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(yè)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(tǒng)

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(yè)技術學院，湖南株洲412001)

Z源逆變器能夠適應寬動態(tài)的直流輸入電壓，在電動汽車電機驅動系統(tǒng)中應用廣泛。以TMS320F2808為控制核心，實現(xiàn)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(tǒng)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(tài)下，可以穩(wěn)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(tài)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(tǒng)

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(tǒng)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(tài)、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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，實現(xiàn)了電動汽車一體化管理和控制。在低速狀態(tài)下，可以穩(wěn)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(tài)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(tǒng)結構框圖

1 總體方案

整體設計的系統(tǒng)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(tǒng)等。電機驅動與電池能量管理緊密相聯(lián)，而電池管理系統(tǒng)為整個系統(tǒng)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(tǒng)改變傳統(tǒng)的電機矢量控制算法，利用DSP實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

Z源逆變器由電感和電容組成的無源網(wǎng)絡構成Z源網(wǎng)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(lián)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(wǎng)絡直流母線箝位電路

2.2 Z源網(wǎng)絡電感設計

Z源網(wǎng)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(wǎng)絡工作在連續(xù)模式下。在Z源網(wǎng)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(xù)模式要求。

2.3 電容容量計算

Z源網(wǎng)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(wěn)態(tài)值為：

直通狀態(tài)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(tǒng)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(tài)矢量，稱為基本空間矢量，其中為零矢量，8個狀態(tài)矢量將空間分為6個扇區(qū)，每相鄰的兩個扇區(qū)相差60°，如圖5所示。

圖5 空間矢量及分區(qū)

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(qū)1時(處在其他5個扇區(qū)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(jù)平行四邊形等效原理有：

將直通時間塊平均地加入傳統(tǒng)SVPWM的零矢量中。以第一扇區(qū)為例，傳統(tǒng)的SVPWM調制和改進后的SVPWM調制在一個周期內(nèi)的控制信號如圖6所示，為了與傳統(tǒng)SVPWM做比較，圖6(a)給出了傳統(tǒng)逆變器SVPWM一個周期內(nèi)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(qū)內(nèi)SVPWM開關信號

下橋臂的觸發(fā)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(xiàn)

為了與直通分段SVPWM仿真實現(xiàn)方法相比較，根據(jù)直通分段SVPWM原理，對傳統(tǒng)SVPWM算法模塊進行改進，改進步驟：(1)關閉死區(qū)，實現(xiàn)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(shù)中，根據(jù)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(xiàn)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(tǒng)仿真和實驗，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。圖10為Z源逆變器的穩(wěn)態(tài)波形。由圖10可知，Z源網(wǎng)絡直流母線電壓可靠跟隨給定信號。電感電流是連續(xù)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(tài)。

圖11為Z源逆變器起動波形。系統(tǒng)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(wěn)定跟蹤給定信號，電壓超調小于4%，動態(tài)響應時間小于1.5 ms。

表1 閉環(huán)控制系統(tǒng)參數(shù)及配置

圖10 Z源逆變器穩(wěn)態(tài)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.

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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