【解析】集成式車載充電系統(tǒng)技術(shù)及解決方案

【解析】集成式車載充電系統(tǒng)技術(shù)及解決方案一、引言近年來，隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益突出，產(chǎn)業(yè)界和科研界都對(duì)電動(dòng)汽車的研發(fā)投入了極大關(guān)注，也帶來了全球范圍內(nèi)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，使得目前電動(dòng)汽車產(chǎn)品在驅(qū)動(dòng)性能等方面取得了長足進(jìn)步。然而，受制于電池技術(shù)，“里程焦慮”仍是困擾消費(fèi)者購置電動(dòng)汽車的主要瓶頸。因此，研發(fā)便捷、快速、低成本的電動(dòng)汽車用充電機(jī)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。電動(dòng)汽車充電機(jī)可分為車載充電機(jī)和非車載獨(dú)立充電機(jī)。對(duì)于非車載獨(dú)立充電機(jī)，公共大型充電站可以滿足電動(dòng)汽車大功率快充需求，但存在建設(shè)成本高、周期長等問題，在中大型城市還存在建設(shè)用地緊張等問題；另一方面，私人充電樁也存在線路改造復(fù)雜、車位空間限制等局限。因此，從便利性角度，車載充電機(jī)因其不依賴充電樁的特性而得到了日益廣泛的應(yīng)用。然而，對(duì)于整車廠而言，傳統(tǒng)中功率等級(jí)車載充電機(jī)會(huì)顯著增加整車成本和質(zhì)量，擠占車內(nèi)有限空間，與目前整車輕量化的趨勢(shì)不符，也限制了車載充電機(jī)在電動(dòng)汽車中的大規(guī)模推廣?；谝陨锨闆r，近十年，一種集成式車載充電系統(tǒng)引起了學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的持續(xù)關(guān)注，其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有以下特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：（1）該類系統(tǒng)的一般原理：停車時(shí)，將電動(dòng)汽車中電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重構(gòu)為充電機(jī)，由市電對(duì)電池進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)和功率器件的分時(shí)復(fù)用，僅需少量增加或不增加額外功率器件，在成本、質(zhì)量和體積方面具備明顯優(yōu)勢(shì)。（2）在重構(gòu)而成的集成式車載充電機(jī)中，電機(jī)繞組一般作為電網(wǎng)側(cè)線電感使用；驅(qū)動(dòng)逆變器則通常被重構(gòu)為全控型整流器或直流變換器，完成電能轉(zhuǎn)換并給車輛動(dòng)力電池充電。（3）一般而言，電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)在功率等級(jí)方面要遠(yuǎn)大于其充電系統(tǒng)，因此，該類集成式車載充電機(jī)在理論上可以實(shí)現(xiàn)大功率快速充電。鑒于以上優(yōu)勢(shì)，自1985年集成式充電系統(tǒng)思路出現(xiàn)以來，各國學(xué)者對(duì)該類系統(tǒng)展開了全方位的研究。特別是近年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的高速發(fā)展，相應(yīng)地，基于不同類型電機(jī)和不同拓?fù)潋?qū)動(dòng)器的集成式充電系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，它們各具特點(diǎn)、性能各異。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有集成式車載充電機(jī)拓?fù)浜涂刂品椒ㄟM(jìn)行總結(jié)歸納，以對(duì)后續(xù)研究工作提供指導(dǎo)和幫助。另一方面，電動(dòng)汽車領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍和容錯(cuò)能力都提出了更高要求，因此，繼承了傳統(tǒng)永磁電機(jī)高效率、高功率密度特點(diǎn)，同時(shí)又兼具電勵(lì)磁電機(jī)磁場(chǎng)直接調(diào)節(jié)能力的混合勵(lì)磁型電機(jī)，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注。而混合勵(lì)磁型電機(jī)在構(gòu)造集成式充電系統(tǒng)時(shí)，因其特殊的電機(jī)結(jié)構(gòu)和電磁特性，會(huì)具有多種優(yōu)勢(shì)，為集成充電系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的技術(shù)方案。綜上所述，本文將首先綜述現(xiàn)有的各類集成式車載充電系統(tǒng)拓?fù)洹^(qū)別于目前已發(fā)表的多篇關(guān)于該類系統(tǒng)的綜述文獻(xiàn)（大多從電機(jī)數(shù)量、電機(jī)類型、系統(tǒng)集成度等角度進(jìn)行歸類介紹），本文將詳細(xì)分析集成式充電系統(tǒng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法兩方面存在的多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，以問題為導(dǎo)向，綜述現(xiàn)有各類集成式車載充電系統(tǒng)及其控制方法對(duì)以上問題的解決方案；其次，深入分析混合勵(lì)磁電機(jī)在構(gòu)建該類型系統(tǒng)中的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，并以一臺(tái)五相混合勵(lì)磁型磁通切換電機(jī)為例，驗(yàn)證所提出觀點(diǎn)的正確性。