用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收的梯阶逆变器的制作方法

本发明涉及一种用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收的梯阶逆变器。

背景技术：

现有电动汽车用交流逆变器利用蓄电池输出的直流电通过逆变器转换成三相交流电输出到电动机来驱动汽车，其控制大多采用PWM调制，控制信号频率高对外界干扰大，另外逆变器输出波形的畸变率也大，最重要的是逆变器开关损耗大。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收的梯阶逆变器的技术方案，利用具有新拓扑结构的梯阶逆变器将直流逆变为近似的交流正弦波形来驱动三相电动机从而牵引汽车前行或倒退；并利用梯阶逆变器具有双向电流流向的特性，对蓄电池进行充电；而在刹车时，电动机会变为发电机运行模式并产生刹车力矩,这时梯阶逆变器就会给蓄电池及超级电容充电，也就是将汽车刹车的能量给储存起来。

所述的用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收的梯阶逆变器，其特征在于：梯阶逆变器采用三种不同的H桥组成逆变单元桥，逆变单元桥包括主逆变单元以及两个辅助逆变单元；

三种不同的H桥共用一个直流电压源，不同的H桥产生不同幅值的电压，不同幅值的电压通过串联的变压器合成近似的正弦波形；

单相或三相梯阶逆变器由三种不同额定值的所述逆变单元桥连接单相或三相不同绕组比、不同容量的变压器组成，其中一个逆变单元桥是主逆变单元，另外两个辅助逆变单元分别是第一辅助逆变单元和第二辅助逆变单元；主逆变单元功率输出占80%，第一辅助逆变单元和第二辅助逆变单元功率输出分别占16%和3%；

梯阶逆变器能够通过改变H桥脉冲的角度调整其输出频率，能够通过变频来驱动并改变交流电动机的转速。

所述的用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收的梯阶逆变器，其特征在于所述主逆变单元以及第一辅助逆变单元和第二辅助逆变单元输出的电压波形由不同宽度不同数量的脉冲组成，设最小逆变单元输出电压的幅值为1，则主逆变单元以及第一辅助逆变单元和第二辅助逆变单元输出电压的总和为1+3+9=13，而每个波形的幅值相对于总幅值分别为1/13、3/13和9/13，幅值可以是正或负；

梯阶逆变器中的不同H桥的电压输出比例是1:3:9，每个H桥的输出电压幅值的比例分别是1/13、3/13、9/13；最小的触发时间t由如下的公式决定：，f为逆变器的频率，各个脉冲的触发时间可由上式将1/13换成1/13相应的倍数得出。

所述的用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收的梯阶逆变器，其特征在于所述梯阶逆变器的电力电子开关采用IGBT模块，每个IGBT模块包括2个IGBT，每2个IGBT模块组成一个H桥，每个H桥的2个IGBT模块的发射极相连，每个H桥的2个IGBT模块的集电极一端连接主逆变单元或两个辅助逆变单元变压器的一端，每个H桥的2个IGBT模块的集电极另一端连接到主逆变单元或两个辅助逆变单元变压器的另一端，每个IGBT的基极分别连接控制信号；

单相梯阶逆变器包括6个IGBT模块，其主逆变单元的2个IGBT模块为额定功率的80%；两个辅助逆变单元各2个IGBT模块，分别为额定功率的16%和3%；

三相梯阶逆变器包括18个IGBT模块，其主逆变单元的6个IGBT模块为额定功率的80%；两个辅助逆变单元各6个IGBT模块，分别为额定功率的16%和3%。

所述的用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收的梯阶逆变器，其特征在于所述梯阶逆变器与电动汽车上的蓄电池通过电池管理系统直流主电路连接，梯阶逆变器通过三相转换开关分别与电动机和外接充电电源连接，梯阶逆变器还通过电池管理系统直流主电路并联设置超级电容。

所述的用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收的梯阶逆变器，其特征在于所述梯阶逆变器具有双向电流流动特性，电动汽车处于驱动状态时，蓄电池通过梯阶逆变器连接电动机的定子绕组，蓄电池输出的直流电通过梯阶逆变器正向操作控制转换成交流电输出到电动机，电动机运转牵引车辆前行，或通过换相开关使车辆倒退；

电动汽车需要充电时，可用梯阶逆变器反向操作控制通过外接充电电源将交流电转换成直流电输出到蓄电池；

若梯阶逆变器的输出频率低于其驱动的电动机的转动频率，电动机就会变为发电机运行模式，这时梯阶逆变器就会给蓄电池充电；

利用梯阶逆变器换相可使电动机逆转的特性，可使电机立即停转。

所述的用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收的梯阶逆变器，其特征在于所述梯阶逆变器可以采用开环频率控制也可采用闭环频率控制。

