0 引言
近幾年來(lái)隨著汽車需求的高速增長(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。與傳統(tǒng)汽車相比,，燃料電池汽車具有無(wú)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(lái)發(fā)展的方向，得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注和支持,。
在燃料電池汽車系統(tǒng)中,，燃料電池和蓄電池是整車所需能量的來(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,，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,。
燃料電池汽車車輪的動(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)汽車電氣驅(qū)動(dòng)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(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,，更加滿足于燃料電池汽車的一些要求,，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,。
式中：VDC為直流電源電壓。
假設(shè)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T中,，逆變橋工作于直通零電壓狀態(tài)的時(shí)間為T0,，工作于非直通零電壓狀態(tài)的時(shí)間為T1，T=T0+T1,，則在穩(wěn)態(tài)下一個(gè)開(kāi)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(guò)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(shuō)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(gè)常系數(shù),，只要對(duì)其中一個(gè)量進(jìn)行控制就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其余兩個(gè)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(lái)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(duì)輸出交流電壓的影響,；減小開(kāi)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(jí)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(chǎng)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(shí)，Z網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的最大值會(huì)越來(lái)越高,，而從高頻來(lái)看,，Z網(wǎng)絡(luò)輸出電壓存在很明顯的畸變；在輕載時(shí),，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(dòng)沖擊問(wèn)題,，不具有抑制啟動(dòng)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(kāi)關(guān)管SW使Z網(wǎng)絡(luò)的電流能夠反向流動(dòng),；二極管VD保證了電源電流的單向流動(dòng),；而輸入電容C給電路的反向電流提供了個(gè)通路。通過(guò)控制直通占空比和開(kāi)關(guān)管SW來(lái)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(shí)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(duì)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(shí)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(kāi)關(guān)管可以部分實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通的功能。如圖4所示,，當(dāng)電路處于工作模式6時(shí),，電路中的電流通過(guò)輸入電容和Z網(wǎng)絡(luò)電容構(gòu)成回路，如果此時(shí)加入直通信號(hào),，即開(kāi)關(guān)SW關(guān)閉,，電感中的電流不能突變,，電流通過(guò)逆變橋開(kāi)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(shí)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(hào),，所以，逆變橋開(kāi)關(guān)管零電壓導(dǎo)通,，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管直通狀態(tài)下的零電壓開(kāi)通,。
它具有如下優(yōu)點(diǎn)：新型拓?fù)渚哂袃?nèi)在的抑制啟動(dòng)沖擊的能力，通過(guò)采用合適的軟啟動(dòng)策略,，可以實(shí)現(xiàn)變換器的軟啟動(dòng),；消除了直流鏈的電壓畸變；電路對(duì)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(jiǎn)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(kāi)關(guān)管在直通狀態(tài)時(shí)的零電壓導(dǎo)通,，減少了開(kāi)關(guān)損耗,，改善了開(kāi)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(shí)過(guò)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，在輸出電壓波形質(zhì)量相同情況下開(kāi)關(guān)器件工作頻率低,，開(kāi)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(duì)傳統(tǒng)的SVPWM進(jìn)行改進(jìn),。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，傳統(tǒng)的SVPWM中需要插入直通時(shí)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(kāi)關(guān)周期,；T1,，T2分別為有效矢量(100)、(110)的作用時(shí)間,；Tz為傳統(tǒng)SVPWM中的零矢量作用時(shí)間,，Tz=Ts-T1-T2；T0為直通時(shí)間,，T0=Tz／12,。
如圖5，直通狀態(tài)被均勻地分布在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期,，插入的直通時(shí)間沒(méi)有額外增加開(kāi)關(guān)次數(shù),，各狀態(tài)分配時(shí)間如圖5所示。
圖6所示為直通信號(hào)和開(kāi)關(guān)管SW驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)系,。通過(guò)分析上述電路的工作狀態(tài)可知,，在直通狀態(tài)發(fā)生時(shí)，開(kāi)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(shí),，開(kāi)關(guān)管SW工作在導(dǎo)通狀態(tài),。也就是說(shuō)，開(kāi)關(guān)管SW的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和逆變橋的直通信號(hào)為互補(bǔ)關(guān)系,。
3 仿真結(jié)果與分析
本文對(duì)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(kāi)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(shí)(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(shí)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(yǔ)
交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是未來(lái)電動(dòng)汽車電氣驅(qū)動(dòng)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(shí)導(dǎo)通,，提高了逆變橋的安全性；消除了死區(qū)對(duì)輸出交流電壓的影響,；減小開(kāi)關(guān)損耗,，提高電能變換效率等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，針對(duì)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(jí)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(duì)輸出電能要求較高的燃料電池汽車上應(yīng)用。