通过集成门控电路的PMSM电机改善电动汽车的行驶工况

电动汽车(EV)具有低排放、低运营成本和静音运行等优点，因此越来越受欢迎。不过，电动汽车也有一些缺点，有时可能会带来不便。这些缺点包括续航里程短、充电时间长和价格过高。行驶工况优化是提高电动汽车性能的关键因素之一。行驶工况优化涉及根据行驶条件为车辆选择最有效的工作模式。多电平逆变器和门控电路等电力电子技术可以通过提高电机的效率和可靠性来改善电动汽车的行驶工况。

优化行驶工况的重要性

行驶工况优化对于电动汽车非常重要，因为它能显著影响电动汽车的性能、效率和续航能力。行驶工况是指车辆在典型行程中经历的加速、减速和巡航速度。通过优化行驶工况，可以将车辆的能耗降至最低，从而提高车辆的续航里程和效率。这对于续航里程有限且需要频繁充电的电动汽车尤为重要。

优化行驶工况还可以提高车辆的整体性能、加速度和操控性。通过分析和优化行驶工况，可以找出可节能的地方，例如在滑行或制动时，并相应地调整车辆的功率和转矩设置。优化行驶工况还有助于减少车辆部件的磨损，从而延长使用寿命并降低维护成本。

文献综述

优化电动汽车行驶工况的一种有效方法是将永磁同步电机(PMSM)与门控电路集成。门控电路等电力电子设备可通过降低开关损耗和限制电磁干扰(EMI)来提高电动汽车的效率和可靠性。另一方面，PMSM电机以其高转矩和高效率著称，是电动汽车的理想选择。

关于使用门控电路和PMSM电机优化电动汽车行驶工况，已经开展了多项研究。例如，Emani等人进行的一项研究(2011年)为EV驱动系统提出了一种使用PMSM电机和门控电路的新控制策略。与传统电动汽车驱动系统相比，所提出的系统在效率和减少电磁干扰方面都有明显改善。

Chang等人的另一项研究(2018年)调查了使用多电平逆变器和门控电路改善电动汽车的行驶工况。集成了门控电路的二极管钳位、飞跨电容和级联H桥逆变器属于所研究的多电平逆变器类型。结果表明，所提出的系统提高了电动汽车的效率和可靠性，同时减小了电力电子设备的尺寸和重量。

用于改善行驶工况的电力电子技术

电力电子技术用于调节从电源到电力负载的能量传输。这些技术用于电动汽车，以提高其效率和性能。下面列出了一些用于改进行驶工况的常用电力电子技术。

脉宽调制(PWM)

PWM是一种广泛用于电动汽车电机控制的电力电子技术。它通过控制方波信号中的脉冲宽度来调节电压或电流。使用PWM改善行驶工况的优点有：

• 提高电机效率
• 降低电机噪声
• 更好地控制电机速度
• 减少转矩纹波

使用PWM改善行驶工况的缺点则有：

• 输出波形谐波含量高
• 开关损耗增加
• 对电机绝缘造成高压应力

多电平逆变器

被称为“多电平逆变器”的电力电子设备可将直流电压转换为多个电平的交流电压。这些设备可降低输出波形中引入的谐波失真，因此非常宝贵。使用多电平逆变器改善行驶工况的优点有：

• 减少谐波失真
• 改善输出波形质量
• 降低开关损耗
• 提高电机效率

使用多电平逆变器改善行驶工况的缺点则有：

• 电路复杂
• 成本高于其他技术
• 开关频率较高

门控电路

门控电路是一种使用门控信号控制功率流的电力电子设备。这些设备通过减少开关损耗来提高电机效率。使用门控电路改善行驶工况的优点有：

• 减少开关损耗
• 提高电机效率
• 降低电机绝缘上的电压应力

使用门控电路改善行驶工况的缺点则有：

• 对输出波形的控制有限
• 低频运行
• 在某些电机控制应用中的适用性有限

用于改善行驶工况的多电平逆变器

多电平逆变器是一种电力电子设备，用于提高输出波形质量和降低谐波失真。它们将单相直流电压转换为可变交流电压。减少谐波失真、提高输出波形质量、降低开关损耗和最大限度地提高电机效率只是多电平逆变器优于更简单的两电平逆变器的几个方面。

基本工作原理

多电平逆变器采用多电平直流电压工作，产生阶梯式的交流波形。这些电压水平是通过以特定配置连接的多个电力电子开关实现的。开关的设置可控制逆变器的输出波形。

多电平逆变器的类型

作为多电平逆变器的例子，我们来考虑一下：

• 二极管钳位多电平逆变器。多电平逆变器的一个例子是二极管钳位逆变器，也称为中性点钳位(NPC)逆变器，因为它使用钳位二极管来限制每相桥臂上的电压。二极管钳位逆变器的简化电路图如图1所示。