最后，總結(jié)全文，并對(duì)集成式車載充電系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展進(jìn)行展望。1.集成式車載充電系統(tǒng)綜述本節(jié)將首先介紹可以完成集成式充電基本功能的早期原始拓?fù)?，并分析和總結(jié)出該類系統(tǒng)中存在的四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。進(jìn)而，將分別從解決以上四個(gè)問題的角度，對(duì)該類系統(tǒng)的各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行較為清晰的梳理和綜述。1.1原始拓?fù)渫ㄟ^復(fù)用車內(nèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造的集成式車載充電系統(tǒng)始于1985年，但受限于當(dāng)時(shí)電力電子器件的發(fā)展水平，其主電路由晶閘管構(gòu)成，對(duì)現(xiàn)代的集成式車載充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)已不具備指導(dǎo)意義。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，伴隨著大功率IGBT器件的大規(guī)模商用，基于全控型變換器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)日趨成熟，與其相對(duì)應(yīng)的集成式車載充電系統(tǒng)也相繼出現(xiàn)。圖2所示為文獻(xiàn)首次提出的基于三相電機(jī)的單相集成式車載充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由圖可知，該結(jié)構(gòu)首先通過額外增加的不可控整流器，將單相交流電源變換為直流，并接入電機(jī)中性點(diǎn)；此時(shí)，電機(jī)繞組及其逆變器橋臂構(gòu)成了3個(gè)完全相同且直接并聯(lián)的Boost變換器，完成給電池組的充電操作。該結(jié)構(gòu)完成了單相集成式車載充電機(jī)的基本功能，后續(xù)多篇文獻(xiàn)也針對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析和報(bào)道?；谌嚯姍C(jī)的三相集成式充電機(jī)拓?fù)淙鐖D3所示，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則是最早提出的三相集成式車載充電機(jī)。該結(jié)構(gòu)中，電機(jī)中性點(diǎn)被打開，電機(jī)繞組被重構(gòu)為三相網(wǎng)側(cè)電感，驅(qū)動(dòng)逆變器則作為全控型三相全橋整流器使用。同樣有多篇文獻(xiàn)對(duì)該拓?fù)渥龀隽撕罄m(xù)研究和報(bào)道。以上單相和三相集成式車載充電系統(tǒng)均為早期提出的可以完成基本充電功能的原始拓?fù)洌m然科研工作者進(jìn)行了一系列后續(xù)研究工作，仍能從以上兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中提煉出集成式車載充電系統(tǒng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面亟待解決的幾個(gè)共性技術(shù)問題，即：（1）單相集成式系統(tǒng)中增加額外功率器件的問題。如圖2所示結(jié)構(gòu)中額外增加的整流器。（2）三相集成式系統(tǒng)中，充電時(shí)產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的問題。如圖3所示的三相充電拓?fù)渲?，?dāng)三相對(duì)稱電流通入驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相對(duì)稱繞組時(shí)，必然會(huì)在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生持續(xù)的轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)，這是集成式系統(tǒng)在充電模式下必須要避免的情況。（3）充電系統(tǒng)的電氣隔離問題。在車載充電系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)電氣隔離雖不是強(qiáng)制性要求，但考慮到充電安全性，具有電氣隔離能力的充電系統(tǒng)總是更優(yōu)的選擇。（4）電網(wǎng)電壓與車載電池組電壓的電壓匹配問題。以上原始結(jié)構(gòu)存在一個(gè)共同問題，即圖2所示結(jié)構(gòu)中的DC-DC變換器與圖3所示結(jié)構(gòu)中的AC-DC變換器均基于升壓原理，因此，若車載電池組的電壓小于某一特定值，則變換器無法輸出滿足電池充電要求的工作電壓，現(xiàn)有的多種集成式系統(tǒng)則是通過在母線與電池之間增加額外DC-DC變換器來解決這一問題的。其中，問題（1）、問題（2）、問題（4）是必須解決的、否則系統(tǒng)無法完成基本功能的主要問題，而解決問題（3）則可以為系統(tǒng)提供更高的安全性（雖然現(xiàn)有充電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中均不做強(qiáng)制性要求）。以上為本文總結(jié)出的集成式車載充電系統(tǒng)中廣泛存在的四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，下面將以這四個(gè)問題為導(dǎo)向，綜述各類集成式車載充電系統(tǒng)。1.2額外增加功率器件的問題在構(gòu)造集成式車載充電系統(tǒng)過程中，增加額外功率器件的問題主要發(fā)生在單相集成式充電機(jī)中。