郁百超
　　
　　(湖北省电力信息通信公司,湖北武汉430077)
　　
　　摘要:介绍蓄电池的无损充电及自行车、汽车、火车的微功耗电驱动系统。“整体串联恒流、单体并联恒压”的充电方法,实现了无损耗充电。无损的含意有两层,一是充电功率基本无损耗,二是电池本身在充放电过程中完全无损害,该无损充电机仅由简单电路实现,无过充、过热、过放、过流、短路现象,充电终了时所有单体电池的端电压完全相等;“只需把输入功率中的极小部分进行传统功率变换,就可以全部转换成输出功率”,实现了微功耗电驱动,即输入功率中绝大部分既不必进行实际的功率变换,也不必通过磁芯变压器或电感传递,直接到达输出端而成为输出功率,该微功耗电驱动系统的主功率器件不采用脉宽调制(PWM),电路简单,功耗极小而寿命极长,其成本、体积、重量、功耗都是传统电驱动系统的十分之一。
　　

4．5.微功耗列车牵引交流传动系统实际电路
　　
　　图32是微功耗列车牵引交流传动系统的实际电路，有两路独立的能量传递通道，一路是正向能量传递通道，从牵引变压器、单相整流升压器、三相微分逆变器，到三相牵引电动机；另一路是制动反馈能量传递通道，从三相牵引电动机、三相整流升压器、单相微分逆变器，到牵引变压器。由于微分逆变器电源输入是正负对称的，所以，单相和三相整流升压器都采用倍压整流，输出幅值相同的正负对称电压，而进行升压和功率校正的器件如MOS功率管、二极管等也是极性对称的，同时，在两个电能传递通道的功率变换过程中，所有电源都共地。
　　
　　由牵引变压器次级来的单相交流电压V7经过单相整流升压器进行整流、升压、调压、功率校正后，电压正极加到Q1、Q2、Q3的漏极，电压负极加到Q5、Q6、Q7的漏极。在整流器和逆变器之间，省去了传统交流传动系统中的“直流中间环节”，因为在这儿不产生任何谐波，更不会产生二次谐波，支撑电容就是单相整流升压器中的C5、C14和三相整流升压器中的C8、C17。

　　　　
　　图33是16阶微分逆变器驱动信号的实际电路，电路由4片16个LM339比较器组成，参考电压V2是直流电压，阻值相同的16个电阻串联后与V2并联，16个比较器的反相端顺序、依次接在串联电阻上，第1个比较器接1个电阻，第2个比较器接2个电阻，余类推如图33。另有交流参考电压V1，全波整流后直接接到每一个比较器的同相输入端，同时设交、直流参考电压V1、V2的幅值都是16V。

　　　　
　　前10ms，当交流参考电压V1的幅值小于1V时，没有一个比较器的同相端电压大于反相端电压，所有比较器都输出低电平，当V1的幅值大于等于1V时，第1个比较器的同相端电压大于其反相端电压，输出高电平，当V1的幅值大于等于2V时，第2个比较器的同相端电压大于其反相端电压，输出高电平，其余类推。当最后一个，即第16个比较器输出高电平以后，交流参考电压V1将到达极值，随着时间的推移，V1将下降。当交流参考电压V1的幅值下降到小于16V时，第16个比较器的同相端电压小于其反相端电压，其输出端电压产生负跳变，电压由高变低，产生了第1个、也是持续时间最短的脉冲信号，当交流参考电压V1的幅值下降到小于15V时，第15个比较器的同相端电压小于其反相端电压，其输出端电压产生负跳变，电压由高变低，产生了第2个脉冲信号，其余类推。当交流参考电压V1的幅值下降到小于1V时，第1个比较器的同相端电压小于其反相端电压，其输出端电压产生负跳变，电压由高变低，产生了第16个、也是最后1个、同时是持续时间最长的脉冲信号，当第二个10ms到来的时候，重复上述工作过程。所产生的16个持续时间由短到长的脉冲驱动信号，也就是形成宝塔电压的各个微分电压，请参考图34的仿真波形。
　　
　　显然，交流参考电压V1的频率决定了所产生的脉冲信号的持续时间，即决定了微分逆变器输出交流电压的频率，而参考电压V1、V2的幅值决定了所产生的脉冲信号在时间轴上的位置，即决定了微分逆变器输出交流电压的幅值，V1的频率和V1、V2幅值是可以任意调节的，所以，微分逆变器输出交流电压的频率和幅值也是可以任意调节的，即达到了牵引交流电动机变频、变幅调速的目的。

