一种基于Z源逆变器的燃料电池汽车变换器

摘要：在燃料电池汽车中，电能转换是一个核心问题。结合燃料电池的特性，简要说明了燃料电池汽车中现有变换器的不足。同时，为了克服传统燃料电池汽车电能变换器两级结构固有的不足，进一步提高其稳定性，提出了一种性能较高的Z源逆变器，分析了该结构的工作原理，采用了一种新型的具有直通零矢量的三相电压空间矢量调制方法，介绍了其工作特点以及直通零矢量的产生方法，进行了相关的仿真实验。仿真结果表明，该电路结构能够达到较高的性能要求，适合在燃料电池汽车上应用。
关键词：燃料电池汽车；电能变换；高性能Z源逆变器；空间矢量调制

0 引言
    近几年来随着汽车需求的高速增长，石油进口大量增加，使国家能源安全面临着重大挑战。同时，环境问题日益突出，据统计，60％的城市污染来自汽车。与传统汽车相比，燃料电池汽车具有无污染，工作效率高，低噪音，行驶平稳和不依赖石油等诸多优点，是汽车未来发展的方向，得到了社会的广泛关注和支持。
    在燃料电池汽车系统中，燃料电池和蓄电池是整车所需能量的来源，变换器是整个动力系统能量流动的重要环节。变换器是燃料电池和蓄电池之间的一个周期性通断的开关控制装置，具有调节电压及变换电压形式的功能，对于燃料电池汽车，其驱动系统中的变换器应包括DC／DC(直流-直流)变换器和DC／AC(直流-交流)变换器。
    燃料电池汽车车轮的动力来自于电机转动，目前在燃料电池汽车上直流电机的应用逐渐被交流电机所取代，目前应用最多且最被看好的是异步电机及永磁电机，而对其控制往往是靠将相应的三相交流电加在其上完成的，因此，燃料电池汽车中需要有逆变器完成DC／AC变换。事实也表明交流电机驱动系统是未来电动汽车电气驱动系统的主流。
    传统的燃料电池汽车借助DC／DC变换器和后级DC／AC变换器的配合调节，实现交流电机的宽范围多方式调速，DC／DC变换器对燃料电池的最大输出电流和功率进行控制，以保护燃料电池，同时稳压调节系统线上的电压；DC／AC变换器起到电能变换控制的作用，将系统总线上的电能转变为适合于电机运行的电能，同时控制电机的运行，构成典型的两级式电能变化。
    传统Boost拓扑升压困难，因为该拓扑升压因子很大时，开关导通比接近1，这样开关导通时间过长而开关截止时间过短，从而导致损耗和温升过大，影响实用，限制其调压范围。然而常采用的逆变装置面临着因为额外加入的Boost升压斩波电路，增加了系统成本，降低了变换效率；由于控制失误或电磁干扰的任何原因导致逆变器上下管直通将损坏开关管；为了避免开关管直通而加入的死区又影响了输出电流波形，存在大量谐波等问题。
    一般来说，两级式效率要低于单级式系统。新型Z源网络能利用其独特的无源网络来实现升降压变换功能，而且还保持了单级结构和高效率，具有很好的研究价值。当燃料电池输入电压较低时，Z源网络通过直通时间的引入，工作于升压模式；当输入电压较高时，不需加入直通时间，此时Z源网络工作于降压模式。因此，本文所提出的Z源逆变网络能很好地适应汽车燃料电池输出电压的宽范围变化。采用Z源电容电压闭环控制，使电容电压值稳定在合理的给定，从而使直流母线电压和输出电压保持稳定。
    传统Z源逆变器存在一些不足，本文通过引入一种性能较高的新型Z源逆变器，使Z源逆变器在传统结构的基础上，性能更加完善，更加满足于燃料电池汽车的一些要求，具有很高的研究价值和应用价值。对它的控制可通过应用电压空间矢量调制方法，在传统零矢量作用区间施加直通零矢量，在不影响有效输出电压矢量的前提下，能够同时实现对直流电压的控制，相对于正弦脉宽调制等方法，具有明显优势。但是传统SVPWM方法没有直通状态，无法直接应用于Z源逆变器。本文针对这一问题给出实现方法。同时高性能新型Z源逆变器拓扑结构，相对于传统Z源结构，会在直流电压侧多一个开关管，所以文中对其开关控制也予以了说明。

1 Z源逆变器
1．1 传统Z源逆变器的拓扑结构和工作原理
    电压型三相Z源逆变器的主电路拓扑如图1所示。

    式中：VDC为直流电源电压。

    假设在一个开关周期T中，逆变桥工作于直通零电压状态的时间为T0，工作于非直通零电压状态的时间为T1，T=T0+T1，则在稳态下一个开关周期电感两端的平均电压必然为0，由式(2)和式(3)可推出：

