用于電動汽車驅動充電及剎車能量回收的梯階逆變器裝置的制作方法

本實用新型涉及一種用于電動汽車驅動充電及剎車能量回收的梯階逆變器裝置。

背景技術：

現有電動汽車用交流逆變器利用蓄電池輸出的直流電通過逆變器轉換成三相交流電輸出到電動機來驅動汽車，其控制大多采用PWM調制，控制信號頻率高對外界干擾大，另外逆變器輸出波形的畸變率也大，最重要的是逆變器開關損耗大。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的問題，本實用新型的目的在于提供用于電動汽車驅動充電及剎車能量回收的梯階逆變器裝置的技術方案，利用具有新拓撲結構的梯階逆變器將直流逆變為近似的交流正弦波形來驅動三相電動機從而牽引汽車前行或倒退；并利用梯階逆變器具有雙向電流流向的特性，對蓄電池進行充電；而在剎車時，電動機會變為發電機運行模式并產生剎車力矩,這時梯階逆變器就會給蓄電池及超級電容充電，也就是將汽車剎車的能量給儲存起來。

所述的用于電動汽車驅動充電及剎車能量回收的梯階逆變器裝置，其特征在于：梯階逆變器采用三種不同的H橋組成逆變單元橋，逆變單元橋包括主逆變單元以及兩個輔助逆變單元；

三種不同的H橋共用一個直流電壓源，不同的H橋產生不同幅值的電壓，不同幅值的電壓通過串聯的變壓器合成近似的正弦波形；

單相或三相梯階逆變器由三種不同額定值的所述逆變單元橋連接單相或三相不同繞組比、不同容量的變壓器組成，其中一個逆變單元橋是主逆變單元，另外兩個輔助逆變單元分別是第一輔助逆變單元和第二輔助逆變單元；主逆變單元功率輸出占80%，第一輔助逆變單元和第二輔助逆變單元功率輸出分別占16%和3%。

所述的用于電動汽車驅動充電及剎車能量回收的梯階逆變器裝置，其特征在于所述梯階逆變器的電力電子開關采用IGBT模塊，每個IGBT模塊包括2個IGBT，每2個IGBT模塊組成一個H橋，每個H橋的2個IGBT模塊的發射極相連，每個H橋的2個IGBT模塊的集電極一端連接主逆變單元或兩個輔助逆變單元變壓器的一端，每個H橋的2個IGBT模塊的集電極另一端連接到主逆變單元或兩個輔助逆變單元變壓器的另一端，每個IGBT的基極分別連接控制信號；

單相梯階逆變器包括6個IGBT模塊，其主逆變單元為2個IGBT模塊，兩個輔助逆變單元各2個IGBT模塊；

三相梯階逆變器包括18個IGBT模塊，其主逆變單元為6個IGBT模塊；兩個輔助逆變單元各6個IGBT模塊。

所述的用于電動汽車驅動充電及剎車能量回收的梯階逆變器裝置，其特征在于所述主逆變單元以及第一輔助逆變單元和第二輔助逆變單元輸出的電壓波形由不同寬度不同數量的脈沖組成。

所述的用于電動汽車驅動充電及剎車能量回收的梯階逆變器裝置，其特征在于所述梯階逆變器與電動汽車上的蓄電池通過電池管理系統直流主電路連接，梯階逆變器通過三相轉換開關分別與電動機和外接充電電源連接，梯階逆變器還通過電池管理系統直流主電路并聯設置超級電容。

所述的用于電動汽車驅動充電及剎車能量回收的梯階逆變器裝置，其特征在于所述梯階逆變器包括微處理器、驅動電路、IGBT模塊和檢測電路，檢測電路檢測直流電路及電動機運行參數并送到微處理器，微處理器輸出控制信號到驅動電路，驅動電路控制IGBT模塊；微處理器包括公共控制電路和H橋控制電路。

本實用新型的梯階逆變器用了三種不同的H橋式單元組成了主逆變單元以及兩種輔助逆變單元；三種H橋共用一個直流電壓源，而不同的H橋產生不同的振幅的電壓，這些電壓在串聯的不同變壓器的二次側進行加減乘法疊加，合成非常近似的正弦波形，故其輸出波形的畸變率很小。另外因為其輸出波形主要成分的頻率接近市頻，而占輸出成份很小的部分其頻率也不過是市頻的幾倍，故其開關損耗很小。因為輸出頻率不是很高，故其控制信號頻率也不用太高，所以梯階逆變器對外界干擾也不大。

