基于Z源逆变器的电动汽车电机驱动系统

王继东 王彪 王智强 华小草

摘 要：Z源逆变器因其特有的结构和可以升压降压的特性，可以应用于各类性能要求高的场合。文章以电动汽车中Z源逆变器驱动的电动机的驱动为背景，达到减小电感和电流的波纹的目的，也可以进一步避免损伤逆变器电子器件。在电机快速运行状态下，由于Z源网络母线电压的升高，所以电动汽车的各类性能得到提升；低速时，Z源网络母线电压被降低和稳定，这促进了电动汽车的各类性能的进一步优化。

关键词：电动汽车；Z源逆变器；电机驱动；空间矢量脉宽调制

中图分类号：U469.72 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）28-0044-05

Abstract： Z-Source Inverter can be used in all kinds of high performance situations because of its unique structure and the characteristics of voltage rise and voltage reduction. In order to reduce the ripple of inductance and current， this paper takes the drive of electric motor driven by Z-source inverter as the background， and can further avoid the damage of inverter electronic devices. When the motor is running fast， the bus voltage of the Z-source network is increased， so the performance of the EV is improved. At low speed， the bus voltage of the Z-source network is reduced and stabilized. This promotes the further optimization of all kinds of performance of the electric vehicle.

Keywords： electric vehicle； Z-source inverter； motor drive； space vector pulse width modulation

1 概述

在当今世界，自然能源的不断减少和人口的不断增长构成了当今能源的主要问题和矛盾。随着人们生活的不断改善，人们对环保的意识不断增加，以电能等新能源为代表的各类电动、混动车将成为今后人们的主流出行方式。在新能源汽车行业中，油电混动车和装载节能内燃机的汽车得到了推广，与此同时，整个汽车工业的技术水平也在探索中逐步提升[1]。

新能源汽车的技术，核心在于驱动装置的控制系统，其中以电动汽车最具有代表性。传统电机驱动系统中，当电动汽车在加速状态中，会降低电动汽车储能装置的电压大小，同时电量快速减少，当其电压达到逆变器之间的导线电压时，会影响逆变器母线电压，从而使得电动汽车的性能达不到理想的状态。

本文以新型的Z源逆变器代替一般的逆变器，设计了新的电动汽车的动力系统，创新点在于基于双向Z源逆变器的整体设计。在电机快速运行状态下，由于Z源网络母线电压的升高，而使电动汽车的各种性能提高很多；低速时，通过降低和稳定Z源网络母线电压而使电动汽车的动力性能得到很大提高。在工程实际中应用价值很大，可以应用于绝大多数需要高频改变电机转矩以及输出功的电机应用场所，而且其非常适用于宽范围调速运行的电机使用场合。

在日本的汽车公司中，出现了采用了永磁同步电机的丰田公司，而国内的比亚迪公司制造的纯电动汽车也是采用永磁同步电机。Z源逆变网络的设计，在新能源汽车领域中得到了极大的发展。传统的逆变器是只能通过降低电压的方式实现转换，而Z源网络则能够在逆变器之前（通常在直流电源之后）增加DC-DC转换器[2]。Z源逆变器不仅成本价格低，而且有性能稳定等优点。本文基于Z源逆变器设计了电动汽车电机驱动系统。

2 系统原理及检测方法确定

2.1 系统原理

在逆变桥的前端位置，设置由一组电容、电感组成X字型结构的无源网络。设计指标如表格1所示，结构原理如图1所示：

直流母线的箝位电路如下图2所示。设计此电路的原因是要尽量减少电压过冲发生在易受磨损的功率器件上。如图2所示。3对智能功率模块IPM组成了它，而IPM在直流母排上并联连接。在设计上，使每对双管IPM都在其独有的箝位电路上稳定工作，这样可以实现电流通过的时间大大缩短，减小了输出阻抗的效果。

C4，C5和C6都直接跨接在直流母线的两端。二极管D1串接在C4和C5之间，D2，D3两个二极管的功能是用于电容C4的放电，连接于母线和箝位电路。

2.2 检测方法的确定

SVPWM控制方法电动汽车的电机控制中应用广、范例多。一般说来，其具有高效率利用电压、含有电流谐波的成分较低、能够逆变而实现输出电压等等突出的优点。改进SVPWM控制Z源逆变器的控制策略，最核心的部分是如何设计过零环节，使得在采用一般的SVPWM控制方法的时候，让系统的增压功能得以正确实现。通過分析电感电流纹波分布，我们综合了大量的理论研究和实验设计，得出SVPWM控制方法中，电感电流最大值的原因，并且以此为一个重要的出发点，提出了我们自己设计的方法和思路。改变直通时导通状态的大小分布，可以减小电感的电流纹波，并且与之前方法做出来比较。

2.2.1 Z源逆变器基本工作原理

简单来说，两个电容、两个电感，构建成的X形阻抗源网络，就是Z源逆变器。逆变器连接到为任何类型的负载供电的直流电源。该拓扑结构具有一定的特点和特性，其中包括了允许直接访问桥臂，并且将升降压特性提供给逆变器。

其结构如图3所示：

Z源逆变器可有直通状态、非直通状态，如下面图4，非直通状态可以分为两种，包括传统零向量以及传统状态。对于传统的三相电压型逆变器来说，其具有八个开放的矢量状态。在直流电压直接加到负载上的情况下，有六个有效的矢量，并且当上三个分量同时存在于逆变器臂上的时候，将存在有两个传统的零矢量状态[2]。相反，Z源逆变器具有直接过零矢量，也就是说，当同相或多相短路出现于逆变器上，将产生一个直接状态。