針對(duì)問題，目前主要通過打開電機(jī)繞組連接和利用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩種方式來解決。這兩種解決方案，其本質(zhì)思路都是通過一定的方法，令網(wǎng)側(cè)電源可以接入全橋整流器，從而實(shí)現(xiàn)電能的交直流轉(zhuǎn)換，而不需要增加額外的不可控整流器。1.2.1更改電機(jī)繞組連接方式文獻(xiàn)提出的單相集成式車載充電機(jī)如圖4所示。在充電模式下，該結(jié)構(gòu)通過打開Q1、閉合Q2和Q3，將L3繞組與其逆變器橋臂斷開，并連接到電網(wǎng)側(cè)。通過以上變換，L1與L2并聯(lián)后與L3串聯(lián)，與其逆變器橋臂共同構(gòu)成了基于Boost的單相全橋整流電路，從而在不增加額外功率器件的前提下實(shí)現(xiàn)了單相充電。1.2.2雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)/利用車內(nèi)輔助電驅(qū)系統(tǒng)當(dāng)電動(dòng)汽車由雙電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，或車內(nèi)存在另一套輔助電驅(qū)系統(tǒng)時(shí)，則可以采用如圖5所示基于雙電機(jī)系統(tǒng)的單相集成式車載充電機(jī)的方案。如圖5a所示，兩臺(tái)電機(jī)繞組分別并聯(lián)作為網(wǎng)側(cè)電感，而兩臺(tái)逆變器分別共享相同驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其等效電路如圖5b所示。從等效電路可以看到，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同樣被重構(gòu)為一個(gè)單相全橋全控型整流器，從而不再需要額外的不可控整流電路來完成充電工作。1.3充電時(shí)產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的問題集成式系統(tǒng)在充電過程中產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，主要發(fā)生在三相集成式充電機(jī)中。目前，解決該問題的本質(zhì)目標(biāo)和思路都是對(duì)充電時(shí)的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行控制，保證充電時(shí)網(wǎng)側(cè)三相對(duì)稱電流流入電機(jī)繞組后，在氣隙中不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。1.3.1重構(gòu)裂相電機(jī)繞組圖6給出基于裂相三相異步電機(jī)的三相集成式充電機(jī)[26]。當(dāng)切換到充電模式時(shí)，S1將三相電源接入，S2切換至b1和b2，令兩套電機(jī)繞組產(chǎn)生幅值相等且旋轉(zhuǎn)方向相反的氣隙磁場(chǎng)，從而保證氣隙總磁鏈為零，消除充電過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。然而，更改繞組連接無疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性、降低了可靠性。1.3.2開繞組電機(jī)多篇文獻(xiàn)都報(bào)道了基于開繞組電機(jī)的三相集成式充電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。在該類結(jié)構(gòu)中，各相繞組中點(diǎn)與三相交流電源相連，得益于開繞組電機(jī)的逆變器結(jié)構(gòu)，繞組支路具備可控的電流流通能力，當(dāng)每相繞組的H橋分別共享驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，流過各繞組支路的電流相等，即每相繞組中的總電流保持為零，因此不會(huì)產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。1.3.3多相電機(jī)隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因其低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、高可靠性等優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)汽車等高功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域日益受到關(guān)注。而在集成式車載充電機(jī)領(lǐng)域，相比上文介紹的兩種解決方案，基于多相電機(jī)的集成式系統(tǒng)更具可行性，因此大量文獻(xiàn)報(bào)道了基于五相電機(jī)、六相電機(jī)、七相電機(jī)和九相電機(jī)的集成式充電系統(tǒng)，圖8給出了其一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。得益于多相電機(jī)在空間上豐富的繞組分布方式和可控逆變器橋臂，基于多相電機(jī)系統(tǒng)的集成式充電機(jī)，可以通過合理配置各相繞組連接方式，令系統(tǒng)在充電期間不產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。關(guān)于其具體實(shí)現(xiàn)方法，文獻(xiàn)以五相電機(jī)為例，進(jìn)行了詳盡地介紹。1.3.4充電期間保持電機(jī)旋轉(zhuǎn)與上述幾種解決方案不同，一種令電機(jī)在充電期間保持旋轉(zhuǎn)的集成式充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。可以看出，該類集成式系統(tǒng)同樣基于裂相電機(jī)進(jìn)行構(gòu)建。當(dāng)系統(tǒng)切換為充電模式時(shí)，電機(jī)需保持同步速旋轉(zhuǎn)，并網(wǎng)后，電機(jī)被作為旋轉(zhuǎn)變壓器使用并將電能輸送給電池。