二极管钳位逆变器的每相桥臂都由一串功率半导体开关(通常为IGBT)和两个钳位二极管组成。钳位二极管将每相桥臂上的电压限制为直流电压源的一小部分(通常是直流电压的1/3或1/2)。输出电压波形可使用多电平近似为纯正弦波，从而降低谐波失真，提高输出波形质量。二极管钳位逆变器的主要优点是简单、成本低。不过，它们的局限性在于输出电压低，无法平衡直流母线电压。

• 飞跨电容多电平逆变器。有一种多电平逆变器使用浮动电容来产生不同的电压电平¹。这种逆变器被称为飞跨电容多电平逆变器或电容钳位逆变器。飞跨电容逆变器的基本电路图如图2所示。

在飞跨电容逆变器中，每相桥臂都由一系列功率半导体开关和浮动电容器组成。通过以不同配置连接电容器，可实现多个电压电平。与二极管钳位逆变器相比，飞跨电容逆变器可产生更高的输出电压，并具有更好的直流母线电压平衡能力。不过，由于需要额外的电容器，这种逆变器更加复杂和昂贵。

• 级联H桥多电平逆变器。多电平逆变器可以产生多个电压电平，例如级联H桥逆变器。级联H桥逆变器的简化电路如图3所示。
• 级联H桥逆变器中的每个H桥模块由四个按H型接线的功率半导体开关组成。通过串联多个H桥模块，可实现多种电压电平。级联H桥逆变器可产生较高的输出电压，并具有良好的直流母线电压平衡能力。它需要许多H桥模块，因此是最复杂、最昂贵的多电平逆变器形式。

图1：二极管钳位多电平逆变器²。

图2：飞跨电容逆变器³。

图3：级联H桥逆变器³。

每种多电平逆变器都各有利弊。因此，为特定应用选择合适的多电平逆变器至关重要。

多电平逆变器的优点

与简单的两电平逆变器相比，多电平逆变器有很多优点。其中一些主要优点包括：

1. 减少谐波。与两电平逆变器相比，多电平逆变器产生的谐波失真更少。原因之一是多电平逆变器的输出波形更接近正弦波，因为其电平数更多。因此，电机运行更平稳、更高效。
2. 更高的电压输出。与两电平逆变器相比，多电平逆变器可产生更高的电压输出。这在电动汽车中特别有用，因为电动汽车需要高电压来实现高速和加速。
3. 提高效率。在中小功率水平下，多电平逆变器比两电平逆变器效率更高。这是因为多电平逆变器以更高的开关频率工作，从而减少了功率损耗。
4. 减少EMI。多电平逆变器比两电平逆变器产生的EMI更少。多电平输出波形比两电平逆变器更平缓、更精细。

多电平逆变器在电动汽车中的应用

多电平逆变器在电动汽车中有多种应用，包括：

1. 电机控制。多电平逆变器可控制电动汽车中PMSM电机的速度和转矩。通过改变逆变器的输出电压和频率，可以命令电机产生所需的速度和转矩。
2. 电池充电。多电平逆变器可用于为电动汽车中的电池充电。逆变器可将从电池接收的直流电压转换为交流电压，从而从交流电网为电池充电。
3. 并网。多电平逆变器可用于将电动汽车连接到交流电网。逆变器通过将电池的直流电压转换为交流电压向交流电网供电，该过程也可反向进行。

用于改善行驶工况的门控电路

门控电路是另一种可用于改善电动汽车行驶工况的电力电子技术。门控电路是一种电力电子电路，它通过高频开关负载来控制流过负载的电流。门控电路的基本工作原理与开关电源类似。

门控电路的类型

电动汽车中可使用多种类型的门控电路，包括：

1. 相位控制门控电路。相控门控电路是最简单的门控电路类型。它们使用晶闸管或三端双向可控硅来控制流过负载的电流。晶闸管或三端双向可控硅由控制电路产生的脉冲触发。
2. 谐振门控电路。谐振门控电路使用谐振电路来控制流经负载的电流。谐振电路由一个电容器和一个电感器组成，并调谐到负载的频率。
3. 软开关门控电路。软开关门控电路结合使用相位控制和谐振开关来控制流过负载的电流。这种电路旨在最大限度地减少开关损耗，提高效率。

