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电动汽车驱动 ★ 5.0

面向三轮燃料电池混合动力汽车的Z源逆变器拓扑多准则排序

Multi-Criteria Ranking of Z-Source Inverter Topologies for a Three-Wheel Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle

作者 Thang V. Do · Mohsen Kandidayeni · João Pedro F. Trovão · Loïc Boulon
期刊 IEEE Transactions on Vehicular Technology
出版日期 2023年5月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 Z源逆变器 燃料电池混合动力汽车 拓扑选择 多准则排序 信号硬件在环验证
语言:

中文摘要

在燃料电池(FC)混合动力电动汽车(HEV)领域,采用基于单级转换的Z源逆变器(ZSI)取代传统的两级逆变器已受到关注。这种替换旨在降低电路复杂度、成本和所需空间。然而,能否实现这些目标在很大程度上取决于合适拓扑结构的选择。本文进行了多标准排序,以深入分析不同ZSI拓扑结构对由FC堆栈和锂离子电容器组组成的休闲型FC - HEV性能的影响。首先,将双能源嵌入到Z源网络(ZSN)中。随后,利用偏好排序组织法(PROMETHEE),基于四种情景(标准情景、紧凑性情景、输入电流纹波情景以及紧凑性与输入电流纹波对比情景)对不同的ZSI拓扑结构进行排序。该分析表明,每种情景都能根据其要求找到合适的拓扑结构。最后,根据标准情景排名前两位的ZSI拓扑结构通过信号硬件在环(HIL)进行了实现,以验证所进行分析的有效性。结果表明,与传统的两级逆变器相比,采用ZSI拓扑结构可使平均效率更高(分别提高1.98%和4.07%),且无源元件的尺寸和体积更小。

English Abstract

Replacing the regular two-stage inverters with a Z-source inverter (ZSI), based on single conversion, has come under attention in fuel cell (FC) hybrid electric vehicles (HEVs). This substitution is to decrease the circuit complexity, cost, and required space. However, fulfilling these goals highly depends on the selection of a suitable topology. This paper performs a multi-criteria ranking to deeply analyze the impact of different ZSI topologies on the performance of a recreational FC-HEV, composed of FC stack and lithium-ion capacitor bank. First, the dual-energy sources are embedded into the Z-source network (ZSN). Subsequently, the Preference Ranking Organization METHod for Enrichment Evaluation (PROMETHEE) is utilized to rank different possible ZSI topologies based on four scenarios (standard, compactness, input current ripple, and compactness versus input current ripple). This analysis indicates that each scenario can have a suitable topology with respect to its requirements. Finally, the two highest-ranked ZSI topologies according to standard scenario are implemented by signal hardware-in-the-loop (HIL) to validate the effectiveness of the performed analysis. The results indicate that the use of the ZSI topologies lead to higher average efficiencies (1.98% and 4.07%), and smaller size and volume of passive components, compared to a conventional two-stage inverter.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,该论文所研究的Z源逆变器技术在燃料电池混合动力车辆中的应用,为我们在新能源多元化领域提供了重要的技术参考价值。

首先,Z源逆变器通过单级转换替代传统双级逆变器的技术路径,与阳光电源在逆变器小型化、高效化方面的技术发展方向高度契合。论文验证的1.98%-4.07%效率提升,以及无源元件体积的显著缩减,对我们在光伏逆变器和储能变流器产品线的优化具有直接借鉴意义。特别是在分布式光储系统中,空间受限场景下的功率密度提升一直是核心竞争力要素。

其次,论文采用PROMETHEE多准则决策方法,针对不同应用场景(标准、紧凑性、输入电流纹波等)进行拓扑优选的思路,为阳光电源在氢能和电动汽车领域的产品开发提供了系统化的设计方法论。这种将燃料电池与锂离子电容器组成的双能源系统嵌入Z源网络的架构,与我们正在布局的氢储一体化解决方案存在技术协同性。

然而,该技术目前仍处于实验室验证阶段,通过硬件在环仿真验证,距离车规级量产应用尚有距离。主要挑战包括:Z源网络在宽工况范围下的可靠性验证、电磁兼容性设计、以及与燃料电池动态特性的匹配优化。

对阳光电源而言,建议将Z源逆变器技术纳入前瞻性研发储备,重点关注其在氢能发电系统和移动储能领域的适配性研究,同时评估该技术在现有光储产品中实现降本增效的可行性,为公司在新能源多元化战略中构建差异化竞争优势。