該類結(jié)構(gòu)不需要考慮轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的問題，不失為一種解決方案，且具備電氣隔離功能。但方案整體控制和并網(wǎng)操作復(fù)雜，要求電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)與電網(wǎng)電壓匹配，車輛靜止時(shí)電機(jī)保持旋轉(zhuǎn)也存在安全風(fēng)險(xiǎn)，且增加系統(tǒng)機(jī)械損耗。1.4隔離充電問題在各國的充電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中，電氣隔離均不作為強(qiáng)制性要求，但出于安全性考慮，具備這一功能的充電機(jī)總是更優(yōu)的選擇。目前，在集成式車載充電系統(tǒng)中添加電氣隔離功能的主要思路為在功率級(jí)中增加或構(gòu)造出隔離變壓器。1.4.1將電機(jī)重構(gòu)為變壓器與電力變壓器類似，電機(jī)同樣由線圈繞組和導(dǎo)磁鐵心等構(gòu)成，因此，通過改造電機(jī)繞組的連接方式，即可將電機(jī)重構(gòu)為一臺(tái)變壓器。第1.3.4節(jié)介紹過的集成式充電機(jī)即為該類型結(jié)構(gòu)（見圖9），此處不再贅述。另外，文獻(xiàn)提出一種基于9槽/8極內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)（IPMM）的集成式系統(tǒng)，其電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖10a所示。在該結(jié)構(gòu)中，9個(gè)電樞線圈被連接為六端口模式，通過設(shè)置不同的線圈匝數(shù)，電機(jī)在驅(qū)動(dòng)模式下可以等效為一臺(tái)六相電機(jī)進(jìn)行控制（見圖10b）；而在充電模式下，電機(jī)被重構(gòu)為一臺(tái)三相/六相旋轉(zhuǎn)變壓器（見圖10c），一次側(cè)三相繞組接入電網(wǎng)，二次側(cè)六相繞組則配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器為電池組充電。該結(jié)構(gòu)同樣在網(wǎng)側(cè)與充電機(jī)之間構(gòu)造了一臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器，但考慮到該變壓器是一臺(tái)電壓比1:2的升壓變壓器，而充電機(jī)整流器同樣基于升壓原理，導(dǎo)致最終充電電壓過高，可適用范圍較窄。1.4.2增加額外工頻變壓器另外一種較為普遍的方法是在車內(nèi)或車外增加額外的工頻隔離變壓器如圖11所示。文分析了基于對(duì)稱六相電機(jī)或雙三相（非對(duì)稱六相）電機(jī)的集成式充電機(jī)在添加額外隔離變壓器時(shí)需要遵循的原則。研究結(jié)果表明，為了保證電機(jī)在充電時(shí)不產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)于對(duì)稱六相電機(jī)，采用一臺(tái)雙邊均為單套繞組的變壓器即可（見圖11a）；而對(duì)于非對(duì)稱六相電機(jī)（即雙三相電機(jī)），則需采用二次側(cè)雙繞組結(jié)構(gòu)的變壓器，且要求兩套繞組分別采用星形和三角形連接（見圖11b）。一般而言，由于工頻變壓器體積和質(zhì)量均較大，將其放置于車內(nèi)與集成式充電機(jī)輕量化的目標(biāo)相矛盾，而放置于車外又增加了網(wǎng)側(cè)充電接口的復(fù)雜度，與集成式充電機(jī)的便捷性和高集成度特性不符，因此該方案很少被采用。1.4.3采用新型電力電子拓?fù)淇紤]到工頻變壓器在體積和質(zhì)量方面的劣勢(shì)，多種基于新型隔離型電力電子拓?fù)涞募墒匠潆姍C(jī)相繼問世，其思路可以歸納為：首先，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其逆變器重構(gòu)為全橋整流器，將網(wǎng)側(cè)交流電整定為直流；然后，在母線與電池之間增加隔離型DC-DC變換器，從而實(shí)現(xiàn)電氣隔離。如圖12所示為一種基于雙主動(dòng)橋式（Dual-Active-Bridge,DAB）變換器和六相電驅(qū)系統(tǒng)的集成式充電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，六相電驅(qū)系統(tǒng)組成單相（見圖12a）或三相（見圖12b）整流器，實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換；一組DAB變換器被設(shè)置在母線與電池之間，完成電氣隔離。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于直流側(cè)高頻變壓器體積小、質(zhì)量輕，但增加了較多的功率器件，因而在成本上同樣不具優(yōu)勢(shì)。1.5電壓匹配問題在集成式充電系統(tǒng)中，電機(jī)電感通常作為網(wǎng)側(cè)線電感使用，其重構(gòu)而成的變換器均基于升壓原理，將導(dǎo)致直流母線電壓必然高于某一特定值（隨電網(wǎng)電壓變化），若電池所需充電電壓低于該值，則充電機(jī)無法工作。目前，已有多種解決該問題的方案，其本質(zhì)均為將充電過程分解為兩個(gè)功率級(jí)完成。一般而言，第一級(jí)完成電能的交直流轉(zhuǎn)換，第二級(jí)則完成充電電壓的匹配。1.5.1基于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成式充電機(jī)文獻(xiàn)提出一種基于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成式充電機(jī)，其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D13a所示。