电动汽车高频分布式电气系统的电源侧关键技术研究

In view of outstanding performance, HFAC (high frequency AC) can satisfy the automotive demands in the future, for instance, large power capacity, small volume, and light weight. In order to explore the distributed high frequency power distribution system from source side, this project is to study: ① the principles of circulating current and harmonics of high frequency source side in parallel; ② the eliminations of circulating current and harmonics from individual viewpoint; ③ the eliminations of circulating current and harmonics from cooperation viewpoint; ④ the multi-objective optimizations of the circulating current, power quality, and converter capacity, as well as the optimized parameters to coordinate the diversity among the control targets; ⑤performance verifications and evaluations. It is necessary for source side to achieve the multifunctional power conversion and flexible output compensation, i.e., robust suppression of circulating currents, active elimination of harmonic currents, and independent operation of power converters. The achievements are significant for further applications of HFAC power distribution system.

为满足未来汽车“电动化、轻量化、智能化”发展要求，寻求灵活高效的电能传输和利用方式是车辆电气系统发展的必然趋势。本课题引入高频交流技术，充分发挥高频交流空间、重量节省和安全性高的优势，提出汽车分布式高频电气系统，并针对其并联环流和谐波电流难以有效抑制的关键问题，开展以下研究：①高频并联电源侧的环流和谐波生成机理分析；②单变换器层面-环流和谐波独立抑制策略；③多变换器层面-环流和谐波协调治理方案；④在容量受限系统中，寻求并联环流最小、电能质量最优和补偿容量最少的Pareto最优，反馈至②③，实现并联环流抑制和谐波电流补偿的控制参数校正；⑤验证与评价，完成分布式并联系统的仿真和实验认证，并以木棉-2电动汽车为实验平台对性能提升进行有效评估。以期为汽车内部的电能高效分配和利用提供一种分散、自治运行的有效解决方案，更为高频交流技术未来低成本、大容量、高效率的大规模应用提供理论指导和技术支撑。

为适应于A00型电动汽车车内辅助负荷的供电需求，从高频能量分配形式出发来提升供电可靠性和配电效率，充分利用高频在效率提升、以及空间和重量节省上的优势，研究多个高频局部电气网络分布式并联的电源侧系统。根据分布式高频交流并联结构的特点，对其电源侧的拓扑、并联控制策略、以及环流和谐波控制方案展开了研究，着重解决了如下关键问题：（1）基于开关电容的高频多电平逆变拓扑来提升高频交流系统源侧的功率等级；（2）分布式并联的高频谐振逆变器的环流的生成机理和抑制措施。取得的研究进展包括：1）从高频电源侧功率提升的角度提出基于开关电容的多电平变换，以实现高频系统的大功率和低谐波含量，该拓扑结构特别适合于高频交流源侧功率变换。2） 在高频环流的生成机理的研究上，通过基波分析方法对高阶次谐振电路进行简化，研究了幅值增益与谐振参数的关系、THD与谐振参数的关系、软开关范围与谐振参数的关系，提出了优化的谐振参数设计策略。并通过小信号建模的简化，将9阶对象简化为3阶对象，方便了控制器的设计。3）在高频环流的抑制上，提出了针对高频逆变环节的幅值相位有效解耦合控制策略，通过解耦合实现了电流实时分解的并联控制策略，并通过向量图比较得出并联环流可以抑制到最小值，以实现了并联环流的有效控制。4）在系统谐波的治理上，提出面向高频交流逆变环节的PIR电压控制器，并通过电压电流的双闭环控制的模拟器件实现，确保了控制器的带宽。5）在环流和谐波的相关性研究上，讨论了分布式并联的环流与高阶次谐波的关系，从而提出了高频谐振逆变器并联条件下的谐波环流治理措施。高频系统电源侧的研究是充分发挥高频分布式并联电气架构优势的核心，研究高效优质的高频电源侧拓扑和控制，实现并联环流的鲁棒抑制和谐波环流的主动治理，其是提升高频供电效率和分布式结构适应性的关键所在，以适应电动汽车电气系统的轻量化、小型化发展需求，也是将高频交流系统在舰船和航空航天器等领域进一步推广和应用的基础。