近年来,以插电式混合动力、纯电动汽车为代表的新型能源汽车被广泛应用,其产量与市场需求迅速增长。2018年,中国新能源汽车销量达到约26万辆,其中插电式混合动力汽车占比约19%。到2019年,该销量增长至约83万,插电式混合动力汽车占比到达28%。2019年中国财政部、工信部、科技部及发改委联合发布《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,大力促进了全产业链核心技术储备和高规模效应企业的发展。在下一个发展规划内,新能源汽车新车销量占比预估达到25%左右,在这种顶层设计下,具备电动化、智能化、网联化、共享化优势的新能源汽车,扮演着重要的角色。而相较之下,技术门槛略低及能源分配更灵活的插电式混合动力汽车作为一种中间过渡产品,已经成为国内外本研究方向的焦点。本文首先介绍了国内外新能源汽车车载充电器及电池管理系统等核心技术的研究现状。目前汽车车载充电器为满足大容量、高功率、双向流动等要求,主要采用两电平逆变器拓扑结构。该拓扑结构和控制复杂,作为电池组外接充电电路,一般与电池管理系统相分离,功率密度不具备优势。随着新型模块化多电平变换器的发展,传统多电平拓扑具备的具有较低谐波含量、易于模块化隔离、高可靠性等优点,让其在电动汽车应用中具备了可行性。当前模块化多电平变换器主要用于微网应用,距离规模化应用于电动汽车仍有很多关键问题需解决。为将传统多电平拓扑应用于电动汽车功率变换系统,追求新一代电动汽车整车轻量化设计、整车一体化和控制一体化设计重要课题,本文提出一种基于模块化多电平矩阵变换器拓扑结构的插电式混合动力汽车综合变换系统,具有极强的实用意义。本文重点介绍了基于模块化多电平矩阵变换器综合变换系统的基本拓扑和工作原理。首先,针对本文所优化设计的模块化多电平矩阵级联式拓扑结构,在电压电流水平、系统复杂性、可靠性等方面进行了对比分析,得出所提拓扑的可行性。其次,针对级联式矩阵变换器拓扑族存在的直流侧电容电压不平衡问题进行了分析。针对该问题,本文基于数学模型推导了变换器的功率传输方程,提出了基于桥臂电流直接控制为核心的分层电池荷电状态均衡充电控制策略。在对电池组进行充电的同时,兼顾电池管理系统控制,达到了均衡、快速充电的目的。最后,对于混合动力汽车存在的多种驱动模式下电机驱动控制策略进行了研究。本文同样通过小信号模型及开关状态方程,提出了与电机驱动控制策略相结合的功率综合变换系统均衡放电控制策略,实现了良好的电机驱动及电池均衡放电控制。为了验证文中提出的拓扑和控制策略的可行性,本文对模块化多电平矩阵车载变换器均衡充电、放电及电机驱动控制给出了软件仿真结果,并基于Rtlab实时仿真器对综合变化系统均衡充电进行了硬件在环实验验证。结果证实了本文提出的模块化多电平矩阵车载综合功率变换系统的可行性和有效性,具有优良的动静态特性。