本實用新型的梯階逆變器具有雙向電流流向的特性，利用這個特性，梯階逆變器在蓄電池需要充電時，斷開與電動機的聯接后接入充電電源就可實現對蓄電池的充電。這樣即節省了專用充電裝置，又簡化了電動汽車的結構并降低了成本。

在汽車行駛時，若梯階逆變器的輸出頻率低于電動機的轉動頻率，電動機就會變為發電機運行模式并產生剎車力矩，這時梯階逆變器就會給蓄電池充電，也就是將汽車剎車的能量給儲存起來了。剎車是汽車駕駛的基本需要，但是要消耗好多能量，若能將剎車能量回收起來，意義重大。梯階逆變器與超級電容進一步配合，電動汽車的剎車回收效率會非常高，且能提高車輛的起動功率。另外，利用梯階逆變器換相可使電動機逆轉的特性，可讓電機立即停轉，這對于電動汽車在緊急情況下的剎車是非常有效的，并避免剎車抱死現象。

附圖說明

圖1是梯階逆變器用于電動汽車驅動充電及剎車能量回收系統示意圖；

圖2是單相梯階逆變器結構圖；

圖3是三相27級梯階逆變器基本電路圖；

圖4-1是主逆變單元輸出的電壓波形；

圖4-2是第一輔助逆變單元輸出的電壓波形；

圖4-3是第二輔助逆變單元輸出的電壓波形；

圖5是一個IGBT開關的開環控制原理圖；

圖6是第一個H橋的控制原理圖；

圖7是單相梯階逆變器的輸出波形；

圖8是三相梯階逆變器的輸出波形；

圖9是三相梯階逆變器的控制程序流程圖；

圖10是三相梯階逆變器在電動汽車應用中與各部件連接的單線圖；

圖中：1-梯階逆變器，2-蓄電池，3-三相轉換開關，4-電動機，5-外接充電電源，6-超級電容，7-電池管理系統直流主電路。

具體實施方式

下面結合說明書附圖對本實用新型作進一步說明：

本實用新型的用于電動汽車驅動充電及剎車能量回收的梯階逆變器裝置，梯階逆變器采用三種不同的H橋組成逆變單元橋，逆變單元橋包括主逆變單元以及兩個輔助逆變單元。

三種不同的H橋共用一個直流電壓源，不同的H橋產生不同幅值的電壓，不同幅值的電壓通過串聯的變壓器合成近似的正弦波形。

單相或三相梯階逆變器由三種不同額定值的所述逆變單元橋連接單相或三相不同繞組比、不同容量的變壓器組成，其中一個逆變單元橋是主逆變單元，另外兩個輔助逆變單元分別是第一輔助逆變單元和第二輔助逆變單元；主逆變單元功率輸出占80%，第一輔助逆變單元和第二輔助逆變單元功率輸出分別占16%和3%。

梯階逆變器可以通過改變H橋脈沖的角度調整其輸出頻率，因而它可以通過變頻來驅動并改變交流電動機的轉速，這里交流電動機包括異步電動機或永磁同步電動機，換言之，梯階逆變器是一種新型的變頻電機驅動裝置。

梯階逆變器的電力電子開關采用IGBT模塊，每個IGBT模塊包括2個IGBT，每2個IGBT模塊組成一個H橋，每個H橋的2個IGBT模塊的發射極相連，每個H橋的2個IGBT模塊的集電極一端連接主逆變單元或兩個輔助逆變單元變壓器的一端，每個H橋的2個IGBT模塊的集電極另一端連接到主逆變單元或兩個輔助逆變單元變壓器的另一端，每個IGBT的基極分別連接控制信號。

單相梯階逆變器包括6個IGBT模塊，其主逆變單元的2個IGBT模塊為額定功率的80%；兩個輔助逆變單元各2個IGBT模塊，分別為額定功率的16%和3%。

三相梯階逆變器包括18個IGBT模塊，其主逆變單元的6個IGBT模塊為額定功率的80%；兩個輔助逆變單元各6個IGBT模塊，分別為額定功率的16%和3%。

如圖1所示，梯階逆變器1與電動汽車上的蓄電池2通過電池管理系統直流主電路7連接，梯階逆變器1通過三相轉換開關3分別與電動機4和外接充電電源5連接，梯階逆變器還通過電池管理系統直流主電路7并聯設置超級電容6。

