基于雙向Z源逆變的純電動汽車電機驅動系統

劉小春，魏麗君

(1.中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙410083；2.湖南鐵道職業技術學院，湖南株洲412001)

基于雙向Z源逆變的純電動汽車電機驅動系統

劉小春1,2，魏麗君2

(1.中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙410083；2.湖南鐵道職業技術學院，湖南株洲412001)

Z源逆變器能夠適應寬動態的直流輸入電壓，在電動汽車電機驅動系統中應用廣泛。以TMS320F2808為控制核心，實現了基于Z源逆變器的SVPWM控制技術，將雙向Z源逆變器應用到純電動汽車電機驅動系統中，并提出了基于Z源逆變器的感應電機控制算法，在低速狀態下，可以穩定直流母線電壓，很好地解決了動力電池在工作過程中電壓下降、動力性能變差的問題；在高速狀態下，母線電壓得到提升，可以改善高速時電動汽車動力性能，特別適用于要求寬調速運行、轉矩和功率頻繁變化的電機應用場所，具有良好的工程實用價值。

Z源逆變器；純電動汽車；電機驅動；車輛控制系統

電機驅動控制技術是純電動汽車的三大關鍵技術之一。在電動汽車電機驅動系統中，動力電池電壓直接影響逆變器母線電壓。而逆變母線電壓在電動汽車爬坡或加速狀態、動力蓄電池剩余容量減少以及動力蓄電池到逆變器之間導線壓降時，會受其影響而下降，從而導致電動汽車的動力性能變差。

電動汽車擁有量越來越多，電動汽車在高速超車等特定運行工況下對電機驅動系統高速動力性能的要求越來越高。需要在車載動力電池供電電壓限制下，通過選擇合適的方法來得到最大化的電機轉矩輸出，從而提高電機高速時動力性能，滿足其在有限的車載動力電池供電電壓下對電機轉速逐步上升所需的轉子反電勢[1-3]。因此，本文選擇Z源逆變器取代傳統電壓型逆變器，設計了基于Z源逆變器電動汽車電機控制系統，實現了電動汽車一體化管理和控制。在低速狀態下，可以穩定直流母線電壓，很好地解決了動力電池在工作過程中電壓下降、動力性能變差的問題[4-7]；在高速狀態下，母線電壓得到提升，可以改善高速時電動汽車動力性能。

圖1 車輛控制系統結構框圖

1 總體方案

整體設計的系統框圖如圖1所示，主要包括異步電機控制器、三相感應電機、固定速比變速器、電池管理系統等。電機驅動與電池能量管理緊密相聯，而電池管理系統為整個系統提供可靠的供電保障。電機驅動部分與電源管理部分通過CAN總線通訊[8]。

本設計中，基于Z源逆變器的電動汽車電機驅動系統改變傳統的電機矢量控制算法，利用DSP實現基于Z源逆變器的電機矢量控制算法。首先通過對TMS320F2808的PWM模塊進行配置，輸出6路可單獨控制PWM。然后采用SVPWM技術實現直通控制算法，生成帶直通的PWM來驅動逆變器的功率管。驅動系統如圖2所示。

圖2 基于雙向Z源逆變器的電動汽車驅動系統框圖

2 系統硬件設計

Z源逆變器由電感和電容組成的無源網絡構成Z源網絡連接在逆變橋前端，其結構原理如圖3所示。設計的Z源逆變器輸出額定功率為3 kW，輸入電壓為48 V，斬波頻率為15 kHz，最大輸出線電壓峰值為78 V，電流紋波≤20%，平均電流為100 A，電壓紋波≤10%，平均電壓為40 V。

圖3 電動汽車雙向Z源逆變器拓撲結構

2.1 直流母線箝位電路

直流母線箝位電路如圖4所示，其主要作用是防止功率器件的電壓過沖。3對IPM模塊并聯在直流母排上，為了使得雙管IPM模塊中電流通路盡可能短，對每一對雙管IPM模塊都設計了相應的箝位電路。

圖4 Z源網絡直流母線箝位電路

2.2 Z源網絡電感設計

Z源網絡電感作用是在直通時限制電流紋波上升，在非直通時保證Z源網絡工作在連續模式下。在Z源網絡中電感紋波可以表示為：

2017年11月，在滴滴成為ofo大股東后被派駐到ofo擔任高管的付強等人，全部被戴威“請”走了。一個被媒體反復描述的場景是，戴威沖著電話那頭的付強怒吼：“滴滴的人都給我離開ofo！”

滿足Z源逆變器工作在連續模式要求。

2.3 電容容量計算

Z源網絡電容的主要作用是吸收電流紋波和維持其兩端電壓恒定。Z源逆變器電容電壓穩態值為：

直通狀態下，流過電感的電流等于電容上的電流，因此電容上的電壓紋波可以表示為：

3 基于Z源逆變器的SVPWM控制算法

傳統的SVPWM技術中定義逆變橋上下管開通用1表示，關閉用0表示。3個橋臂共組成8個開關狀態矢量，稱為基本空間矢量，其中為零矢量，8個狀態矢量將空間分為6個扇區，每相鄰的兩個扇區相差60°，如圖5所示。