门控电路的优势

与传统电力电子电路相比，门控电路具有多种优势。一些主要优势如下：

1. 降低开关损耗。与传统电力电子电路相比，门控电路产生的开关损耗更小。这是因为它们以高频率开关负载，从而减少了功率损耗。
2. 减小EMI。与传统电力电子电路相比，门控电路产生的EMI更少。这是因为它们以高频开关负载，从而减少了电磁辐射。
3. 提高效率。与传统的开关方法相比，门控电路的效率更高。这是因为它们减少了电流方向切换的次数，从而降低了开关损耗。开关损耗的降低可提高效率，特别是在电动汽车中，每一分能量都至关重要。
4. 噪声更小。与传统的开关方法相比，门控电路的另一个优势是它们产生的噪声更少。这是因为开关频率较低，电流方向切换次数减少，从而减少了电磁干扰。
5. 可靠性更高。与传统的开关方法相比，门控电路的可靠性也更高。这是因为它们使用的元器件更少，导致故障点更少。由于元器件数量减少，简化后的系统更容易维护和维修。

门控电路在电动汽车中的应用

门控电路在电动汽车中有多种应用，包括：

1. 电池管理。在电池管理系统中使用门控电路，可以调节电池的充放电。门控电路可提高电池充放电效率，从而延长使用寿命。
2. 电机控制。电机控制系统中也采用了门控电路，借助门控电路可以调节电机速度和转矩。门控电路可以更准确、更有效地控制电机，从而提高性能，延长电机寿命。
3. 电力电子。电力电子系统可采用门控电路来控制功率流。使用门控电路可以更有效地控制功率流，从而减少能源浪费，提高系统性能。
4. 再生制动。利用汽车动能为电池充电的再生制动系统，也可以使用门控电路。门控电路可提高转换效率，从而提高能源利用效率。

带有多电平逆变器和门控电路的集成PMSM电机

将PMSM电机与多电平逆变器和门控电路集成，可显著改善电动汽车的行驶工况性能。这种系统的设计和实现涉及硬件和控制策略方面的考虑。

集成系统的设计与实现

• 控制策略：应开发集成系统的控制策略，使PMSM电机在各种行驶工况条件下都能良好运行。这就需要开发能够实时有效管理电机转矩和速度的算法。控制策略还应确保多电平逆变器和门控电路正确同步，以产生所需的输出。
• 硬件设计：应优化集成系统的硬件设计，确保其能够承受电动汽车应用的高电压、大电流要求。这包括选择适当的元器件，例如功率半导体、电容器和电感器，以及设计适当的冷却系统来管理运行过程中产生的热量。

同时使用多电平逆变器和门控电路的好处

多电平逆变器和门控电路的集成可为电动汽车应用提供多种优势，包括：

• 提高效率：同时使用多电平逆变器和门控电路可提高PMSM电机驱动系统的效率。这是因为多电平逆变器可以产生更高质量的输出波形，从而减少电机绕组中的功率损耗。门控电路还能减少与传统PWM技术相关的开关损耗。
• 降低EMI：将门控电路与多电平逆变器集成可减少PMSM电机驱动系统产生的EMI。这是因为与传统PWM技术相比，门控电路产生的高频噪声更小。
• 改善电能质量：使用多电平逆变器和门控电路可提高PMSM电机驱动系统的电能质量。多电平逆变器能产生更高质量的输出波形，减少谐波失真。

集成系统性能分析

• 效率：集成系统的效率可通过比较输入功率与输出功率来衡量。与传统的PWM技术相比，将多电平逆变器和门控电路相结合可提高效率。
• 电能质量：分析输出波形的谐波失真可以很好地反映集成系统的电能质量。多电平逆变器和门控电路可提高电能质量，降低谐波失真。
• 可靠性：通过计算各个部件的平均无故障时间(MTBF)和故障率，我们可以评估整个系统的可靠性。使用高质量元器件和适当的冷却系统可提高系统可靠性。

总结

总之，将PMSM电机与多电平逆变器和门控电路集成在一起，可显著提高电动汽车的行驶工况性能。多电平逆变器和门控电路具有多种优势，包括提高效率、降低EMI和改善电能质量。集成系统的设计和实现涉及硬件和控制策略方面的考虑。改善电动汽车行驶工况的未来研究方向可能包括开发更先进的控制算法和集成其他电力电子技术。

参考文献

¹Haitham Abu-Rub, Atif Iqbal, Jaroslaw Guzinski. “High Performance Control of AC Drives with MATLAB/Simulink Models”, Wiley, 2012.

²https://engineering.electrical-equipment.org/electrical-distribution/diode-clamped-multilevel-inverters.html

³Emani, Sriram Sarma. “Performance Evaluation of a Cascaded H-Bridge Multi Level Inverter Fed BLDC Motor Drive in an EV.” PhD diss., Texas A & M University, 2011.

（原文刊登于EE Times姊妹网站Powre Electronics News，参考链接：Drive Cycle Improvement For Electric Vehicles By PMSM Motors Integrated With Gated Circuits，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。