Z源逆变器在汽车42VISG混合动力系统中的应用研究

Z源逆变器在汽车42VISG混合动力系统中的应用研究ResearchonZ-sourceInverterAppliedfor42VISGHybridPowertrain西安交通大学张杰林贾要勤王兆安Email:[e-mail]摘要:下一代汽车电气系统的电压为42V，这一电压等级已经初步具备了将汽车轻型混合动力化的能力，如何设计一个高性能的逆变器以更大限度的发挥混合动力的性能，同时又提高可靠性和效率是一个人们感兴趣的问题。Z源逆变器因具有高可靠性和直流侧可以升压的特点,在低电压条件下应用于ISG混合动力具有潜在优势。本文对Z源逆变器在42VISG混合动力系统中的应用做了相关研究，设计了一套高性能的ISG驱动系统，包括逆变器主电路结构设计、调理保护电路设计以及Z源网络的设计；实现了Z源网络直流侧电容电压闭环控制，并搭建了系统仿真模型和试验平台；仿真和实验结果验证了Z源逆变器在扩展ISG运行转速范围，提高启动转矩方面具有比较明显的优势，能更好的发挥ISG混合动力系统的性能。Abstract：Nextgenerationpowertrainofautomobileis42V,thismakeISGhybridcapable.Howtodesignahigh-performanceinvertertomakeagooduseofhybridswhileatthesametimeimprovereliabilityandefficiencyofHEVisaquestionthatmanyresearchfocusedon.Zsourceinverterhascharacteristicsofhighreliabilityandefficiency;especiallyitcanboostDCvoltagewhichcanbeusedinlowvoltagelevelISGHEVs.ThispaperrelevantlyresearchedZsourceinverter’sapplicationin42VISGhybridvehicles.AhighperformanceISGdriversystemisdesigned,includinginvertermaincircuitanditsstructure,protectiveandsignalconditioningcircuitandZsourcenetwork.SimulationandexperimentresultverifiedZsourceinverterhasadvantagesinexpandISGspeedrangeandimprovestarttoque,applicationofZ-sourceinverterinISGinvertercanimprovesystem’sperformance.关键词：ISG，42V系统，Z源逆变器Keywords:ISG,42Vpowertrain，Z-sourceinverter1引言研究开发高效的清洁能源汽车，是解决交通能源短缺和环境污染的有效手段，混合动力汽车（HEV，HybridElectricVehicle）是一种高效率的汽车，日本丰田公司和本田公司都已经有产品出售。但是它们都是全新设计的结构，电气系统电压都在200V以上，因此这些混合动力汽车都有造价较高和安全性能需特别设计的不足[1][2]。ISG型混合动力是指在传统的内燃机汽车的动力系统中，使用发电/电动一体化的电机（ISG，IntegratedStarterandGenerator）来代替原来的发电机、启动机和飞轮，经过简单的改造，就可以和内燃机构成混合动力系统，在现有的汽车动力系统中直接使用。对于一个42V系统（经过国际汽车学术界及汽车工业界的长期研究并考虑了多种因素之后，确定下一个汽车电气系统电压为42V）已经初步具备了混合动力的可能，特别是对应于ISG型混合动力，其功率范围为3kW-15kW，蓄电池输出昀大电流在一百安培到几百安培之间，这将是完全可以实现的。