[发明专利]级联中高压电动汽车变流器拓扑及其控制方法

说明书

    混合动力或纯电动公交车、重载卡车的车用控制器的设计容量已从几十kVA逐步提升至几百kVA。串联电池组的电压等级已提升至最大600V至1000V，即达到了工业级两电平控制器的直流母线电压等级，适配380V线电压等级的交流异步或永磁同步电机。这一等级的传统变流器普遍采用1200V或1700V电压等级的IGBT模块作为开关器件，直流母线端采用电池组串联。如果采用1.2V单体镍氢电池，则需要500-800节串联；如采用3V单体锂电池，则需要200-300节串联。

    电池组的大量串联带来了很多问题，诸如电池特性的不均衡会使得串联回路上各个电池的电压不同，使用中某些电池已经深度放电，而另一些还有大量电能未能充分利用，进而降低了电能的利用率，影响行驶里程。此外，如果任意一电池出现故障，整个串联回路都会受到影响。

    而如果将电池组电压等级降低，为了满足功率需求，则需要提高系统的工作电流，并采用低电压、大电流电机。这样做一方面增加了线路损耗，且此类电机价格昂贵。

   本发明采用H桥级联拓扑结构，一方面尽可能的提升系统直流电压等级，已降低电流等级，从而减小线损，提高系统效率；另一方面不需要大规模的电池组串联，提升电池组的电能利用率和可靠性，并为电池组的电源管理带来方便。多电平级联拓扑结构输入采用低压电池组，如48-72V电池组。开关器件选择低压MOSFET。每个级联单元由电池组独立供电，各级之间相互独立，因此不存在大规模的电池组串联。通过移相PWM调制，各级联单元之间的输入部分相互隔离，而输出电压串联，实现高压输出，驱动电机。

    级联输出电压为多电平，比传统的两电平变换器输出电压更接近正弦，输出电压和电流谐波特性好，THD小。另外，由于多电平输出，电压变化率远远小于传统两电平电路，因此对电机绝缘的冲击小，可提高电机的绝缘部分使用寿命。

    以72V电池组及其相应的Ａ级联单元为例：5级级联可实现360V直流电压，适合驱动220V线电压等级的各类交流电机。8级级联可实现576V直流电压，适合驱动380V线电压等级的各类交流电机。14级级联可实现1000V直流电压，适合线电压690V各类交流电机。

每个级联单元采用低压MOSFET代替了传统的IGBT模块，虽然数量多，但总体成本仍然低于高压IGBT模块。另外，由于同等功率级别的380V/690V电机的成本远远小于低压大电流电机，整个系统的成本得到了大幅下降。

级联H桥拓扑结构的调制一般采用载波移相PWM调制。载波移相PWM调制方法是传统PWM调制的一种变形，将载波相移360^o/N，其中N为级联H桥模块的数量。将移相后的载波分别于调制波比较，从而得出输出占空比波形。各个模块的输出波形叠加，即可得到高压输出，驱动各类交流电机。输出线电压波形如图6所示。

图6中，每个输出桥臂电压为各个模块输出电压的叠加，计算公式如图7所示。                            

假设每个低压电池组电压为E，那么一个n级H桥级联拓扑的输出相电压可以为+nE，+(n-1)E，+(n-2)E，···0, ···-(n-2)E，-(n-1)E and -nE。总的输出电平数为2n+1，n为级联模块个数。

图1是H桥级联拓扑结构图

图2是基于H桥级联拓扑的系统框架图

图3是H桥单元结构图

图4是H桥单元输出状态图

图5是载波移相PWM调制示意图

图6是H桥级联拓扑输出线电压示意图

图7是H桥级联拓扑输出相电压计算公式