多电平变换器在电动汽车驱动系统中的应用

吴海波，王晓明

(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

0 引 言

在本世纪初，工业的不断发展对电源设备提出了更高的要求，已经达到了兆瓦级别。通常情况下设备的直流电源来自于电网，但是目前很难将单个的半导体设备与各个级别的电网直接连接。在这种背景下，学者们提出了一系列多电平变换器拓扑来解决这个问题。发展至今，由于多电平变换器在高电压牵引设备控制、可再生能源、UPS电源等应用中具有很大的优势，很快得到了广泛应用。目前，多电平变换器按拓扑结构，主要分为以下三类:(1)中点钳位型变换器(以下简称NPC);(2)飞跨电容型变换器(以下简称FC);(3)级联型H桥型变换器(以下简称CHB)。

通过近几年不断地研究，发现多电平变换器的优势主要在于［1］:(1)能够减少输出电压中的谐波和获得更低的;(2)减少输入电流谐波;(3)能够减小产生的共模电压，降低电机的轴向压力，使用复杂的控制方法可以彻底的消除共模电压;(4)提高输出功率，降低开关频率。

1 多电平变换器的特点及应用

1.1 多电平变换器在工业界的应用

多电平变换器经过30多年的发展，已经广泛地应用于工业设备领域的各个方面。

NPC型多电平变换器输出电压等级达到了2.3 kV～4.16 kV，有的甚至达到了6 kV，常见于电压源变换器(以下简称 VSC)［2］和 PEBB(Power Electric Building Block)等［2－3］。这样，NPC 式多电平变换器可以应用于传统的电机驱动控制设备，应用于传送机、泵、风扇，机床等，为石油天然气、冶金、电力、采矿、水处理，海洋和化学行业提供解决方案［1，4，5］。背靠背式的结构则可以用于能源可再生环境下，比如采矿业［6］，还可以应用于和电网直接连接的可再生能源－风能［7－8］。

FC型多电平变换器可应用于高带宽高开关频率装置，比如牵引驱动［9］，常见于电力机车及城市轨道交通等领域。

CHB型多电平变换器具有更高的输出电压和功率(13.8 kV、30 MVA)，更因其具有模块化可扩展功能和更高的稳定性，通常大量应用于高功率输出和对功率质量要求比较高的设备。同时应用于有源滤波和无功补偿装置［10］、电动车/混合动力车［11－12］、光伏发电变换器［13－15］、不间断电源［16］和磁共振成像［17］。多电平技术在工业领域的应用示意图如图1 所示［1］。

图1 多电平技术在工业领域的应用示意图

1.2 多电平变换器在电动汽车领域的应用现状

随着社会经济的发展，严重的环境污染和日益紧迫的全球石油资源危机等问题，使世界各国不得不寻求排放低、使用新能源的新型交通工具。新能源汽车因为其污染小、噪声小、节约能源，结构、控制和维护简单等突出优点，越来越受到人们的关注。其中的电动汽车从动力技术上来讲主要包括纯电动汽车(以下简称EV)、混合动力电动汽车 (以下简称HEV)和燃料电动汽车(以下简称FCV)。

在电动汽车中，电动机是其动力系统的核心单元，牵引电机的控制技术是电动汽车核心技术之一。电机驱动系统是电动汽车最主要的系统单元，直接影响其运行性能的好坏，它要具有一些特殊性:要求驱动电机的功率质量比大，机构简单，坚固;要求驱动控制系统具备强的复杂的适应能力;控制系统在硬件设计上要求屏蔽和隔离等。通过几十年的努力，牵引电机控制技术在多个研究领域取得了发展［18－19］。

由于多电平变换器在工业设备各个领域的广泛应用，学者们希望在电动车/混合动力车的牵引电机驱动控制系统中引入多电平变换器，以期发挥其在输出电压质量方面的优势，提高能量转换效率，改善输出电流的控制，从而获得更舒适、安全的驾驶感觉。

目前针对多电平变换器在EV/HEV领域的应用的研究团队，有以下几个:

Juan Dixon团队来自智利PUC大学电动车实验室，研究了级联式多电平变换器输出电压谐波问题，致力于使用环形变压器解决电动车环境中的单一直流电源隔离成多个独立电源来给级联型变换器供电的问题，同时致力于级联型变换器调制控制技术的研究，模型仿真和实验平台仿真研究［20－22］。

Leon M.Tolbert团队来自美国橡树岭国家实验室(ORNL)，提出了背靠背式中点箝位型多电平变换器在混合动力车中的应用架构，级联型三电平变换器应用于EV/HEV的拓扑结构，同时对牵引系统模型进行了仿真分析研究［23－28］。

还有法国、伊朗、印度和墨西哥等地的学者在EV/HEV牵引电机驱动控制器设计［29］、转矩波动的研究［29－30］、级联型变换器输出电压谐波分析［31］、模型仿真研究［32］和电机系统驱动环节的参数测量［33］等。

由上述可见，在多电平变换器应用于EV/HEV领域，各国学者作了比较深入的研究，对系统拓扑结构、控制器优化设计、输出谐波抑制、模型仿真和实验平台仿真等方面提出了各自的见解。随着电力电子技术的不断发展和人们对于系统性能的不断完善的要求的增加，必将引起各国学者更多的研究兴趣，引发更多的研究热点。

2 EV/HEV用多电平变换器的研究

多电平变换器在EV/HEV的应用类型，常见的为NPC型和CHB型，给EV/HEV带来的优势在于［28］:

(1)在基频开关频率下能够产生更接近正弦的电压波形。

(2)基本消除电磁干扰和共模电压。

(3)使EV驾驶更加舒适安全，更大程度上实现线控。

由于CHB型变换器不容易实现背靠背式的结构，因此对于混合动力车这种充放电交替运行的系统而言不是一个很好的选择，因此CHB型多电平变换器多用于纯电动车，而混合动力车则多选择容易实现背靠背结构的NPC多电平变换器［28］。CHB型变换器也可以工作在整流模式，应用于并行式混合动力车的充电环节［34］。

使用多电平变换器作为EV/HEV的牵引电机驱动系统的能量转换装置，在设计上基本包括以下几个部分:稳定的直流电源(由电池组供给)、电源配给环节(CHB型为DC电源和一定数量的独立电源，NPC型为直流侧稳压电容)、多电平变换器和电动机/发电机。其基本架构图如图2所示。

图2 多电平变换器在EV牵引电机驱动系统中的应用架构图

下面分别以CHB型和NPC型多电平变换器在EV/HEV中的设计为例，介绍目前基本的研究情况。

2.1 CHB型多电平变换器在EV/HEV中的应用研究

2.1.1 拓扑结构

CHB型多电平变换器在EV/HEV牵引电机驱动系统中的基本架构如图3所示。

图3 CHB型多电平变换器的基本架构

在两个系统中，此多电平变换器既可以逆变模式工作于EV/HEV的驱动模式下，也可以整流模式辅助发电机或外界的充电装置对电池组充电。

对于如何给CHB型多电平变换器中的H桥上的单元供电，目前提出了混合电源供电法和环形变压器供电法两种解决办法。

在混合电源供电法中，可使用电池组、超级电容或燃料电池来作为独立电源给H桥电路供电［23，26，31］。CHB 型五电平变换器的拓扑结构如图4所示。

在图4中的H桥上，使用了超级电容供电。可以通过改变H桥导通相角的大小来控制电容的充放电时间，保证充电量大于等于放电量。通过调节通时间还可以实现输出电压幅值的放大，达到boost电路的效果［23，26］。

导在高频环(HFL)供电法［20－22］中，使用通有高频方波的环形变压器所产生的多个独立电源给H桥电路供电。这种供电装置由一个高频方波发生器和一个环形变压器组成，仅靠一个直流电源供电，尤其适用于EV/HEV中一个整体的电池组供电的情况，如图5所示。

图4 CHB型五电平变换器

图5 基于高频环供电法的CHB型多电平变换器的结构图

这种方法的缺点是需要大约20%的电能来支持方波发生器工作，因此大大降低了系统整体的效率，同时这种装置的体积也偏大。

2.1.2 控制策略

目前众多的多电平调制控制方法大体可以分为状态空间矢量领域类(操作根据基于电压矢量)和时间领域类(操作根据基于电压标量)［1］两类。同时，不同的调控方法也可以按照开关频率的大小分为三类:低开关频率、中开关频率和高开关频率。其中低开关频率的方法适用于高功率设备，可以减少开关损耗。而动力范围变化比较大的设备则易选择输出功率质量比较好、波段比较高的高开关频率方法。

CHB型多电平变换器在EV/HEV牵引电机驱动系统中的控制方法分成两大类:基频开关控制和高频开关PWM控制(包括载波PWM、特定谐波消除 PWM 和空间矢量 PWM)［23，26］。其中，基频控制可以实现整个系统电压的boost输出［23，26］。当CHB型多电平变换器的H桥采用电容供电时，改变桥臂的导通时间来控制电容的充放电平衡也是研究的重点［34］。

2.2 NPC型多电平逆变器在EV/HEV中的应用研究

2.2.1 拓扑结构

NPC型多电平变换器在EV/HEV牵引电机驱动系统中的基本架构如图6所示。

图6 NPC型多电平变换器的拓扑架构

NPC型多电平变换器在中级电压系统中广泛应用于电压源变换器(VSC)［2］等方面。在EV/HEV系统中，NPC型多电平变换器主要以背靠背式的架构，在驱动模式下工作在逆变状态，在制动模式下工作在整流状态，以实现能量的回收利用［28］。

2.2.2 控制策略

针对NPC型多电平变换器的控制方法基本可以分为三大类:包括载波PWM、特定谐波消除PWM和空间矢量PWM，同时还有线性控制、直接转矩控制、预测控制［2］等。

由于NPC型多电平变换器本身的特殊结构，直流侧电容电压平衡问题一直是研究热点，在EV/HEV系统中，中点电压平衡问题同样值得关注［33］。

3 结 论

通过上述的内容可以看到，CHB型和NPC型多电平变换器完全适合用于电机驱动的工作条件，在EV/HEV牵引电机控制系统中引入多电平技术，可以发挥其本身的长处，给EV/HEV带来传统的二电平变换器所没有的优势:

(1)多电平变换器的设计完全适合驱动大额定功率电机，传统的230 V和460 V的电机也可以应用在EV/HEV系统中。

(2)多电平变换器由于提升了输出电压，同时把开关频率降到最低，极大提高了整个系统的运行效率。

(3)在系统设计上可以使用电压低的开关器件。

(4)输出电压和电流波形更加接近正弦波，抑制了输出转矩波动，减少了系统噪声，提高了驾驶的舒适性。

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