一体化开关升压变换器和电机驱动器及其在电动汽车车载变流器系统中应用的研究

The car converter is very important part of electric vehicle system, it needs about efficient, low-cost and reliable. However, conventional car power converters present the complex structure and low efficiency. The existing car Z-source converters have two inductosr and two capacitors, which increase not only the complexity of circuitry but also the size, weight and cost of the power converter. The complex systems or limited function ability of car converter in electric vehicle system..This project proposes a novel switch-boost motor driver, which is applied to electric vehicle system, through inserting switch-boost network between the battery and three-phase bridge circuit, and it combines battery charge management function and motor drive..First, the new topologies are proposed, and the corresponding mathematic models are built. Secondly, we will proposes the modulation methods, parameter design method for switch-boost network. All of theoretical findings are verified through using simulation results. Thirdly, the prototype are set up to carry out broad experiments. The experimental results validate the proposed topologies, proposed parameter design method, and proposed modulation and control methods, the project works on the general fundamental of proposed topologies, modulation methods, and control methods, which will provide the important basis for switch-boost converter's practical applications in electric vehicle system, also provide the theoretical fundamental and experimental verification for switch-boost converter's industrialization.

车载变流器作为电动汽车系统中的重要组成部分，要求高效、低成本和高可靠性。然而传统车载变流器包含DC/DC变换器等多种变换器，结构复杂，效率低。现有Z源车载变流器因Z源电路包含两个电感和两个电容导致体积大、功率密度低。结构复杂或功能受限制约了车载变流器在电动汽车中的广泛应用。.本课题提出一种一体化开关升压变换器和电机驱动器变流器，并将其应用于电动汽车系统。通过新型阻抗源电路使车载变流器的结构得到简化，功能得到提升。例如，此变流器既可以接入电源给电池充电，也可以放电驱动电机运行，同时实现V2G能量双向流动。首先，提出拓扑结构并建立数学模型；其次，提出其调制方法、参数设计方法和系统控制策略等内容，并通过仿真验证；此外搭建实验平台进行实验研究和验证；最终，实现对上述拓扑，调制方法和控制策略等一般规律的探索。该项目将为阻抗源变换器在电动汽车领域的应用奠定基础，为其产业化提供理论基础和实验验证。

本项目提出电驱重构型车载变流器系统，该系统将电动汽车的驱动系统和充电系统的硬件整合为一体，在保留电动汽车驱动系统固有的驱动功能情况下，以车载的驱动电机代替充电变流器的交流侧电感，达到减小充电系统体积，实现变流器车载的功能。因此，对车载混合能量系统功率变换器拓扑结构、控制方法及功率分配策略等相关问题的研究具有重要意义。.本项目针对电动汽车车载能量系统存在的问题提出一种基于开关升压变换网络的电驱重构型车载混合能量系统。所提出的拓扑结构能够允许逆变器一个桥臂工作在直通模式下，具有抗电磁干扰能力。该拓扑结构以高电压增益提供能量双向流动路径，用于电动车辆的锂电池-超级电容器混合能量系统与交流侧负载之间的能量交换，该变流器与其他具有驱动系统和充电系统复用特性的变流器相比具有结构简单，成本低，能量可以双向流动以及能由现有电动汽车硬件直接改造的特点。.其次，本项目采用状态空间平均法建立了拓扑工作在升压和降压模式下的小信号模型，得到了系统的传递函数。基于零极点图分析了开关升压变换网络中电感值、电容值、电感寄生电阻、电容等效串联电阻以及直通占空比对系统输出响应特性的影响。并分析了该变流器在交错调制下的工作状态。所提拓扑的归一化纹波在任意工况下均低于传统交错变流器，该指标表明所提变流器具有更加良好的纹波抑制效果。本项目利用对称分量法对电驱重构型变流器的不对称电流注入电机的状态进行了分析，分解得出电驱重构型车载变流器在充电模式下基波产生的转矩。基于所提电驱重构型车载变流器能量双向流动特性，本项目对车载变流器工作在V2G模式下的控制策略进行了研究。在该模式下，所提拓扑可以运行在整流模式下也可以运行在逆变模式下。所提策略充分利用了本拓扑的能量双向流动的特性，实现了变流器的四象限运行。.最后，设计并实现了以ARM微处理器和CPLD为控制核心的实验平台，通过实验验证了拓扑的电气可行性和所设计控制器和控制策略的适用性。