該結(jié)構(gòu)中，4臺(tái)電機(jī)的繞組均直接并聯(lián)使用，其在單相充電模式下（電池側(cè)開關(guān)置于位置2）的等效電路如圖13b所示，可以看出，此時(shí)1號(hào)和2號(hào)電機(jī)及其逆變器構(gòu)成了單相全橋整流電路，3號(hào)和4號(hào)電機(jī)及其逆變器則在母線與電池之間構(gòu)造了一個(gè)Buck變換器，實(shí)現(xiàn)母線電壓與電池電壓的匹配。雖然文獻(xiàn)中沒有提及，但很明顯，該系統(tǒng)同樣可以改造為如圖13c所示的三相充電系統(tǒng)，即1、2、3號(hào)電機(jī)及其逆變器組成三相全橋整流電路，4號(hào)電機(jī)及其逆變器作為Buck變換器使用，完成電壓匹配。因此，該結(jié)構(gòu)可以有效解決集成式系統(tǒng)的電壓匹配問題，盡管由于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)尚未大規(guī)模普及，導(dǎo)致其應(yīng)用場(chǎng)景受限，但仍是具有良好前景的集成式充電機(jī)解決方案。1.5.2電驅(qū)系統(tǒng)重構(gòu)為Buck-Boost變換器在單電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，多篇文獻(xiàn)提出了將電驅(qū)系統(tǒng)重構(gòu)為Buck-Boost變換器的集成式充電機(jī)，雖然結(jié)構(gòu)略有不同，但原理相似。第一種結(jié)構(gòu)如圖14a所示，通過在電驅(qū)逆變器中增加開關(guān)Q1，即可在充電模式下將逆變器母線打開（Q1打開，Q2、Q3閉合），將逆變器重構(gòu)為一個(gè)級(jí)聯(lián)型Buck-Boost變換器，居中的換能電感由電機(jī)中A、B相繞組并聯(lián)后與C相繞組串聯(lián)組成，其等效電路如圖14c所示。而圖14b所示的結(jié)構(gòu)與上述結(jié)構(gòu)功能相同，區(qū)別在于增加了與電機(jī)中性點(diǎn)相連的變換器橋臂，換能電感由三相電機(jī)繞組直接并聯(lián)組成，因而無需打開逆變器母線，其等效電路同樣如圖14c所示。分析可知，該類型結(jié)構(gòu)實(shí)際上是1.2.1節(jié)所介紹結(jié)構(gòu)的一個(gè)變種，雖然在功能上解決了集成式系統(tǒng)電壓匹配的問題，但重構(gòu)得到的Buck-Boost變換器只能對(duì)直流電進(jìn)行整定，所以需要增加額外的不可控整流器來完成交直流轉(zhuǎn)換工作。1.5.3重構(gòu)電驅(qū)系統(tǒng)為兩級(jí)變換器文獻(xiàn)提出將電驅(qū)系統(tǒng)重構(gòu)為兩級(jí)變換器的集成式充電機(jī)拓?fù)洌浠舅悸窞椋簩⒉糠蛛姍C(jī)繞組及其逆變器橋臂構(gòu)造為交流側(cè)基于Boost原理的AC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換；然后將剩余電機(jī)繞組及其逆變器橋臂構(gòu)造為基于Buck原理的DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)母線與電池的電壓匹配。以基于開關(guān)磁阻電機(jī)（SwitchedReluctanceMachine,SRM）的集成式充電機(jī)為例，如圖15所示，在充電模式下（開關(guān)Q1打開），A、B相繞組及其逆變器橋臂構(gòu)成了單相全橋整流器，完成電壓的交直流變換，同時(shí)，C相繞組及其逆變器橋臂則組成了一個(gè)Buck變換器，實(shí)現(xiàn)充電電壓匹配。該系統(tǒng)在不增加額外功率器件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了集成式充電機(jī)的基本功能，且解決了電壓匹配問題，但仍存在一些缺陷：首先，由于三相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)繞組有限，當(dāng)部分繞組被用作構(gòu)建第二級(jí)變換器后，剩余繞組無法實(shí)現(xiàn)三相充電；其次，對(duì)于電機(jī)本身而言，其三相繞組阻感參數(shù)基本一致，而當(dāng)電機(jī)繞組作為功率變換器中的無源器件使用時(shí)，其所在的不同功率級(jí)對(duì)于電感參數(shù)的要求并不一致，因此，使用三相繞組作為不同功率級(jí)中的無源器件，無法保證系統(tǒng)輸出電流紋波等指標(biāo)的要求。另一方面，基于分裂勵(lì)磁繞組雙凸極電機(jī)（SFW-DSM）的集成式充電系統(tǒng)則給出了更好的解決方案，如圖16a所示，作為定子勵(lì)磁型電機(jī)的一種，該雙凸極電機(jī)在定子側(cè)同時(shí)具有一套兩相勵(lì)磁繞組和一套三相電樞繞組，兩套繞組相互獨(dú)立?；谠撾姍C(jī)構(gòu)造的兩級(jí)集成式充電拓?fù)淙鐖D16b所示，可以看到，電樞部分組成了第一級(jí)三相全橋整流器，而勵(lì)磁部分則構(gòu)成了第二級(jí)DC-DC變換器。與1.5.2小節(jié)介紹的集成式系統(tǒng)相比，該結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行單相和三相充電，且電樞繞組與勵(lì)磁繞組參數(shù)相互獨(dú)立，因此繞組參數(shù)可以根據(jù)其所在的功率級(jí)需求靈活設(shè)計(jì)。然而，雙凸極電機(jī)由于其反電動(dòng)勢(shì)非正弦性和較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等劣勢(shì)，在電動(dòng)汽車中應(yīng)用較少，也限制了該類集成式系統(tǒng)的應(yīng)用。盡管如此，該結(jié)構(gòu)仍為集成式充電系統(tǒng)提供了一個(gè)較為合理的方案，也為多勵(lì)磁源電機(jī)在集成式系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來了啟示。2.