所述的用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收的梯阶逆变器，其特征在于所述梯阶逆变器的逆变单元以及两个辅助逆变单元输出的幅值是由直流电压控制，谐波失真的数值保持不变。

所述的用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收的梯阶逆变器，其特征在于所述梯阶逆变器包括微处理器、驱动电路、IGBT模块和检测电路，检测电路检测直流电路及电动机运行参数并送到微处理器，微处理器输出控制信号到驱动电路，驱动电路控制IGBT模块；微处理器包括公共控制电路和H桥控制电路。

本发明的梯阶逆变器用了三种不同的H桥式单元组成了主逆变单元以及两种辅助逆变单元；三种H桥共用一个直流电压源，而不同的H桥产生不同的振幅的电压，这些电压在串联的不同变压器的二次侧进行加减乘法叠加，合成非常近似的正弦波形，故其输出波形的畸变率很小。另外因为其输出波形主要成分的频率接近市频，而占输出成份很小的部分其频率也不过是市频的几倍，故其开关损耗很小。因为输出频率不是很高，故其控制信号频率也不用太高，所以梯阶逆变器对外界干扰也不大。

本发明的梯阶逆变器具有双向电流流向的特性，利用这个特性，梯阶逆变器在蓄电池需要充电时，断开与电动机的联接后接入充电电源就可实现对蓄电池的充电。这样即节省了专用充电装置，又简化了电动汽车的结构并降低了成本。

在汽车行驶时，若梯阶逆变器的输出频率低于电动机的转动频率，电动机就会变为发电机运行模式并产生刹车力矩，这时梯阶逆变器就会给蓄电池充电，也就是将汽车刹车的能量给储存起来了。刹车是汽车驾驶的基本需要，但是要消耗好多能量，若能将刹车能量回收起来，意义重大。梯阶逆变器与超级电容进一步配合，电动汽车的刹车回收效率会非常高，且能提高车辆的起动功率。另外，利用梯阶逆变器换相可使电动机逆转的特性，可让电机立即停转，这对于电动汽车在紧急情况下的刹车是非常有效的，并避免刹车抱死现象。

附图说明

图1是梯阶逆变器用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收系统示意图；

图2是单相梯阶逆变器结构图；

图3是三相27级梯阶逆变器基本电路图；

图4-1是主逆变单元输出的电压波形；

图4-2是第一辅助逆变单元输出的电压波形；

图4-3是第二辅助逆变单元输出的电压波形；

图5是一个IGBT开关的开环控制原理图；

图6是第一个H桥的控制原理图；

图7是单相梯阶逆变器的输出波形；

图8是三相梯阶逆变器的输出波形；

图9是三相梯阶逆变器的控制程序流程图；

图10是三相梯阶逆变器在电动汽车应用中与各部件连接的单线图；

图中：1-梯阶逆变器，2-蓄电池，3-三相转换开关，4-电动机，5-外接充电电源，6-超级电容，7-电池管理系统直流主电路。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明：

本发明的用于电动汽车驱动充电及刹车能量回收的梯阶逆变器，梯阶逆变器采用三种不同的H桥组成逆变单元桥，逆变单元桥包括主逆变单元以及两个辅助逆变单元。

三种不同的H桥共用一个直流电压源，不同的H桥产生不同幅值的电压，不同幅值的电压通过串联的变压器合成近似的正弦波形。

单相或三相梯阶逆变器由三种不同额定值的所述逆变单元桥连接单相或三相不同绕组比、不同容量的变压器组成，其中一个逆变单元桥是主逆变单元，另外两个辅助逆变单元分别是第一辅助逆变单元和第二辅助逆变单元；主逆变单元功率输出占80%，第一辅助逆变单元和第二辅助逆变单元功率输出分别占16%和3%。

梯阶逆变器可以通过改变H桥脉冲的角度调整其输出频率，因而它可以通过变频来驱动并改变交流电动机的转速，这里交流电动机包括异步电动机或永磁同步电动机，换言之，梯阶逆变器是一种新型的变频电机驱动装置。

梯阶逆变器的电力电子开关采用IGBT模块，每个IGBT模块包括2个IGBT，每2个IGBT模块组成一个H桥，每个H桥的2个IGBT模块的发射极相连，每个H桥的2个IGBT模块的集电极一端连接主逆变单元或两个辅助逆变单元变压器的一端，每个H桥的2个IGBT模块的集电极另一端连接到主逆变单元或两个辅助逆变单元变压器的另一端，每个IGBT的基极分别连接控制信号。

