谈谈新能源混合动力车辆— 电驱动关键技术(5)

在新能源汽车领域中，混合动力汽车是由传统燃油车过渡到燃料电池汽车的必经之路，而对混合动力汽车的研究至关重要，无论是国内的上汽、比亚迪、长城、吉利，还是国外的丰田、本田、通用等都有相应的混动产品来满足日益严格的排放和油耗法规要求。

因此，对混合动力车辆电驱动系统的研究尤为重要，特别是动力总成以及附属部件的关键技术，接下来，会对电驱动系统中的电机和电池技术做一个全方位的介绍，让大家对混合动力系统的电驱动系核心部件：电机和电池有更加深入的理解和认识。

在上一讲中，对混合动力车辆的驱动电机驱动系统进行了整体介绍，并对直流电机驱动系统进行了详细讲解，本讲，将接着上一讲的内容，对交流驱动系统进行介绍。

首先，一起看下交流驱动系统的六开关电压源逆变器，如下图所示：

六开关电压源逆变器

很明显，上图表示电压源逆变器主电路拓扑图。

上图显示的六开关电压源逆变器主要特点如下：

1、交流电机的同步转速正比于电源频率，可以通过改变交流电机输入电压的频率来控制转速；

2、逆变器包括6个开关，通过相应的控制，根据所需的幅值和频率将恒定直流电压变换为三相平衡的交流电压；

3、六开关逆变器电路可用于驱动感应电机、永磁电机以及其他形式的同步电机，在纯电动以及混合动力汽车上应用非常广泛；

4、六开关逆变器由两种工作模式，一种为六步工作模式，另一种脉宽调制(PWM)模式。

有了以上基础，下面来看下非常重要的六步法。

对于六开关逆变器，六步法是产生交流电压最简单的方法，可以将晶体管和二极管等效为理想的开关，理想化的逆变器有如下特性：

1、开关内电流可以双向流动；

2、开关状态根据排列组合可以由很多种；

3、每个扇区都有数个开关导通，数个开关截止，一般导通的开关为3个，截止的开关也为3个，每个扇区可以根据0~2pi的角度范围进行划分。

六步法运行时的电力电子开关器件门极驱动信号以及其对应的交流输出线电压和相电压波形是具有一定规律的，且三相电机多采用三相三线制供电，即a、b、c三相端子与电机相连接，而中线n悬空。

对于纯电动汽车或混合动力汽车，六步法输出电压可以通过滤波器滤波而得到更接近于正弦波的交流电压，当驱动感性负载，比如电机驱动时，逆变器输出的电压可以得到感性负载的自然滤波；在交流系统中，只有基波电压分量可以产生电磁转矩，而高次谐波分量会增加系统的损耗，降低系统的功率因数。

接下来，介绍谐波分析，谐波对输出功率没有贡献，却会增加电机损耗，降低电机效率，加剧电机发热，虽然谐波含量与负载大小的关系不大，但带有谐波的气隙磁场会造成转矩脉动，而这种脉动会在低速时表现更为明显。

在了解了谐波现象后，下面介绍脉宽调制技术。

脉宽调制技术主要用来减小谐波在逆变器中的副作用，可以提高谐波电压的频率；PWM技术主要包括正弦脉宽调制技术，均匀采样脉宽调制技术，特定谐波消除脉宽调制技术、空间矢量脉宽调制技术以及随机脉宽调制技术，最常使用的是正弦脉宽调制技术和空间矢量脉宽调制技术。下图所示为三相正弦脉宽调制信号：

三相正弦脉宽调制信号

根据特定数值的不同，存在两种调制方式：

1、同步调制

2、异步调制

同步调制中，载波和三相电压都是对称的，而对于异调制，则不需要满足对称的要素，因此，低于异步调制，有如下特点：

1、脉冲不具有严格的周期性；

2、引入了直流分量以及f的次谐波；

3、次谐波使得低频转矩和转速产生脉动，这种情形称为差拍。

由以上分析可知，在dq模型以及交流电机的矢量控制器中常会用到电压空间矢量，电压空间矢量为三相PWM逆变器的控制提供了一种良好的方法，为控制电机，由控制器产生的直轴和交轴dq电压指令被变化为等效的PWM信号加在6个逆变器开关的门极上，在变频驱动中，空间矢量PWM因为具有比其他PWM方法更加优越的性能而被广泛应用。

逆变器输出电压的主要谐波成分

在了解了脉宽调制控制后，下面介绍电流的控制方法。

在交流电驱动系统中，输出电流不仅与输入电压有关，且与系统负载有关，因此，采用闭环PWM方法是非常有必要的，电流PWM方法采用闭环控制算法，根据传感器中电流的反馈信息，对逆变器进行PWM控制；使用电流PWM方法时，需要将传感器测量的三相电流与系统外环控制器产生的3个参考电流信号进行比较，根据测量信号和参考信号之间的误差，PWM算法输出相应的选通信号，基于电流控制的PWM的方法也有很多，其中既有比较简单的，也有非常复杂的算法。

这些控制算法包括滞环电流控制法、斜波交截控制法以及预测电流控制法。

对于滞环电流控制法，主要特点是测量电流和参考电流之间的误差与滞环带进行比较，如果电流误差在滞环带内，则PWM输出保持不变，如果电流误差超出了滞环带，PWM会输出一个反向的作用，这种控制方法的优点是电流误差始终保持在一定的带宽内；但同时，由于开关频率不明确，会使得设计滤波器比较困难。

滞环电流控制方法通常可以应用于三相PWM逆变器，每一相都有一个PWM控制器，若实际电流比参考电流高出滞环带宽的一半，桥式逆变器的低压端将会闭合，以减少相电流。

而对于斜坡控制方法，基于固定频率的斜坡信号，而且斜坡信号决定了开关频率，具体原理是：电流误差首先传给一个线性控制器，典型的线性控制器为PI型，当线性控制器的输出结果与一个高频锯齿形三角波信号相比较，然后输出PWM开关信号。

斜坡控制法的最重要缺点是由于传输延迟使得响应时间变长，这种情况可以通过两种方法来加以改善，一种方法是用一个高增益的比例控制器替换PI控制器；另一种方法是提高锯齿波信号的开关频率。

以上为笔者本次分享的内容，在下一讲中会接着对电机驱动系统中的开关磁阻电机驱动系统进行详细深入讲解。

未完待续！

原文作者：SOA开发者

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