如果能将42V系统和ISG混合动力结合起来，不需改变传统汽车动力系统的结构，又能实现混合动力汽车高效率，低排放的效果，同时也将会具有较高的性价比。ISG结构如图1所示.图1ISG（集成启动发电机）系统示意图2ISG系统的性能及驱动要求ISG系统主要有以下特性：（1）ISG功率比普通汽车启动电机功率要大，可以实现发动机快速启动，由此可以实现内燃机在怠速以上再点火，同时因为启动很快（100ms级）可以在红灯时关闭内燃机，可以减少油耗降低排放；（2）可以实现加速时助力，从而可以减小内燃机排量，提高整车效率；（3）可以实现制动时能量回馈，能进一步提高整车效率。为了使ISG系统能很好的胜任以上性能，ISG驱动逆变器和ISG必须具有以下能力：系统需要有产生高转矩的能力，以带动内燃机转轴在很短的时间内加速到怠速以上，这一方面要求电机具有大转矩能力，一方面也要求逆变器能输出较大电流；电机需要有较大的转速范围（汽油发动机0～6500rpm，柴油发动机0～3200rpm），这要求逆变器输出电压要较高以克服电机高转速情况下的反电动势从而继续向外发出功率。对于一个42V系统，以上几个要求是存在矛盾的。42V的低电压条件将严重制约电机的转速范围以及启动转矩的大小。因此有必要在电池与逆变器之间增加一个升压电路。Z源逆变器具有DC-AC升降压特性，同时又具有可靠性高、抗电磁干扰能力强（能耐受上下管直通而不会造成损毁）的优点[3]。因此，将Z源逆变器与ISG电机结合起来构成ISG系统将有可能具有更好的性能，能更好的发挥ISG型混合动力的优势。如图（2）所示。图2基于z源逆变器的ISG系统电气结构图3.Z源网络建模与控制3.1Z源逆变器直流侧建模Z源逆变器的主电路结构如图3所示。L1iL2iL1vC1vC2vL2v图3Z源逆变器主电路拓扑Z源逆变器的工作机理文献3中有详细的介绍，在此不做赘述。为了保证Z源逆变器在各种工况下能安全稳定的工作同时获得更好的动态性能，对直流侧电压进行闭环控制是很有必要的。但是因为直通时间的存在，无法对三相桥输入端直流电压Vs进行有效采样，因此闭环控制一般都是对Z网络中电容电压Vc进行控制，因为Vc与三相桥输入端电压Vs是一一对应关系，因此可以通过控制Vc而达到控制逆变桥输入电压的目的。假设：电容电感都存在寄生电阻，设参数、寄生参数各自相等，分别为C、L和R、r；假定非直通状态时负载电流loadI不变；假定蓄电池电压DCV不变。可以由小信号建模得到电容电压对占空比的传递函数为[4]：22(2)(2)()(12)(2)()()(12)LoadLLoadLscLoaddccsLIIIIRrDVRIVGvdsLCsRrCsD−+−++−−−=+++−代入系统参数，根据上式可得到开环传递函数bode图，如图4所示。图4开环传递函数bode图从图4可以看出，系统相位裕量与幅度裕量都是负值，系统闭环不稳定；截止频率高达20kHz。设计PID调节器，得调节器的传递函数如下[5]：0(1)(1)()(1)lzccpsswwGsGssw++=+计算得到的调节器结构比较复杂。Z源逆变器控制研究关键点在于如何将非昀小相位系统校正得稳定，同时能满足动态响应要求。因此本文采用了一种改进的调节器，设计方法直接从环路增益的带宽，相位裕量和幅度裕量出发设计，得到改进的控制器传递函数如下：12.6()121Gcss=+采用改进的调节器Z源逆变器直流侧闭环控制仿真结果如图5所示。从图可以看出，改进的调节器能使系统快速稳定；在出现直流侧电压下降10V的情况下，仍能较快使Z源网络直流侧电压恢复稳定。图5基于改进控制器Z网络闭环控制仿真通过校正，系统相位裕量为45度，幅值裕量为正，系统闭环稳定；但是直流增益有限，牺牲了带宽，导致系统的动态性能下降。3.2Z源逆变器直流侧数字调节器设计对建模所得的校正函数Gc（s）离散化，即可得到数字调节器。Z源直流侧控制框图如图6所示。