单相梯阶逆变器包括6个IGBT模块，其主逆变单元的2个IGBT模块为额定功率的80%；两个辅助逆变单元各2个IGBT模块，分别为额定功率的16%和3%。

三相梯阶逆变器包括18个IGBT模块，其主逆变单元的6个IGBT模块为额定功率的80%；两个辅助逆变单元各6个IGBT模块，分别为额定功率的16%和3%。

如图1所示，梯阶逆变器1与电动汽车上的蓄电池2通过电池管理系统直流主电路7连接，梯阶逆变器1通过三相转换开关3分别与电动机4和外接充电电源5连接，梯阶逆变器还通过电池管理系统直流主电路7并联设置超级电容6。

逆变单元桥与单相变压器联结组成单相梯阶逆变器，其电路图如图2所示。三相梯阶逆变器由三种不同额定值的上述逆变单元桥连接三相变压器组成，其电路图如图3所示。根据不同电压的需要，主逆变单元变压器可以省掉，即图2和图3所示的主逆变单元变压器一次二次间短接。

当电动汽车处于驱动状态时，蓄电池输出直流电通过梯阶逆变器正向操作控制转换成三相交流电输出到电机，电动机运转从而牵引汽车前行，若将三相交流换相，电机反转汽车倒退。

当电动汽车需要充电时，将外部三相交流电通过三项转换开关输入到梯阶逆变器，通过梯阶逆变器反向操作控制转换成直流电对蓄电池进行充电，这时，梯阶逆变器与电动机连接断开。

当电动汽车处于刹车状态时，梯阶逆变器的输出频率低于电动机的转动频率，电动机就会变为发电机运行模式并产生刹车力矩。这时梯阶逆变器就会给蓄电池充电，也就是将汽车刹车的能量给储存起来了。电路中接入超级电容，会提高刹车效率，并改善对蓄电池的充电条件，还会提高电动汽车的起动功率。

上述电动机的线圈绕组的相数是3。

上述的梯阶逆变器用了三种不同的H桥式单元组成了主逆变单元以及两个辅助逆变单元。三种H桥通用一个直流电压源，而不同的H桥产生不同的振幅的电压，这些电压在串联的不同变压器的二次侧进行加减乘法叠加，合成非常近似的正弦波形，故其输出波形的畸变率很小。另外因为其输出波形主要成分的频率接近市频，而占输出成份很小的部分其频率也不过是市频的几倍，故其开关损耗很小。因为输出频率不是很高，故其控制信号频率也不用太高，所以梯阶逆变器对外界干扰也不大。

梯阶逆变器各个逆变单元输出的电压波形如图4-1，4-2，4-3所示。主逆变单元以及第一辅助逆变单元和第二辅助逆变单元输出的电压波形由不同宽度不同数量的脉冲组成，设最小逆变单元输出电压的幅值为1，则主逆变单元以及第一辅助逆变单元和第二辅助逆变单元输出电压的总和为1+3+9=13，而每个波形的幅值相对于总幅值分别为1/13、3/13和9/13，幅值可以是正或负。

由于梯阶逆变器中的不同H桥的电压输出比例是1:3:9，每个H桥的输出电压幅值的比例分别是1/13、3/13、9/13；最小的触发时间t由如下式（1）决定：（1），

f为逆变器的频率，各个脉冲的触发时间可由上式将1/13换成1/13相应的倍数得出。

梯阶逆变器三个逆变单元每个脉冲在下列角度上变化如下式（2）：

[0° 4.117° 8.8499° 13.3424° 17.9202° 22.6199° 27.4864° 32.5790° 37.9799° 43.8131° 50.2849° 57.7959° 67.3801°] （2）

梯阶逆变器谐波水平（THD）可由下式算出：

（3）

其中，P是最小的开关角的数目，是公式（2）中各个角度，对于27级梯阶逆变器，在四分之一周期中，P等于13，代入式 (3)，THD结果是4.07%。由于梯阶逆变器逆变单元输出的幅值定是由直流电压控制的，无论直流电压有什么变化，THD的数值是保持不变的，这是梯阶逆变器与其它的逆变器显著不同的地方。

梯阶逆变器可以采用开环频率控制也可采用闭环频率控制，其基本开环控制原理如图5所示。对于一个H桥其控制电路如图6所示。基于梯阶逆变器的基本控制电路，多种形式的控制原理像PID，神经元网络，等都可与之配合形成不同特点的实用控制系统。

