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摘要：针对氢燃料电池大功率电机驱动系统，提出一种以燃382kW的150系列中型坦克、537kW的12V150ZL
CHB)型混合动力中压电机调速系统。所提系统由燃料电池/大功率中压应用领域，船舰驱动功率等级主要有：
基金项目：河北省自然科学基金(重点项目)(E2021203162，kW的首台近海供应船、750kW的船舶透平
F2022203005)；河北省科技计划项目(236Z2004G)。货油泵驱动系统[5]以及MW级的双绕组电机船舰推
中压电机调速系统，可以减少电能损耗、简化系统力滤波电路[27-30]，虽然取得较好的纹波抑制效果，
控制、优化电机效率、提升电机性能[7]。通常，由但是增加了额外的电感电容元件和开关器件，从而
于电机在运行过程中的速度变动，因此对燃料电池增加了系统的体积与成本。软件抑制策略主要是
的电力需求是波动的，特别是在车辆行驶于城市道改进控制策略，通过软件程序进行纹波抑制。文
路的过程中[8]，而燃料电池动态响应缓慢，无法提献[31-33]采用改进载波的控制策略来抑制二倍频
供这样的电力需求，且这种频繁的负载波动会缩短的波动，可以实现对子模块电容电压纹波的抑制，
燃料电池的使用寿命，影响其使用性能[9]。所以燃但增加了控制难度并有可能降低DC-DC侧的输出
料电池需要与其他具有快速动态响应的辅助储能电能质量。另一种软件抑制电压纹波方法是通过注
设备结合使用[10-12]，提升其动态响应速率，延长燃入基于基频的电流分量来实现三相之间的功率重新
料电池的使用寿命。在常见的多电平变换器电驱系分配以抑制直流侧电压波动[34-36]。这种抑制电压纹
统中，中点钳位型和飞跨电容型变换器在输出电平波的方法是通过功率控制来减小直流侧电压波动，
数较高时存在钳位二极管或电容数量过多的问题，控制结构相对简单，但跟踪注入波形的难度较大。
这使得它们更适合低电压等级的应用场景[13-14]。基随着混合储能的使用，国内外学者对混合储能
于级联H桥(cascadedH-bridge，CHB)结构的电机的能量管理策略进行了广泛研究。文献[37]研究了
驱动系统采用全桥子模块级联的方式提升电压等一种基于参数估计的混合动力系统实时控制器，所
级，其控制策略简单，具备低开关频率、模块化程提策略具有可证明的稳定性和收敛闭环特性；文
度高、冗余性好等优势，使之成为当下中压电机驱献[38]提出了一种基于3个离线优化模糊逻辑控制
动系统中常用的拓扑结构[15-17]。器参数组合的能量管理策略，采用数据融合的方法
当下主流混合动力系统主要包括燃料电池-超进行在线]提出了一种基于模糊逻辑
级电容器、蓄电池-超级电容器、燃料电池-蓄电池-控制和Haar小波变换相结合的功率共享策略；文
超级电容器等[18-23]。燃料电池为主供电源，蓄电池献[40]提出了一种基于庞特里亚金最小原理的插电
和超级电容器为辅助电源[18]。文献[19-20]中都采用式燃料电池混合动力汽车的最优能量管理策略。综
蓄电池-超级电容器混合储能系统，但蓄电池成本高、上所述，可以总结为基于规则的能量管理策略和基
功率密度低是制约其发展与应用的主要障碍[21]。超于优化的能量管理策略，或者两者相结合。其中，
级电容器相比蓄电池能量密度低，但功率密度高，基于规则的策略相对简单，计算简便。因此，比较
充放电速率快，可以产生或吸收蓄电池由于自身动适合在线应用程序；基于优化的策略通常具有良好
态限制不能产生的突变峰值能量。并且超级电容器的性能，但对在线应用却比较困难。但这些能量管
的使用可以显著降低蓄电池功率，延长其使用寿理策略要么没有充分考虑实际行驶工况大幅度瞬
命，因此将两者相结合，形成一个理想的解决方案，变的负载电流对燃料电池和蓄电池的冲击，要么过
可以产生同时具备高功率密度和高能量能量密度于复杂而需要大量的计算。在混合动力电机驱动的
的储能，在优化内部储能配置的同时，进一步提升能量管理策略中，应该充分考虑准确性和简单性的
整车的动态响应性能[22]。在文献[23-24]中，采用燃结合[41]。
料电池-蓄电池-超级电容器3类储能相结合的结本文针对基于CHB结构的固态变压器
件的变化，高效、合理地分配能量。CHB-SST)系统子模块体积过大以及现有的减小子
在CHB电驱系统中，交流侧电流会在子模块模块电容策略不足等问题，提出一种优化调制策
上产生二倍频波动分量，因此需要大容值的子模块略，在不增加任何控制与硬件电路的前提下，大幅