逆變單元橋與單相變壓器聯結組成單相梯階逆變器，其電路圖如圖2所示。三相梯階逆變器由三種不同額定值的上述逆變單元橋連接三相變壓器組成，其電路圖如圖3所示。根據不同電壓的需要，主逆變單元變壓器可以省掉，即圖2和圖3所示的主逆變單元變壓器一次二次間短接。

當電動汽車處于驅動狀態時，蓄電池輸出直流電通過梯階逆變器正向操作控制轉換成三相交流電輸出到電機，電動機運轉從而牽引汽車前行，若將三相交流換相，電機反轉汽車倒退。

當電動汽車需要充電時，將外部三相交流電通過三項轉換開關輸入到梯階逆變器，通過梯階逆變器反向操作控制轉換成直流電對蓄電池進行充電，這時，梯階逆變器與電動機連接斷開。

當電動汽車處于剎車狀態時，梯階逆變器的輸出頻率低于電動機的轉動頻率，電動機就會變為發電機運行模式并產生剎車力矩。這時梯階逆變器就會給蓄電池充電，也就是將汽車剎車的能量給儲存起來了。電路中接入超級電容，會提高剎車效率，并改善對蓄電池的充電條件，還會提高電動汽車的起動功率。

上述電動機的線圈繞組的相數是3。

上述的梯階逆變器用了三種不同的H橋式單元組成了主逆變單元以及兩個輔助逆變單元。三種H橋通用一個直流電壓源，而不同的H橋產生不同的振幅的電壓，這些電壓在串聯的不同變壓器的二次側進行加減乘法疊加，合成非常近似的正弦波形，故其輸出波形的畸變率很小。另外因為其輸出波形主要成分的頻率接近市頻，而占輸出成份很小的部分其頻率也不過是市頻的幾倍，故其開關損耗很小。因為輸出頻率不是很高，故其控制信號頻率也不用太高，所以梯階逆變器對外界干擾也不大。

梯階逆變器各個逆變單元輸出的電壓波形如圖4-1，4-2，4-3所示。主逆變單元以及第一輔助逆變單元和第二輔助逆變單元輸出的電壓波形由不同寬度不同數量的脈沖組成，設最小逆變單元輸出電壓的幅值為1，則主逆變單元以及第一輔助逆變單元和第二輔助逆變單元輸出電壓的總和為1+3+9=13，而每個波形的幅值相對于總幅值分別為1/13、3/13和9/13，幅值可以是正或負。

由于梯階逆變器中的不同H橋的電壓輸出比例是1:3:9，每個H橋的輸出電壓幅值的比例分別是1/13、3/13、9/13；最小的觸發時間t由如下式（1）決定：

（1），

f為逆變器的頻率，各個脈沖的觸發時間可由上式將1/13換成1/13相應的倍數得出。

梯階逆變器三個逆變單元每個脈沖在下列角度上變化如下式（2）：

[0° 4.117° 8.8499° 13.3424° 17.9202° 22.6199° 27.4864° 32.5790° 37.9799° 43.8131° 50.2849° 57.7959° 67.3801°] （2）

梯階逆變器諧波水平（THD）可由下式算出：

（3）

其中，P是最小的開關角的數目，是公式（2）中各個角度，對于27級梯階逆變器，在四分之一周期中，P等于13，代入式 (3)，THD結果是4.07%。由于梯階逆變器逆變單元輸出的幅值定是由直流電壓控制的，無論直流電壓有什么變化，THD的數值是保持不變的，這是梯階逆變器與其它的逆變器顯著不同的地方。

梯階逆變器可以采用開環頻率控制也可采用閉環頻率控制，其基本開環控制原理如圖5所示。對于一個H橋其控制電路如圖6所示。基于梯階逆變器的基本控制電路，多種形式的控制原理像PID，神經元網絡，等都可與之配合形成不同特點的實用控制系統。

梯階逆變器包括微處理器、驅動電路、IGBT模塊和檢測電路，檢測電路檢測直流電路及電動機運行參數并送到微處理器，微處理器輸出控制信號到驅動電路，驅動電路控制IGBT模塊；微處理器包括公共控制電路和H橋控制電路。上述各個電路的具體結構為現有技術，在此不再贅述。