梯阶逆变器包括微处理器、驱动电路、IGBT模块和检测电路，检测电路检测直流电路及电动机运行参数并送到微处理器，微处理器输出控制信号到驱动电路，驱动电路控制IGBT模块；微处理器包括公共控制电路和H桥控制电路。上述各个电路的具体结构为现有技术，在此不再赘述。

如图3所示。这里公共控制电路给不同H桥提供相同的频率信号，而不同的H桥控制及驱动电路则根据梯阶逆变器的拓扑结构给IGBT电子开关提供控制和驱动。图3中H1，H2和H3分别是主逆变单元的A相，B相，C相的H桥逆变电路；H4，H5和H6分别是第一辅助逆变单元的A相，B相，C相的H桥逆变电路；H7，H8和H9分别是第二辅助逆变单元的A相，B相，C相的H桥逆变电路。近似正弦波就是通过这九个H桥电路在三个变压器中合成的。

一般情况下，电动机的速度是通过增大或者减小梯阶逆变器的输出频率进行调节的，其瞬态过程可由下面是梯阶逆变器数学模型来描述。

所有逆变单元的开关函数可以表示如下，

主逆变单元

第一辅助逆变单元

三相梯阶逆变器的新设计。

第二辅助逆变单元

这里的i代表不同的逆变单元，（i=1,2,3），如主逆变单元，第一辅助逆变单元、第二辅助逆变单元，而j是为不同的相，即A相，B相和C相。

对于A相，全部逆变单元的开关功能如表1所示：

表1: 梯阶逆变器的A相开关函数

与A相相类似的，B相和C相的梯阶逆变器的开关函数也可以以相同的方式表达。

对于梯阶逆变器的主要逆变器，瞬态回路方程可以表示如下：

(4)

同样，第一个辅助逆变单元的瞬态电路方程可以表示为：

(5)

对于第二辅助逆变单元也是一样的：

(6)

通过加入方程（4）、（5）、（6）可以得到一个新的方程，如下

(7)

其中：

：逆变单元的电路电流，

：逆变单元的电路电阻，

：逆变单元的电路电感，

：梯阶逆变器的交流输出电压，

：梯阶逆变器的输出中点电压，

：梯阶逆变器直流电压，

i代表不同的逆变单元，（i=1,2,3），如主逆变单元、第一辅助逆变单元、第二辅助逆变单元，

j为不同的相，即A相、B相和C相。

以上梯阶逆变器由MATLAB进行模拟，每个电力电子开关的触发功能通过程序编程来实现。单相梯阶逆变器的通过不同比率的变压器（1:1,1:3,1:9）后迭加起来的波形如图7所示，可以看出它非常接近于正弦波。三相梯阶逆变器地输出波形如图8。

三相梯阶逆变器由三种不同额定值的逆变单元桥连接三相变压器组成，三种H桥通用一个直流电压源，而不同的H桥产生不同的振幅的电压，这些电压在三个串联的不同变压器的二次侧进行加减乘法叠加，合成非常近似的正弦波形。根据不同电压的需要及成本考虑，主逆变单元变压器可以省掉，即图3所示的主逆变单元变压器一次二次间短接，这样第一辅助逆变单元变压器变比为3：1，第二辅助逆变单元变压器为9：1。

控制系统设计：

梯阶逆变器采用的不是PWM调制，而是控制三个逆变单元上产生有一定排列规则的不同波形，然后在串联的变压器的二次侧进行叠加，合成非常近似的正弦波形，这就避免PWM调制控制信号频率高，对外界干扰大，输出波形的畸变率大，开关损耗大的缺点。

梯阶逆变器最基本的控制如图5所示，其基本功能是控制每一个电子开关产生所要求的开断时间间隔。图6所示的是对一个H桥的控制使其产生一定排列规则脉冲波形。

梯阶逆变器的整个控制如图9流程图所示，其基本功能是让主逆变单元及两个辅助逆变单元产生各自需要的脉冲波形，然后控制梯阶逆变器合成近似正弦波。根据检测电路送来的速度，角度等信号结合PID，神经元控制理论对上述基本控制功能添加反馈控制。

蓄电池接有电池管理系统BMS，电池管理系统BMS与梯阶逆变器控制单元连接通信。为了梯阶逆变器在充电时更加安全可靠，外部三相交流电源电压的信息及电动机发电时的电压要输入到梯阶逆变器控制单元中，根据不同情况决定充电的波形及电流大小，使充电损耗小，效率高，且更为快捷。