如图5所示，是Z源逆变器的等效电路。在直接连接的情况下，逆变器桥相当于短路，电源电压此时小于网络结构中电容的电压，二极管处于截止状态，电容开始成为激励源，通过电感向外供能，并且电感中的电流值被抬升，逆变桥相当于电流源。传统的零矢量状态对应于电流源；而传统的有效矢量状态则对应于电压源。

2.2.2 Z源逆变器在电动汽车上的应用

Z源逆变器的单级结构可以应用于包括永磁同步电动机和感应电动机为动力源的各种类型的电动车辆，特别是能够代替普通电动车中的双向DC-DC和逆变器级联结构[3-7]。

近几年，国内外的很多专家对Z源逆变器做出来大量的研究，中国科学院在这个领域有很大的进展，为了完成以电机系统驱动的电动汽车，具有电动和制动功能，提出了一种电动汽车双向能量Z源逆变器的控制系统模型[7]。重庆大学的刘和平团队提出了新的控制方法，控制Z源网络中输出母线电压，使用双向Z源逆变器提高电动汽车的性能，即将直流母线的峰值电压限制在基本速度范围内，使车辆可以控制，在基本速度巡航期间保持恒定的总线电压和速度驱动，速度与直流母线电压成正比例关系[8]。来自布鲁塞尔自由大学的团队已经提出了包括在混合动力汽车中用双向Z源逆变器代替两级电压源型逆变器、用双向Z源逆变器代替插塞式混合动力电动汽车中的双向充电器在内的三种电动车Z源逆变器。为了实现充电，一种可以广泛适用于燃料电池混合动力电动汽车（HEV）的Z源逆变器被提出，功能更加强大[9]。

3 总体方案设计

设计方案及结构框图：

在基于Z源逆变器的电动汽车组成系统中，基于Z源异步电机控制器是核心，电机控制器连接三相感应电机和蓄电池，电池管理技术连接蓄电池控制器，强力保障了整个电动汽车的驱动系统，整个系统用CAN总线连接，使之便于实现一体化的控制策略。系统的框图如图6所示。

本电动汽车电机驱动系统是利用TMS320F28035PAGT控制器的PWM模块来进行配置，然后输出6路能单独控制的PWM，与传统的矢量控制算法不同，是通过数字信号处理完成电机矢量控制算法。直通控制算法可以通过空间矢量脉宽调制实现。驱动系统如图7所示。

4 软硬件设计及测试算法

4.1 系统硬件设计

Z源逆变器由一个由电感和电容组成的无源网络组成。Z源网络连接到逆变器桥的前端。Z源逆变器的额定输出功率为3kV。通过计算可以得到，其峰值输出线电压78V，输出电压48V，斩波频率为15kHz，平均电流为100A，电压波纹10%，电流波纹0.2，平均电压为40V。

4.1.1 Z源网络电感设计

4.1.2 电容容量计算

4.1.3 基于Z源逆变器的SVPWM控制算法

在传统的SVPWM技术中，逆变桥定义为上、下管中，开通和闭合时分别用1和0表示。桥的3个臂由8个称为基本空间矢量的开关状态矢量组成，他们与零矢量一起将空间分为差为60度6个扇区。

4.2 软件设计

4.2.1 软件需求

为了给出理论研究的验证性结论，我们进行了基于上述新型逆变器的动力系统的仿真。

4.2.2 功能流程图及数学模型

如图8、9所示：按照设计的结构和参数搭建了Simulink仿真模型。采用了SVPWM调制的三相异步电动机，Z源网络电容为500e-6（F），Z源网络电感为500e-6（H）。

从仿真波形可以看出设计的基于Z源逆变器的电动汽车电机驱动系统，能满足要求，验证了系统结构和控制算法的可行性和有效性。

参考文献：

[1]Guo F， Fu L， Lin C H， et al. Development of an 85-kW Bidirectional Quasi-Z-Source Inverter With DC-Link Feed-Forward Compensation for Electric Vehicle Applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013，28（12）：5477-5488.

[2]彭方正，房绪鹏，顾斌，等.Z源逆变器[J].電工技术学报，2004（02）：47-51.

[3]Fang Zheng P，miaosen S，Holland K. Application of Z-source Inverter for Traction Drive of Fuel Cell&madash;；Battery Hybrid Electric Vehicles [J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（3）：1054-1061.

[4]Buja G，Keshri R， Menis R. Characteristics of Z-source inverter supply for permanent magnet brushless motors. Industrial Electronics，2009 IECON '09 35th Annual Conference of IEEE.2009：1234-1239.

[5]Miaosen S， Joseph A， Jin W， et al. Comparison of traditional inverters and Z-source inverter fou fuel cell vehicles. Power Electronics in Transportation， 2004. 2004：125-132.

[6]Ellabban O， Mierlo J V， Lataire P. Control of a bidirectional Z-Source Inverter for hybrid electric vehicles in motoring， regenerative braking and grid interface operations[C]// Electric Power and Energy Conference. IEEE， 2010：1-6.

[7]Von Zimmermann M， Lechler M， Piepenbreier B. Z-source drive inverter using modifided SVPWM for low Output Voltage and regenerating Operation.2009PES '09 13th European Conference on Power Electronics and Applications.2009：1-10.

[8]Ellabban O， Van Mierlo J，Lataire P， et al. Z-source inverter for vehicular applications. Vehicle Power and Propulsion Conference （VPPC），2011，IEEE. 2011：1-6.

[9]丁新平，钱照明，崔彬，等.适应负载大范围变动的高性能Z-源逆变器[J].电工技术学报，2008（02）：61-67.