电容来抑制此波动，从而稳定输出电压。这降低了减小了CHB子模块的尺寸，降低了系统成本，提
系统的功率密度，导致驱动系统成本的增大[25]。所升了系统的功率密度，同时该拓扑在所提出的调制
以在实际工程应用中，减小CHB子模块电容容值策略下不需要复杂的功率控制，即可实现波动功率
具有着重要意义。减小CHB子模块电容的策略有自动传递，实现了控制的最简化。针对所采用包含
硬件方法和软件方法[26]。其中，硬件方法主要是采3类储能的混合动力系统，在基于低通滤波(low
用硬件滤除直流电压纹波，可在直流侧并联有源电passfilter，LPF)的功率分配策略基础上，考虑蓄电
池和超级电容器的电池荷电状态(stateofcharge，达类似。由图1可知，该拓扑结构存在两个外接功
SOC)性能，提出基于自适应系数的低通滤波器功率率端口，其中，LVDC端口连接混合动力系统为后
分配策略。充分利用超级电容器响应快、蓄电池稳级提供稳定的电能，MVAC端口连接电机为电驱系
本文介绍所提出电驱系统结构，对CHB-SST级联H桥混合动力电驱系统子模块拓扑框图
进行数学建模，对传统大电容约束进行分析；提出如图2所示，以a相为例，其中：ia为a相交流侧
理想条件下电容最小化方案，分析在实际非理想条相电流；ua为交流侧相电压；ism_a为a相子模块
件下对开关电容电路特性的影响，并验证系统轻量(sub-module，SM)电流；usm_a为SM电容电压；ia_QAB
化的效果；介绍系统所用的混合动力源，分别进行为QAB的输入电流；ia_0为流入CHB子模块电容
建模，阐述不同储能的特性，并介绍所提出的能量电流；iLVDC为CHB-SST一个子模块的混合动力源
管理策略及系统控制方案；分别通过仿真和实验证输出电流；uLVDC为混合动力源电压。
inductance，FBLs)组成的结构将横向三相的3个全在不考虑额外复杂控制的情况下，所需大电容
桥模块互联在一起。HFT的原边侧全桥与移相电感的电容约束如下。流经CHB相桥臂的SM充电电
输出电压、电流和功率，蓄电池和超级电容器的表如式(3)所示的三相对称纹波电流ism_x_ac会引
起SM电容电压纹波，需要更大的SM电容去吸收，侧转移到二次侧的功率，如式(5)所示。
频率。由式(4)可知，需采用较大容值的电容时，电电感与等效漏电感之和。该控制策略下的QAB级
压波动就随之减小，但是大容值电容的应用限制了简化电路和等效模型如图3(a)、(c)所示，其中：upx
系统功率密度的提高。所以，为了提高系统的功率和i为高频链电压和电流；L、L和L为设置在
密度，实现轻量化，需要降低子模块的电容值。高频链副边侧的外部电感。一次侧和二次侧之间的
2CHB-SST轻量化设计功率流动由相移调制控制，其示意图如图3(e)所示，
(a)传统调制QAB简化电路(b)所提调制QAB简化电路率的幅值和方向，实现功率传输，调制信号如图3(f)
(c)传统调制QAB等效电路(d)所提调制QAB等效电路制策略波形如图3(f)所示，在所提的调制策略下，
对于三相子模块之间的波动功率解耦分析如到QAB副边侧全桥三相输入电流之和：
块中电流源与电容可以等效为并联结构。由式(8)可知，QAB副边输入电流只包含直流
isma_ac2isma_ac1在单边同步双边移相调制策略下，子模块波动
ismb_ac2ismb_ac1制策略下电流的流向。相比与常规DAB，引入同步
阻抗很小，所以二倍频波动电流可以看作全部流入图7子模块低频波动电流传输路径
通过式(7)可知，二倍频波动电流在流入高频链图8中：C、Z分别为CHB级的电容和电容
后，相加为0，相互抵消，联立式(3)、(6)、(7)可得阻抗，其中Z=1/(jωC)；L和Z为QAB级二
次侧的变压器漏感和电感阻抗，其中ZLTx=jωLTx。频链的二次侧。由于本文所研究的纹波电流主要为
相的等效输入阻抗Zex如式(9)所示，包括x相的ZLTx图9所示的三维图，可知当子模块电容在mF级，
和剩余两相的Zcy和ZLTy。变压器漏感在μH级时，流入子模块电容的电流iCa
将其他两相的ismx_ac设为开路，则iQx_acy是从等效交根据实际应用中变压器的制造技术[43]，LT的范
流源iQx_ac流入其他两相的电流，表示为围为1~6μH，子模块电容C根据表1可知。上述
c相的等效交流电流源，iCa的响应等于iCa_ac、iQb_aca、CHB-QAB结构传统调制单边同步双边移相
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