圖5 空間矢量及分區

對于任意給定的空間電壓矢量均可由與該矢量相鄰的基本空間矢量與零矢量組成。當參考矢量處于扇區1時(處在其他5個扇區時分析類似)，與其相鄰的基本空間矢量是，假設一個開關周期的時間為的作用時間分別為。零矢量作用時間為。根據平行四邊形等效原理有：

將直通時間塊平均地加入傳統SVPWM的零矢量中。以第一扇區為例，傳統的SVPWM調制和改進后的SVPWM調制在一個周期內的控制信號如圖6所示，為了與傳統SVPWM做比較，圖6(a)給出了傳統逆變器SVPWM一個周期內的控制信號，圖中虛線直接/6部分即為加入的直通時間塊。由圖6可以看出加入直通時間并沒有改變有效矢量的作用時間。

圖6 在第一扇區內SVPWM開關信號

下橋臂的觸發脈沖PWM4、PWM5、PWM6的比較點為：。直通占空比為D。

4 直通分段SVPWM控制DSP實現

為了與直通分段SVPWM仿真實現方法相比較，根據直通分段SVPWM原理，對傳統SVPWM算法模塊進行改進，改進步驟：(1)關閉死區，實現上下橋臂單獨控制；(2)修改SVGENMF結構體，在中SVGENMF結構體中添加直通占空比D、下橋臂導通時間；(3)在void svgenmf_calc(SVGENMF_handle)函數中，根據直通分段SVPWM控制原理，算出上橋臂導通時間及下橋臂導通時間；(4)修改PWMGEN結構體，在中PWMGEN結構體中添加MfuncC4、MfuncC5、MfuncC6；(5)在void F280X_PWM_Update (PWMGEN*p)中，增加EPwmXRegs.CMPB。

在改進后的直通分段SVPWM程序中，加入直通，運行程序，對一路PWM輸出進行濾波，得到加入直通后比較點波形，如圖7所示。

圖7 加入直通時比較點實驗波形

定性分析直通分段SVPWM程序的正確性：當逆變器輸出接三相對稱電阻負載時，基于直通分段SVPWM控制DSP實現方法，負載端相電壓和線電壓波形分別如圖8、圖9所示。

圖8 逆變器輸出相電壓波形

圖9 逆變器輸出線電壓波形

5 評測與結論

為了驗證理論分析的正確性，進行基于Z源逆變器的電動汽車電機驅動系統仿真和實驗，系統參數如表1所示。圖10為Z源逆變器的穩態波形。由圖10可知，Z源網絡直流母線電壓可靠跟隨給定信號。電感電流是連續的，且正負峰值間周期變化，表明阻抗源逆變器消除DCM運行狀態。

圖11為Z源逆變器起動波形。系統輸入電壓為32 V。起動Z源逆變器進行升壓，設置給定信號，將母線電壓升到52 V。從圖11中可以看出，直流母線電壓穩定跟蹤給定信號，電壓超調小于4%，動態響應時間小于1.5 ms。

表1 閉環控制系統參數及配置

圖10 Z源逆變器穩態波形

圖11 Z源逆變器起動波形

[1]趙龍.基于SVPWM調制策略的兩電平和三電平逆變器的損耗分析與效率比較[D].合肥：安徽大學，2014.

[2]房緒鵬.Z源逆變器[D].杭州：浙江大學，2005.

[3]顧斌，錢照明，房緒鵬，等.Z源逆變器空間矢量控制的DSP實現[J].電力電子技術，2005，39(6)：107-108.

[4]盛況.延展型Z源逆變器建模與調制策略研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

[5]張超華.新型Z源逆變器研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.

[6]翟清震.電流型Z源逆變器主電路控制策略研究[D].青島：山東科技大學，2010.

[7]湯雨.Z源逆變器研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

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Design of electric vehicle motor driving system based on bidirectional Z-source inverter

Z-source inverter is adjustable to a wide arrange of DC input voltage,so it is very appropriate for motor driving system in electric vehicles.Bidirectional Z-source inverter was applied in pure electric vehicle motor driving system.TMS320F2808 DSP was taken as the controlling core.SVPWM controlling technology based on Z-source Inverter was realized.Meantime,the induction motor controlling algorithm based on Z-source Inverter was realized, which could stabilize DC-bus voltage at low speed,solving the problem of dynamic performance variation because of power batteries voltage drop;at high speed,electric vehicle dynamic performance was also modified by bus voltage ascension.So this system has strong engineering practical value,especially appropriate for variable speed drive, torque and power frequently changing motor driving system.

Z-source inverter;electric vehicles;motor driving system;vehicle control system

TM 91

A

1002-087 X(2016)06-1273-04

2015-12-05

湖南省教育廳科學研究青年項目(15B156)

劉小春(1973—)，女，湖南省人，副教授，主要研究方向為自動控制。

魏麗君(1983—)，E-mail：weilijun2000@126.com