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原文传递电动汽车双向准Z源逆变器系统及控制研究

论文题名：	电动汽车双向准Z源逆变器系统及控制研究
关键词：	电动汽车;逆变器系统;控制策略;驱动性能;数学模型
摘要：	作为电动汽车关键部件之一的电驱动系统，其性能直接决定着电动汽车运行性能的优劣。当车辆运行于启动、加减速等复杂工况下，蓄电池端电压会在较大范围内频繁波动，这将导致电机运行性能的恶化及车辆高速区加速困难，给电机驱动系统的设计与控制带来巨大挑战。目前驱动系统的解决方案主要采用 DC/DC升压变换器与电压型逆变器级联的两级变换拓扑，但它存在转换效率、可靠性和成本等方面的局限性，准Z源逆变器作为一种新型能量变换拓扑结构，它具备单级系统同时实现升压和逆变的功能、允许桥臂直通大大提高逆变器的可靠性等诸多优点，可成为未来电动汽车高性能电机驱动系统的一种有力竞争方案。本论文针对低压电池组直接供电的微型纯电动汽车，综合应用变换器理论及其数字控制技术、电机控制理论和车辆动力学理论，探讨了电动汽车双向准Z源逆变器系统设计与控制中的若干关键技术问题。该研究不仅对基于新型拓扑的电机控制学科的发展具有重要的理论和学术价值，而且对发展先进电动汽车技术和尽早实现电动汽车的产业化和高性能化具有重要的工程实用价值。　　首先，针对48V电池组直接供电的纯电动汽车感应电机驱动系统，分析了感应电机的工作特性及传统逆变器驱动对其输出能力的影响，结合峰值输出实例分析，研究了低压电池组直接供电的传统电驱动系统存在的问题。在此基础上讨论了其对电动汽车驱动性能的影响。结果表明电池组直接供电引起直流母线电压极不稳定，恶化了电机驱动系统的性能，导致系统大功率需求时电机的实际峰值输出很难满足车辆动力性需求。电压波动越大电机驱动系统的实际峰值输出能力越差，电机损耗也越大。　　为此，本文将准Z源逆变器应用于电动汽车感应电机驱动系统。为了给逆变器的设计与控制提供理论基础，首先针对输入电流连续的电压型准Z源变换器建立了系统数学模型，推导出输入电压及控制至网络各状态变量的传递函数。研究并比较了准Z源逆变器的四种PWM调制策略，为选择适用于准Z源逆变器升压控制和感应电机矢量控制的统一调制方法提供理论指导。　　为了验证准Z源逆变器的升/降压工作原理及后续控制策略，本文设计实现了双向准 Z源逆变器样机。针对由直通到非直通状态转换时存在的母线电压瞬时尖峰和寄生振荡现象，提出了准 Z源逆变器的高频等效模型，通过仿真与实验对比验证了此等效模型的正确性和可用性。从逆变器结构设计和满足工程应用角度出发，探讨了抑制电压寄生振荡的措施，在实验中得以证实。最后，进行了准 Z源逆变器四种PWM调制与系统升降压运行实验，与仿真结果对比验证了理论分析的正确性。　　由于直流母线电压具有直通零电压难以直接检测，本文根据电路等效运行状态和大信号模型重构出直流母线电压峰值反馈量，实现非直接测量的直接控制。在此基础上，提出了准 Z源变换器直流母线电压峰值的电压模式和电流模式闭环数字控制，减少了准Z源逆变器的非最小相位特性带给电压对象的逆向响应行为。结果表明这两种控制都具有良好的抗扰能力和动、静态性能；而电流模式控制的补偿器设计更简单、稳态和动态性能更好；另外这两种控制策略的实现都是采用的基于模型的现代软件设计方法，它快速地实现了算法设计和代码生成的统一，加速了系统验证的过程。　　为了减少低压电池组直接供电情况下电压频繁波动对驱动系统实际运行特性的影响，并改善电动汽车高速区的加速性能，结合准Z源逆变器的升压控制、感应电机的控制特性以及电动汽车的驱动需求，提出直流母线电压调整型控制策略。研究结果表明：所提策略在一定程度上改善了驱动系统的实际性能，并可突破固定母线电压的弱磁控制在分析和解决电机输出能力问题时的局限性。双向准 Z源逆变器的应用为电动汽车的整车性能的提升提供了一种有效的解决方案。
作者：	刘平
专业：	电气工程
导师：	刘和平
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文