集成式充電系統(tǒng)的控制方法集成式充電系統(tǒng)通常由單相/三相全橋整流器和基于升壓或降壓原理的直流變換器構(gòu)成，因此在控制方法上采用一般電力電子變換器的電壓電流雙閉環(huán)控制即可。而對(duì)于運(yùn)行模式，文獻(xiàn)等都對(duì)充電系統(tǒng)的恒壓、恒流等充電模式進(jìn)行了介紹和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文將不對(duì)以上一般控制方法再行贅述。與此同時(shí)，與傳統(tǒng)充電機(jī)相比，由于集成式充電系統(tǒng)將電機(jī)繞組作為電力電子變換器中的無源器件使用，因此需要采用一些特殊方法來解決其在控制過程中存在的一些固有問題。2.1充電時(shí)產(chǎn)生脈振轉(zhuǎn)矩的問題采用1.1節(jié)中介紹的集成式拓?fù)浞桨福梢员ＷC電機(jī)在充電模式下不產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，然而，在提出的部分結(jié)構(gòu)（如各類單相集成式充電機(jī)和基于五相、七相電機(jī)的三相集成式充電機(jī)）中，盡管轉(zhuǎn)子不會(huì)旋轉(zhuǎn)，但仍會(huì)產(chǎn)生工頻脈振轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機(jī)在充電過程中不斷振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。為解決該問題，國內(nèi)外學(xué)者從控制角度做出了嘗試?；谝慌_(tái)表貼式永磁同步電機(jī)，文獻(xiàn)首次分析了單相集成式充電系統(tǒng)在充電模式下產(chǎn)生的脈振轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)脈振轉(zhuǎn)矩的幅值大小隨轉(zhuǎn)子位置而變化，且存在特定的轉(zhuǎn)子位置，其脈振轉(zhuǎn)矩的理論值為零，如圖17所示，文獻(xiàn)給出了聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。隨后，文獻(xiàn)基于以上原理介紹了不同的電機(jī)轉(zhuǎn)矩消除方法。其中，文獻(xiàn)提出的方法需要在電機(jī)中裝配絕對(duì)式位置傳感器，通過實(shí)時(shí)讀取轉(zhuǎn)子位置，調(diào)整六相電機(jī)繞組中電流與轉(zhuǎn)子位置之間的相對(duì)相位，從而實(shí)現(xiàn)脈振轉(zhuǎn)矩的消除。而文獻(xiàn)則是在充電操作前，通過控制電機(jī)，將轉(zhuǎn)子位置定位至零脈振轉(zhuǎn)矩位置，從而實(shí)現(xiàn)充電時(shí)脈振轉(zhuǎn)矩的消除。然而，在實(shí)驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)以上兩種方法存在一定局限，即當(dāng)完成定位操作開始充電后，充電電流將導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子不能始終保持在零脈振轉(zhuǎn)矩位置，因此仍會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生脈振轉(zhuǎn)矩，文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)部分也證實(shí)了這一點(diǎn)。2.2電流平衡算法在基于多相電機(jī)的集成式充電系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)線電感通常由多個(gè)電機(jī)相繞組并聯(lián)而成，如圖8中所示的集成式充電機(jī)。在這種情況下，由于相同轉(zhuǎn)子位置下不同相繞組的氣隙長度不一致，將導(dǎo)致并聯(lián)的各相繞組參數(shù)不盡相同。因此，如果各相繞組對(duì)應(yīng)的逆變器橋臂僅共用相同驅(qū)動(dòng)信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致各相繞組中的電流不平衡，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生不受控的轉(zhuǎn)矩。基于以上原因，采用電機(jī)相繞組并聯(lián)方式的集成式充電系統(tǒng)均需要采用繞組電流平衡算法，以保證充電模式下各相繞組電流的平衡。實(shí)際上，電流平衡算法的關(guān)鍵在于要對(duì)每個(gè)繞組的驅(qū)動(dòng)器橋臂進(jìn)行獨(dú)立控制，因此不同的相電流給定方式也就決定了其電流平衡算法的區(qū)別。圖18給出兩種電流平衡算法（基于五相電機(jī)的單相集成式充電系統(tǒng)）。如圖18a所示，四相繞組的給定電流直接在靜止五相坐標(biāo)系下給出，與實(shí)際四相電流作差，經(jīng)比例諧振（ProportionalResonant,PR）控制器整定后即可得到各相占空比，驅(qū)動(dòng)主電路。這種方法較為直觀，實(shí)際是由電機(jī)控制中的電流滯環(huán)控制衍生而來。另一方面，圖18b給出了另一種思路，其電流給定值在靜止兩相坐標(biāo)系下給出，與同樣經(jīng)過坐標(biāo)變換的實(shí)際電流值作差、經(jīng)PR控制器整定后，即可得到靜止兩相坐標(biāo)系下的電壓矢量，再經(jīng)反坐標(biāo)變換，可得到五相電壓矢量，即調(diào)制環(huán)節(jié)所需的調(diào)制波，經(jīng)載波脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation,PWM）后驅(qū)動(dòng)主電路。這種方式可以對(duì)不同諧波平面下的電流控制器參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性的整定，控制更為精準(zhǔn)。