電動(dòng)汽車雙向準(zhǔn)Z源逆變器系統(tǒng)及控制研究.pdf

1、作為電動(dòng)汽車關(guān)鍵部件之一的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其性能直接決定著電動(dòng)汽車運(yùn)行性能的優(yōu)劣。當(dāng)車輛運(yùn)行于啟動(dòng)、加減速等復(fù)雜工況下，蓄電池端電壓會(huì)在較大范圍內(nèi)頻繁波動(dòng)，這將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能的惡化及車輛高速區(qū)加速困難，給電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制帶來巨大挑戰(zhàn)。目前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的解決方案主要采用 DC/DC升壓變換器與電壓型逆變器級聯(lián)的兩級變換拓?fù)?，但它存在轉(zhuǎn)換效率、可靠性和成本等方面的局限性，準(zhǔn)Z源逆變器作為一種新型能量變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它具備單級系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)升壓

2、和逆變的功能、允許橋臂直通大大提高逆變器的可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)，可成為未來電動(dòng)汽車高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一種有力競爭方案。本論文針對低壓電池組直接供電的微型純電動(dòng)汽車，綜合應(yīng)用變換器理論及其數(shù)字控制技術(shù)、電機(jī)控制理論和車輛動(dòng)力學(xué)理論，探討了電動(dòng)汽車雙向準(zhǔn)Z源逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制中的若干關(guān)鍵技術(shù)問題。該研究不僅對基于新型拓?fù)涞碾姍C(jī)控制學(xué)科的發(fā)展具有重要的理論和學(xué)術(shù)價(jià)值，而且對發(fā)展先進(jìn)電動(dòng)汽車技術(shù)和盡早實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化和高性能化具有重要的工程

3、實(shí)用價(jià)值。
　　首先，針對48V電池組直接供電的純電動(dòng)汽車感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，分析了感應(yīng)電機(jī)的工作特性及傳統(tǒng)逆變器驅(qū)動(dòng)對其輸出能力的影響，結(jié)合峰值輸出實(shí)例分析，研究了低壓電池組直接供電的傳統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的問題。在此基礎(chǔ)上討論了其對電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)性能的影響。結(jié)果表明電池組直接供電引起直流母線電壓極不穩(wěn)定，惡化了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，導(dǎo)致系統(tǒng)大功率需求時(shí)電機(jī)的實(shí)際峰值輸出很難滿足車輛動(dòng)力性需求。電壓波動(dòng)越大電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際峰值輸出能力越

4、差，電機(jī)損耗也越大。
　　為此，本文將準(zhǔn)Z源逆變器應(yīng)用于電動(dòng)汽車感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為了給逆變器的設(shè)計(jì)與控制提供理論基礎(chǔ)，首先針對輸入電流連續(xù)的電壓型準(zhǔn)Z源變換器建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出輸入電壓及控制至網(wǎng)絡(luò)各狀態(tài)變量的傳遞函數(shù)。研究并比較了準(zhǔn)Z源逆變器的四種PWM調(diào)制策略，為選擇適用于準(zhǔn)Z源逆變器升壓控制和感應(yīng)電機(jī)矢量控制的統(tǒng)一調(diào)制方法提供理論指導(dǎo)。
　　為了驗(yàn)證準(zhǔn)Z源逆變器的升/降壓工作原理及后續(xù)控制策略，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙

5、向準(zhǔn) Z源逆變器樣機(jī)。針對由直通到非直通狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)存在的母線電壓瞬時(shí)尖峰和寄生振蕩現(xiàn)象，提出了準(zhǔn) Z源逆變器的高頻等效模型，通過仿真與實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證了此等效模型的正確性和可用性。從逆變器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和滿足工程應(yīng)用角度出發(fā)，探討了抑制電壓寄生振蕩的措施，在實(shí)驗(yàn)中得以證實(shí)。最后，進(jìn)行了準(zhǔn) Z源逆變器四種PWM調(diào)制與系統(tǒng)升降壓運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，與仿真結(jié)果對比驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　由于直流母線電壓具有直通零電壓難以直接檢測，本文根據(jù)電路等效運(yùn)行

6、狀態(tài)和大信號模型重構(gòu)出直流母線電壓峰值反饋量，實(shí)現(xiàn)非直接測量的直接控制。在此基礎(chǔ)上，提出了準(zhǔn) Z源變換器直流母線電壓峰值的電壓模式和電流模式閉環(huán)數(shù)字控制，減少了準(zhǔn)Z源逆變器的非最小相位特性帶給電壓對象的逆向響應(yīng)行為。結(jié)果表明這兩種控制都具有良好的抗擾能力和動(dòng)、靜態(tài)性能；而電流模式控制的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)更簡單、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能更好；另外這兩種控制策略的實(shí)現(xiàn)都是采用的基于模型的現(xiàn)代軟件設(shè)計(jì)方法，它快速地實(shí)現(xiàn)了算法設(shè)計(jì)和代碼生成的統(tǒng)一，加速了系統(tǒng)驗(yàn)證