图6Z源逆变器直流侧控制框图离散化后控制器如图7所示。图7校正函数分解4逆变器主电路与控制电路设计4.1逆变桥主电路器件选择对一个5kW的42VISG系统，逆变器的直流侧电压在30V左右到100V左右[6]（考虑到电池的内阻压降和Z网络的升压能力），因此逆变器将会是一个典型的低压大电流逆变器，逆变器交流侧的输出电流大概为100Arms左右，电力MOSFET是非常合适的选择，取MOSFET的Vdss为150V。考虑到ISG起动时需要的大电流（本设计中为200A）及MOSFET安全工作区和结温对MOSFET过流能力的影响，取MOSFET的电流等级为300A。为了减小体积同时充分利用MOSFET的导通电阻具有正温度系数适于并联的特点，采用MOSFET并联，这样可以减小导通电阻，减少导通损耗，提高变换器效率。经过对国内外主要半导体器件供应商产品的综合分析比较，Z源逆变桥功率器件选定RENESAS公司的FS50MS-3[7]。4.2缓冲电路设计常用的缓冲电路如图8所示[8]。图8常用的缓冲电路因为Z源逆变器的驱动需要有一个特殊的直通时间，因此上图所示的常用的缓冲电路并不能用于Z源逆变器主电路。本文设计了一个满足Z源逆变器要求的缓冲电路，如图9所示。图9新的缓冲电路缓冲电路工作状态有两种，其一是开关状态变化时，缓冲电路的工作状态如图10(a)所示，直流侧寄生电感PL储能通过吸收回路寄生电感SL向SC放电，这与图9中A型吸收回路是一致的，产生的尖峰电压如下式所示（假设电容已充分放电）：SfLSSCSSSQCtiVdcdtdiLVdtdiLV21++=+=由上式可以看出，为了减小尖峰电压的大小，电容应该越大越好。Q1V达到昀大值后，二极管截止，此时吸收回路进入电容释能状态，工作状态如图10(b)所示。电容通过电阻放电，电容电压大小由下式确定：()tRCcsVsVe−=+为了使电容充分放电，RC的选择应该使控制周期大于3-6个τ.综合起来，选择R=2KΩ，C=0.02Fμ.(a)吸收过程(b)释能过程图10吸收回路的工作原理4.3逆变桥结构设计为了获得紧凑的结构和高功率密度以适应汽车这一特殊的应用场合，对主电路的结构设计非常关键。采用什么样的主电路结构直接影响到逆变器能否正常工作、工作的可靠性及功率密度等重要指标，合理的元器件布局，可以保证主电路的性能及工作的可靠性。本文采用了器件并联的设计，通过铜排连接PCB和Z源网络。主电路结构如图11所示：图11主电路U相结构示意图完成的逆变桥主电路如图12所示。图12ISG逆变桥4.4驱动电路设计MOSFET为电压驱动型器件，其栅极输入端相当于一个容性网络，因而其静态输入阻抗很大，需要的驱动功率较小。但由于栅源、栅射间存在输入电容，在高速开关时，电容频繁充放电，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出阻抗小，且具有一定的驱动功率。本文采用了多个MOSFET并联以扩展逆变器电流容量的方案，因此对驱动的电流输出能力要求较高，本文采用由分立器件搭建的光耦隔离推挽输出驱动电路来实现MOSFET的驱动，其原理图见图13。图13驱动电路原理图驱动电路在输入级采用光耦，实现电气隔离和信号的放大;驱动电路在输出级采用大电流的对管组成互补推挽输出，对管2SC3709和2SA1451能提供高达12A的集电极电流，很好地保证了开关管在开通和关断时瞬时峰值电流的供给。4.5保护电路设计为了保证整个装置在正常和非正常使用情况下的可靠性，控制电路中需加入保护电路。一旦电路中出现故障，立刻封锁主电路功率开关的驱动信号，以保护装置自身和负载在出现异常情况时不致损坏，并以声或光的形式报警，等待人为干预。本装置的保护信号包括：直流侧电压的过压保护、直流侧电流过流保护、交流侧电流过流保护、周围环境温度的过热保护以及散热器的过热保护等，这些故障在出现之后将被锁存，并将以光的形式报警；还有两个保护信号不产生报警，也不锁存，只是在出现相应异常情况的时候也同样封锁驱