　　　　
　　4．6．关于多电平逆变
　　
　　一般多电平逆变器[17]，例如三电平逆变、五电平逆变，七电平逆变等，增加输出电压电平数N的目的，是为了减少输出电压波形中的谐波含量，但所需功率器件和电路复杂性逞指数增加，必须要有N个隔离的、独立的电压源，而且每个电平中功率器件的驱动信号也是隔离的、独立的。三相三电平逆变，功率器件12个，三相五电平逆变，功率器件24个，三相七电平逆变，功率器件48个，上述电平数和所需功率器件数可归纳为：设n为大于2的自然数，电平数N=2n-1，则所需功率器件数P=12*2n-2。如果要实现16电平逆变，所需功率器件P=12*2n-2=12*216-2=196608，需要隔离的、独立的驱动信号196608个，这种纸上谈兵的逆变电路，在实际上是完全不可能实现的，只能是望梅止渴。所有有关逆变器的教科书都提及多电平逆变，但没有哪一本教科书能画出五电平以上逆变器的实际电路，因为太复杂，画也画不出来，怎么能实际做出来。
　　
　　要实现多电平逆变器，不仅仅是功率器件逞指数增加的问题，更要命的是，在进行多电平叠加的同时，还要在每一个电平中进行SPWM脉宽调制，一个电平的SPWM控制已经够复杂，现在要对多达P=12*2n-2=196608个SPWM驱动信号进行控制，其空间矢量的复杂程度，是不可想像的。
　　
　　微功直流耗逆变器[12]所需功率器件和电路复杂性逞线性增加，即所需功率器件P=2N，其中N为电平数。图28是4电平微功耗直流逆变器的实际电路，所需功率器件P=2N=2*4=8，实现16电平逆变器，所需功率器件P=2N=2*16=32，限于文章篇幅，本处不宜画完整电路图，仅在图33画出了微功耗直流逆变器（16阶）宝塔波电压驱动信号产生电路及图34的宝塔波电压驱动信号仿真波形，16电平微功耗直流逆变器的完整电路请参考文献[12]。
　　
　　4．7.列车微功耗电驱动的特点：
　　
　　1) 整流升压器功率因数接近1，效率接近100%；
　　
　　2) 不必PWM脉宽调制，电路简单，控制容易；
　　
　　3) 微分逆变器随着阶数的增加，所用器件和电路复杂性仅线性增加，容易实现多阶微分逆变，例如可以轻松实现16阶微分逆变；
　　
　　4) 当微分逆变的阶数增加时，宝塔电压本身已经非常逼近正弦波（请参考图31，微分逆变器8、16阶宝塔电压仿真波形），用不着再进行第二步的电压切割，进一步提高效率；
　　
　　5) 微分逆变器的效率接近100%，所产生的输出电压是实实在在的正弦波，正弦硬度极大。
　　
　　说明：本文电路图均出自电力电子仿真软件SIMetrix/SIMPLIS6.0A，可不加修改直接仿真，获得相同的输出波形。
　　
　　参考文献
　　
　　[1] 林道勇，高电压锂离子电池组的充电方法，化学与物理电源系统第15期，2010年2月。
　　
　　[2] 评论员，《锂离子蓄电池系统基础标准》意见稿，化学与物理电源系统14期，2009年12月。
　　
　　[3] 郁百超，百超功率变换器的原理和应用，第十八届全国电源技术年会论文集P301，2009年11月。
　　
　　[4] 专利文献，绿色功率变换器，专利申请号：201010130192X，2010年3月。
　　
　　[5] 专利文献，锂离子动力电池无损充电机，专利申请号：2010101741953，2010年5月。
　　
　　[6] 汤天浩.电机及拖动基础.机械工业出版社.2008年4月.
　　
　　[7] 专利文献.微功耗直流稳压器.专利申请号:201110166363.9.2011年6月17日
　　
　　[8] 专利文献.微功耗电动自行车控制器.专利申请号:201110202372.9.2011年7月19日
　　
　　[9] 陈金世.朱家琏.田光宇.先进电动汽车技术.化学工业出版社.2007年8月.
　　
　　[10] 徐国凯.赵秀春.苏航.电动汽车驱动与控制.电子工业出版社.2010年6月.
　　
　　[11] 专利文献.微功耗电动汽车动力系统.专利申请号:201110202379.0.2011年7月19日.
　　
　　[12] 专利文献.微功耗直流逆变器.专利申请号:201110166349.9.2011年6月17日
　　
　　[13] 张喜全.列车电力传动与控制.西南交通大学出版社.2010年8月.
　　
　　[14] 冯晓云.电力牵引传动及其控制系统.高等教育出版社.2009年12月.
　　
　　[15] 赵良炳.现代电力电子技术基础.清华大学出版社.2000年7月.
　　
　　[16] 林渭勋.现代电力电子电路.浙江大学出版社.2002年7月.
　　
　　[17] 刘凤君.现代逆变技术及应用.电子工业出版社.2006年9月.
　　
　　[18] 专利文献.微功耗列车牵引交流传动系统.申请号:201110156127.9.2011年6月13日.
　　
　　[19] 李嘉明.郁百超.微功耗功率因数校正器.中国电源学会第19届学术年会论文集P252.
　　
　　作者简介
　　
　　郁百超，男，1943年生，工学硕士，湖北省电力信息通信公司高级工程师（已退休），中国电源学会交流电源专业委员会专家组专家，化学与物理电源系统杂志专题主编，中国电源工业协会常务理事，拥有国家发明专利多项，国内外发表论文多篇，目前研究方向：清洁能源系统及其应用。　　
　　 
　　
　　（此文连载完毕）

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