    式中：M为逆变器的调制因子，。显然，通过合适地改变升压因子和调制因子，交流侧输出电压即可以升高也可以降低，所以说Z源逆变器具有灵活的升降压特性。由以上分析知，之间均只相差一个常系数，只要对其中一个量进行控制就可以实现对其余两个量的控制。通常采用Z源电容电压闭环控制，使电容电压值稳定在合理的给定范围内，从而使输出电压保持稳定。
    传统Z源逆变器的优点主要包括：运用直通零电压来升高直流电压，以实现逆变器输出电压的升压功能，实现宽范围调压；由于Z源网络的引入，提高了逆变桥的安全性；消除了死区对输出交流电压的影响；减小开关损耗，提高电能变换效率。因此Z源逆变器提供了一种低成本、高可靠性的单级式升降压逆变器实现方案。Z源逆变器的上述优点使它在燃料电池发电等输入电压宽范围变化的新能源场合具有潜在的应用前景。
    然而进一步分析发现，它还存在如下局限性：在轻载运行时，Z网络输出电压的最大值会越来越高，而从高频来看，Z网络输出电压存在很明显的畸变；在轻载时，Z源逆变器直流链电压是发散的，系统是不稳定的。变换器存在启动冲击问题，不具有抑制启动冲击的能力，从而损坏变换器。
1．2 Z源逆变器的改进
    为了解决传统Z源逆变器存在的上述不足，本文引入一种高性能适合燃料电池汽车电机控制用的新型Z源逆变器。
    图3为高性能Z源逆变器的主电路图。开关管SW使Z网络的电流能够反向流动；二极管VD保证了电源电流的单向流动；而输入电容C给电路的反向电流提供了个通路。通过控制直通占空比和开关管SW来实现电路的所有功能。

    由文献知，高性能Z源逆变器在Z网络小电感并且负载变化范围很大的情况下，各部分电压之间的关系与传统Z源逆变器处于正常状态时各部分的关系完全相同。所以传统Z源逆变器的电压关系对改进后的Z源结构仍然适用。
    由图4中的工作模式4、工作模式5和工作模式6代替了传统Z源逆变器在轻载或小电感时出现的三种特殊的非正常工作状态，保证电路工作正常。

    高性能Z源逆变电路中逆变桥开关管可以部分实现零电压开通的功能。如图4所示，当电路处于工作模式6时，电路中的电流通过输入电容和Z网络电容构成回路，如果此时加入直通信号，即开关SW关闭，电感中的电流不能突变，电流通过逆变桥开关管的体二极管构成回路，形成了图4(g)中的①所示的特殊直通状态。该状态使二极管把直流链电压Vi箝在了零电压，与此同时电感电流在负向减小，当减小到零后，由于已经有直通信号，所以，逆变桥开关管零电压导通，实现了开关管直通状态下的零电压开通。
    它具有如下优点：新型拓扑具有内在的抑制启动冲击的能力，通过采用合适的软启动策略，可以实现变换器的软启动；消除了直流链的电压畸变；电路对负载的适应能力强，即能够工作在燃料电池汽车速度变化大环境下；简化了Z网络电感的设计和控制系统的设计；能部分实现逆变桥开关管在直通状态时的零电压导通，减少了开关损耗，改善了开关管的工作环境。使其更加适合燃料电池汽车高功率密度、宽电压范围、瞬时过载能力强、高可靠性、输出功率大、成本合理等要求，在燃料电池汽车上有很好的应用前景。

2 Z源逆变器的调制方法
    在众多逆变器控制算法里，SVPWM算法以其有物理概念清晰，直流电压利用率高，动态响应快，在输出电压波形质量相同情况下开关器件工作频率低，开关损耗小等优点，广泛应用在三相逆变器的控制中。
    为了将SVPWM应用于新型Z源逆变器，需要对传统的SVPWM进行改进。在一个开关周期，传统的SVPWM中需要插入直通时间T0，以实现升压功能。以第一扇区为例，改进后的SVPWM控制波形如图5所示。

    Ts为开关周期；T1，T2分别为有效矢量(100)、(110)的作用时间；Tz为传统SVPWM中的零矢量作用时间，Tz=Ts-T1-T2；T0为直通时间，T0=Tz／12。
    如图5，直通状态被均匀地分布在整个开关周期，插入的直通时间没有额外增加开关次数，各状态分配时间如图5所示。

    图6所示为直通信号和开关管SW驱动信号的关系。通过分析上述电路的工作状态可知，在直通状态发生时，开关管SW处于关断状态；为了得到所需的输入电流(正电流或负电流)保证Z网络输出电流(iL+iC)不小于负载电流的50％，即iL+iC=iPN／2，在逆变桥处于非直通状态时，开关管SW工作在导通状态。也就是说，开关管SW的驱动信号和逆变桥的直通信号为互补关系。

3 仿真结果与分析
    本文对高性能Z源逆变器工作原理和状态进行了仿真和实验验证，仿真和实验电路参数如下：系统输入电压V0=510 V；系统输入电容C=470μF；L1=L2=100μH，C1=C2=470μF；开关频率fs=10 kHz；直通占空比D0=0．17。图7和图8是传统电压型逆变器和Z源逆变器在负载较轻时(RL=400 Ω)直流链电压仿真结果的比较。由图7可以看到，传统逆变器的直流链电压在非直通状态时有电压畸变现象，图8显示高性能Z源逆变器明显消除了直流链电压畸变现象。由图9可以看出，改进后的Z源逆变器输出电压波形的正弦性较好，谐波较少。

4 结语
    交流电机驱动系统是未来电动汽车电气驱动系统的主流。本文采用新型Z源逆变器拓扑在继承传统Z源逆变器中能宽范围调压；允许逆变桥上下桥臂同时导通，提高了逆变桥的安全性；消除了死区对输出交流电压的影响；减小开关损耗，提高电能变换效率等优点的同时，针对Z源逆变器应用于燃料电池汽车后所面临的一些固有缺点，提出了改进措施，使得Z源逆变器作为一种低成本、高可靠性的单级式升降压逆变器实现方案，在改进后非常适合在燃料电池输出电压不稳定，而对输出电能要求较高的燃料电池汽车上应用。