目前在燃料電池汽車上直流電機(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)動系統(tǒng)是未來電動汽車電氣驅(qū)動系統(tǒng)的主流。

　　傳統(tǒng)的燃料電池汽車借助DC／DC變換器和后級DC／AC變換器的配合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的寬范圍多方式調(diào)速，DC／DC變換器對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，同時控制電機(jī)的運(yùn)行，構(gòu)成典型的兩級式電能變化。

　　傳統(tǒng)Boost拓?fù)渖龎豪щy，因?yàn)樵撏負(fù)渖龎阂蜃雍艽髸r，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(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壞開關(guān)管；為了避免開關(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。

　　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)能利用其獨(dú)特的無源網(wǎng)絡(luò)來實(shí)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(dāng)燃料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(dāng)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，更加滿足于燃料電池汽車的一些要求，具有很高的研究價值和應(yīng)用價值。對它的控制可通過應(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，能夠同時實(shí)現(xiàn)對直流電壓的控制，相對于正弦脈寬調(diào)制等方法，具有明顯優(yōu)勢。但是傳統(tǒng)SVPWM方法沒有直通狀態(tài)，無法直接應(yīng)用于Z源逆變器。本文針對這一問題給出實(shí)現(xiàn)方法。同時高性能新型Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相對于傳統(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。

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。

　　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)周期電感兩端的平均電壓必然為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，通過合適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。由以上分析知，之間均只相差一個常系數(shù)，只要對其中一個量進(jìn)行控制就可以實(shí)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)點(diǎn)主要包括：運(yùn)用直通零電壓來升高直流電壓，以實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓的升壓功能，實(shí)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源逆變器提供了一種低成本、高可靠性的單級式升降壓逆變器實(shí)現(xiàn)方案。Z源逆變器的上述優(yōu)點(diǎn)使它在燃料電池發(fā)電等輸入電壓寬范圍變化的新能源場合具有潛在的應(yīng)用前景。

　　然而進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，它還存在如下局限性：在輕載運(yùn)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)輸出電壓存在很明顯的畸變；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。

　　1．2 Z源逆變器的改進(jìn)

　　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電池汽車電機(jī)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給電路的反向電流提供了個通路。通過控制直通占空比和開關(guān)管SW來實(shí)現(xiàn)電路的所有功能。

　　由文獻(xiàn)知，高性能Z源逆變器在Z網(wǎng)絡(luò)小電感并且負(fù)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(jìn)后的Z源結(jié)構(gòu)仍然適用。

　　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(shí)現(xiàn)零電壓開通的功能。如圖4所示，當(dāng)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，如果此時加入直通信號，即開關(guān)SW關(guān)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(fù)向減小，當(dāng)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(shí)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)點(diǎn)：新型拓?fù)渚哂袃?nèi)在的抑制啟動沖擊的能力，通過采用合適的軟啟動策略，可以實(shí)現(xiàn)變換器的軟啟動；消除了直流鏈的電壓畸變；電路對負(fù)載的適應(yīng)能力強(qiáng)，即能夠工作在燃料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(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；能部分實(shí)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。使其更加適合燃料電池汽車高功率密度、寬電壓范圍、瞬時過載能力強(qiáng)、高可靠性、輸出功率大、成本合理等要求，在燃料電池汽車上有很好的應(yīng)用前景。

2 Z源逆變器的調(diào)制方法

　　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)響應(yīng)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)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在三相逆變器的控制中。

　　為了將SVPWM應(yīng)用于新型Z源逆變器，需要對傳統(tǒng)的SVPWM進(jìn)行改進(jìn)。在一個開關(guān)周期，傳統(tǒng)的SVPWM中需要插入直通時間T0，以實(shí)現(xiàn)升壓功能。以第一扇區(qū)為例，改進(jìn)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)的作用時間；Tz為傳統(tǒng)SVPWM中的零矢量作用時間，Tz=Ts-T1-T2；T0為直通時間，T0=Tz／12。

　　如圖5，直通狀態(tài)被均勻地分布在整個開關(guān)周期，插入的直通時間沒有額外增加開關(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。通過分析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(fù)電流)保證Z網(wǎng)絡(luò)輸出電流(iL+iC)不小于負(fù)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(bǔ)關(guān)系。

3 仿真結(jié)果與分析

　　本文對高性能Z源逆變器工作原理和狀態(tài)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)如下：系統(tǒng)輸入電壓V0=510 V；系統(tǒng)輸入電容C=470μF；L1=L2=100μH，C1=C2=470μF；開關(guān)頻率fs=10 kHz；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(fù)載較輕時(RL=400 Ω)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源逆變器明顯消除了直流鏈電壓畸變現(xiàn)象。由圖9可以看出，改進(jìn)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是未來電動汽車電氣驅(qū)動系統(tǒng)的主流。本文采用新型Z源逆變器拓?fù)湓诶^承傳統(tǒng)Z源逆變器中能寬范圍調(diào)壓；允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)點(diǎn)的同時，針對Z源逆變器應(yīng)用于燃料電池汽車后所面臨的一些固有缺點(diǎn)，提出了改進(jìn)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(shí)現(xiàn)方案，在改進(jìn)后非常適合在燃料電池輸出電壓不穩(wěn)定，而對輸出電能要求較高的燃料電池汽車上應(yīng)用。