2.3不增加電壓傳感器的PFC控制方法對(duì)于集成式充電系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)充電機(jī)的功率因數(shù)校正（PFC）運(yùn)行，通常需要采集電網(wǎng)電壓并利用鎖相環(huán)（PLL）電路跟蹤電網(wǎng)相位。然而，由于其硬件電路均繼承自車載電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常并沒有足夠的電壓傳感器用來檢測(cè)電網(wǎng)電壓。另一方面，集成式充電系統(tǒng)在PFC控制中所需的并非電網(wǎng)相位值而是其正弦或余弦值，因此，文獻(xiàn)提出了一種基于二階廣義積分器（SOGI）的PFC控制方法。SOGI被廣泛應(yīng)用于單相PLL電路中，其主要功能為依據(jù)輸入正余弦信號(hào)產(chǎn)生兩個(gè)相互正交的正余弦信號(hào)且同相位，其控制框圖如圖19所示。配合控制方法，集成式充電機(jī)即可在不增加或僅增加一個(gè)電壓傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PFC控制。3.基于多相混合勵(lì)磁電機(jī)的集成充電系統(tǒng)基于上文對(duì)傳統(tǒng)集成式車載充電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題和現(xiàn)有解決方案的綜述和梳理，可以發(fā)現(xiàn)，目前已有的集成式車載充電系統(tǒng)解決方案中，雖然對(duì)于各個(gè)問題都進(jìn)行了一定程度的研究，但實(shí)際鮮有可以同時(shí)解決多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題的方案。因此，基于前文各個(gè)關(guān)鍵問題中較為合理的解決方案，同時(shí)也考慮到混合勵(lì)磁型電機(jī)和多相電機(jī)在電動(dòng)汽車應(yīng)用中受到越來越多的關(guān)注，本節(jié)篩選出了多相（如圖8所示的可解決起動(dòng)轉(zhuǎn)矩問題的方案）、混合勵(lì)磁型（如圖16所示的具備兩套獨(dú)立繞組，可增加額外器件和電壓匹配問題的方案）電機(jī)作為候選電機(jī)，以一臺(tái)五相磁通切換型混合勵(lì)磁電機(jī)為例，提出一種可以同時(shí)解決集成式系統(tǒng)多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案，介紹多相混合勵(lì)磁型電機(jī)在集成式充電系統(tǒng)領(lǐng)域具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與特色。五相磁通切換型混合勵(lì)磁（Hybrid-ExcitationFlux-Switching,HEFS）電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖20所示，可以看出，與1.5.3節(jié)介紹的雙凸極電機(jī)類似，該電機(jī)同樣擁有兩套相互獨(dú)立的電樞繞組和勵(lì)磁繞組。由其構(gòu)成的集成式充電系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D21a所示，單相和三相充電模式的等效電路則如圖21b和圖21c所示。在該系統(tǒng)中，電機(jī)電樞繞組及其逆變器橋臂被重構(gòu)為第一級(jí)全橋整流變換器，而電機(jī)勵(lì)磁繞組和逆變器橋臂則組成了母線與電池之間的第二級(jí)DC-DC變換器。兩級(jí)變換器之間在控制上相互獨(dú)立，而無源器件（即電機(jī)電樞和勵(lì)磁繞組）在磁場(chǎng)上又相互耦合。下面將對(duì)該集成式充電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)進(jìn)行分析。3.1充電模式下無起動(dòng)轉(zhuǎn)矩如1.3.3節(jié)所述，采用多相電機(jī)結(jié)構(gòu)并合理選擇充電模式下的繞組連接方式，可以有效解決集成式充電系統(tǒng)充電時(shí)產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的問題，其具體的繞組配合方式的篩選方法參見文獻(xiàn)，本文不再贅述。3.2兩級(jí)功率級(jí)可實(shí)現(xiàn)電壓匹配與1.5.3節(jié)所述結(jié)構(gòu)類似，基于多相混合勵(lì)磁電機(jī)的集成式充電系統(tǒng)可以采用兩級(jí)功率級(jí)充電的方式來解決電壓匹配問題。3.3兩級(jí)功率級(jí)可獨(dú)立優(yōu)化兩級(jí)變換器分別由相互獨(dú)立的電樞系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)重構(gòu)而成，因此可以方便地依據(jù)變換器需求對(duì)兩套繞組系統(tǒng)的電磁參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。若按照電機(jī)原設(shè)計(jì)，電機(jī)勵(lì)磁繞組的額定電流非常?。▋H為3A），會(huì)導(dǎo)致集成式系統(tǒng)的充電功率過小而沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。如果強(qiáng)行增大充電電流，圖22a給出了系統(tǒng)充電運(yùn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形?？梢钥闯觯M管使用3倍以上額定電流的工作電流（9.6257A）進(jìn)行充電，其總功率也僅為約1.4kW，且效率非常低，僅為39.38%。而如果對(duì)電機(jī)勵(lì)磁繞組進(jìn)行簡單優(yōu)化，將全部串聯(lián)的10個(gè)勵(lì)磁線圈改為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其實(shí)驗(yàn)波形如圖22b所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化后的波形中，系統(tǒng)可以在額定電流下實(shí)現(xiàn)4.4kW功率的充電，且系統(tǒng)效率被提高至91.47%。