如圖3所示。這里公共控制電路給不同H橋提供相同的頻率信號，而不同的H橋控制及驅動電路則根據梯階逆變器的拓撲結構給IGBT電子開關提供控制和驅動。圖3中H1，H2和H3分別是主逆變單元的A相，B相，C相的H橋逆變電路；H4，H5和H6分別是第一輔助逆變單元的A相，B相，C相的H橋逆變電路；H7，H8和H9分別是第二輔助逆變單元的A相，B相，C相的H橋逆變電路。近似正弦波就是通過這九個H橋電路在三個變壓器中合成的。

一般情況下，電動機的速度是通過增大或者減小梯階逆變器的輸出頻率進行調節的，其瞬態過程可由下面是梯階逆變器數學模型來描述。

所有逆變單元的開關函數可以表示如下，

主逆變單元

第一輔助逆變單元

三相梯階逆變器的新設計。

第二輔助逆變單元

這里的i代表不同的逆變單元，（i=1,2,3），如主逆變單元，第一輔助逆變單元、第二輔助逆變單元，而j是為不同的相，即A相，B相和C相。

對于A相，全部逆變單元的開關功能如表1所示：

表1: 梯階逆變器的A相開關函數

與A相相類似的，B相和C相的梯階逆變器的開關函數也可以以相同的方式表達。

對于梯階逆變器的主要逆變器，瞬態回路方程可以表示如下：

(4)

同樣，第一個輔助逆變單元的瞬態電路方程可以表示為：

(5)

對于第二輔助逆變單元也是一樣的：

(6)

通過加入方程（4）、（5）、（6）可以得到一個新的方程，如下

(7)

其中：

：逆變單元的電路電流，

：逆變單元的電路電阻，

：逆變單元的電路電感，

：梯階逆變器的交流輸出電壓，

：梯階逆變器的輸出中點電壓，

：梯階逆變器直流電壓，

i代表不同的逆變單元，（i=1,2,3），如主逆變單元、第一輔助逆變單元、第二輔助逆變單元，

j為不同的相，即A相、B相和C相。

以上梯階逆變器由MATLAB進行模擬，每個電力電子開關的觸發功能通過程序編程來實現。單相梯階逆變器的通過不同比率的變壓器（1:1,1:3,1:9）后迭加起來的波形如圖7所示，可以看出它非常接近于正弦波。三相梯階逆變器地輸出波形如圖8。

三相梯階逆變器由三種不同額定值的逆變單元橋連接三相變壓器組成，三種H橋通用一個直流電壓源，而不同的H橋產生不同的振幅的電壓，這些電壓在三個串聯的不同變壓器的二次側進行加減乘法疊加，合成非常近似的正弦波形。根據不同電壓的需要及成本考慮，主逆變單元變壓器可以省掉，即圖3所示的主逆變單元變壓器一次二次間短接，這樣第一輔助逆變單元變壓器變比為3：1，第二輔助逆變單元變壓器為9：1。

控制系統設計：

梯階逆變器采用的不是PWM調制，而是控制三個逆變單元上產生有一定排列規則的不同波形，然后在串聯的變壓器的二次側進行疊加，合成非常近似的正弦波形，這就避免PWM調制控制信號頻率高，對外界干擾大，輸出波形的畸變率大，開關損耗大的缺點。

梯階逆變器最基本的控制如圖5所示，其基本功能是控制每一個電子開關產生所要求的開斷時間間隔。圖6所示的是對一個H橋的控制使其產生一定排列規則脈沖波形。

梯階逆變器的整個控制如圖9流程圖所示，其基本功能是讓主逆變單元及兩個輔助逆變單元產生各自需要的脈沖波形，然后控制梯階逆變器合成近似正弦波。根據檢測電路送來的速度，角度等信號結合PID，神經元控制理論對上述基本控制功能添加反饋控制。

蓄電池接有電池管理系統BMS，電池管理系統BMS與梯階逆變器控制單元連接通信。為了梯階逆變器在充電時更加安全可靠，外部三相交流電源電壓的信息及電動機發電時的電壓要輸入到梯階逆變器控制單元中，根據不同情況決定充電的波形及電流大小，使充電損耗小，效率高，且更為快捷。