详情

原文传递电动汽车充电与驱动集成化技术研究

论文题名：	电动汽车充电与驱动集成化技术研究
关键词：	电动汽车;充电装置;电机驱动装置;集成化拓扑;磁组合变压器;功率变换;容错驱动
摘要：	由于能源危机和环境污染越来越严重，零排放的电动汽车将成为汽车工业未来发展的主要目标。车载式充电装置和电机驱动装置是电动汽车的两大关键设备，这两种功率变换装置并不同时运行，因此两者可以复用功率变换器与主要的无源元件，不仅可以减小电力电子功率变换装置的体积、重量，而且一定程度上可以节约成本。于是，充电与驱动的集成技术成为了研究热点。目前可见的集成拓扑方案已有多种，实现了停车充电与行驶驱动的功能集成，但在可靠性、容错能力、输入功率因数、运行效率等方面仍有或多或少的问题。本文针对电动汽车充电装置的功率变换技术、开绕组电机的新型容错驱动技术以及两者的拓扑集成化技术进行了研究，试图提出顺应电动汽车相关实际发展要求、综合性能提升的新颖解决方案。　　本文具体研究内容和成果主要包括以下几个方面：　　(1)新颖的集成化拓扑的提出　　本文在对电动汽车充电及驱动装置的技术特点现状及相关标准要求分析的基础上，对现有集成化拓扑的集成方案以及存在的问题进行了简要介绍。本文结合新颖的磁组合变压器式AC-DC变换技术与开绕组电机驱动技术，提出了一种兼容充电与驱动两者的集成化拓扑，衍生出两种不同的集成方案，并给出功能转换分析。　　(2)基于磁组合变压器的三相AC-DC变换器的结构和原理分析　　本文研究了一种新颖的充电拓扑结构——基于磁组合变压器的三相高功率因数AC-DC变换器。该拓扑的主要特点是三个输入单相分别整流获得三个对称的正弦半波，经三个H桥高频逆变，分别供给高频磁组合变压器的三相输入原边绕组，磁组合变压器每相磁路独立，仅一套输出绕组匝链三相高频磁链，得到叠加的感应高频电压再经整流滤波，获得稳定直流输出。该拓扑输入级的整流无需大容量的电解电容滤波，每个单相的功率是瞬时波动的，但巧妙利用三相系统总瞬时功率恒定的原理，以及磁组合变压器磁通叠加原理实现功率的叠加合成，并使输入电流正弦化，实现了自然PFC功能。论文研究了三相磁组合变压器AC-DC变换器的工作机理、工作模态以及小信号建模分析方法；详细研究了磁组合变压器这个关键部件，给出了它的磁通叠加原理定量分析、等效电路与建模方法；给出了该新颖AC-DC变换器的调制与控制方法；最后，研究了应用于电动车充电装置的控制策略。　　(3)集成的开绕组变流器的分析　　开绕组电机每相绕组可独立控制，发生故障时可方便实现容错控制，很适合电动汽车高可靠性的驱动要求，是驱动技术发展的方向。三相开绕组驱动拓扑需要六个上下功率管桥臂，恰好可由充电拓扑的3-H桥变换器重构而成，具备了系统集成的基础。为了提高电动汽车驱动系统的效率，将电池供电电压进行升高供给逆变器，从而降低工作电流减少损耗，这是驱动技术发展的另一方向。本文引入了阻抗源网络，利用在逆变器调制中插入直通矢量实现单级升压，获得集成拓扑中驱动系统运行拓扑结构——单级升压开绕组电机驱动逆变器，用来驱动开绕组感应电机。阻抗源网络是由充电系统中的滤波无源器件和很少的附加器件构成，实现了主要无源器件的功能复用。该驱动拓扑具有单级升压、可靠性高、容错能力强、无死区影响等优点。本文对拓扑结构的工作原理、能量双向流动的工作模式、SVPWM调制策略以及容错重构控制进行了研究。　　(4)集成化关键技术分析　　在分别研究了充电运行拓扑和驱动运行拓扑后，本文研究了两者的集成技术，阐述了集成化拓扑的双功能运行要求的参数设计。集成化拓扑采用功能转换开关切换拓扑结构，这使得功率开关回路变得复杂，分布寄生参数对电路工作影响很大，本文研究设计了相应的无源无损吸收电路，有效地解决了拓扑集成的关键问题。分析了吸收电路的工作过程以及参数设计。　　(5)集成系统参数匹配设计和硬件设计分析　　本文以大功率的电动公交客车为例，给出了集成化系统中充电与驱动模式的参数匹配设计，进行了系统仿真验证；以DSP数字控制器为核心，设计并搭建了小功率集成系统的实验样机，充电与驱动功能均获得实验验证，为进一步研究与开发打下基础。
作者：	李春杰
专业：	电力电子与电力传动
导师：	黄文新
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京航空航天大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文