優(yōu)化前后的勵(lì)磁繞組參數(shù)及系統(tǒng)效率見表1?？梢钥闯?，僅改變勵(lì)磁繞組的串并聯(lián)方式，即可在不影響驅(qū)動(dòng)模式勵(lì)磁性能的前提下，極大提高充電模式的系統(tǒng)效率，而從實(shí)驗(yàn)波形可知，區(qū)別僅在于直流側(cè)電壓紋波增加。需要說明的是，本文此處展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論僅為粗略優(yōu)化后的對(duì)比展示，更加系統(tǒng)化的優(yōu)化方法將在后續(xù)論文中提出?？梢韵胍?，若采用更精細(xì)化的優(yōu)化方法，基于多相混合勵(lì)磁電機(jī)的集成式充電系統(tǒng)將具備更好的性能和應(yīng)用前景。3.4弱磁電流可進(jìn)一步減小充電脈振轉(zhuǎn)矩第2.1節(jié)提到，在采用零起動(dòng)轉(zhuǎn)矩拓?fù)涞募墒匠潆姍C(jī)中，仍可能存在脈振轉(zhuǎn)矩，通過控制轉(zhuǎn)子位置的方法并不能完全解決問題。而對(duì)基于混合勵(lì)磁電機(jī)的集成式充電系統(tǒng)而言，其充電電流經(jīng)由勵(lì)磁繞組流通，可以對(duì)氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。因此，只要合理配置充電電流的流通方向，即可在充電時(shí)減弱氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而進(jìn)一步減小可能產(chǎn)生的脈振轉(zhuǎn)矩幅值。圖23給出額定勵(lì)磁電流對(duì)充電模式下最大脈振轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的削弱作用，可以看出，在弱磁情況下，脈振轉(zhuǎn)矩幅值被有效抑制，若配合2.1節(jié)介紹的脈振轉(zhuǎn)矩消除方法，則可以基本消除脈振轉(zhuǎn)矩帶來的不利影響。3.5與已有解決方案的對(duì)比討論表2給出了本文中列舉的全部集成式車載系統(tǒng)拓?fù)湓诮鉀Q各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題和使用全控型器件數(shù)量及其電壓電流應(yīng)力方面的對(duì)比。可以看出，現(xiàn)有各類集成式車載充電系統(tǒng)各具優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。而僅有圖13、圖16和圖21所示的三類方案能夠同時(shí)解決該類系統(tǒng)的三個(gè)主要問題。在這三類方案中，圖13所示的基于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成式充電機(jī)雖然由于分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)尚未大規(guī)模普及導(dǎo)致其應(yīng)用場(chǎng)景受限，但確實(shí)是具有良好前景的集成式充電機(jī)解決方案；圖16所示的基于SFW-DSM電機(jī)的集成式充電機(jī)方案，則由于其電機(jī)性能不具優(yōu)勢(shì)而限制了其應(yīng)用；而基于本文的綜述分析提出的基于五相HEFS電機(jī)的集成式車載充電機(jī)，除了不具備電氣隔離能力外，在多個(gè)方面均具有優(yōu)勢(shì)，而在功率器件數(shù)量、器件電壓電流應(yīng)力方面也不處于劣勢(shì)，因此是一種極具潛力的集成式車載充電系統(tǒng)解決方案。4.結(jié)論本文分別從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法兩方面，總結(jié)了電動(dòng)汽車用車載集成式充電系統(tǒng)亟待解決的若干關(guān)鍵問題，并從解決問題的角度，對(duì)近年出現(xiàn)的各類集成式充電系統(tǒng)進(jìn)行梳理和總結(jié)，力圖較為清晰地展現(xiàn)出該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，進(jìn)而，以一臺(tái)五相HEFS電機(jī)為例，闡述了多相混合勵(lì)磁型電機(jī)在該領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和前景，并得到如下結(jié)論：1）在車載集成式充電系統(tǒng)中，可以通過改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來解決的問題主要包括增加額外功率器件的問題、充電模式下產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的問題、充電隔離的問題以及電壓匹配的問題。其中，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電壓匹配兩個(gè)問題較為關(guān)鍵，直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作。2）對(duì)于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩問題，主要依賴于電機(jī)繞組連接方式的重構(gòu)，基本思路均為令電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)軌跡為零或一條直線。與重新拆分三相電機(jī)繞組相比，直接使用多相電機(jī)來構(gòu)建集成式充電機(jī)是一種更好的選擇。3）對(duì)于電壓匹配問題，本質(zhì)上都需要構(gòu)建兩級(jí)變換器，第一級(jí)負(fù)責(zé)整流和PFC操作，第二級(jí)則負(fù)責(zé)電壓整定和匹配工作。對(duì)此，具備兩套獨(dú)立繞組的混合勵(lì)磁電機(jī)無疑更具優(yōu)勢(shì)。4）在控制方法方面，可以解決的問題主要包括充電時(shí)脈振轉(zhuǎn)矩、繞組電流不平衡以及盡