電動汽車用車載集成式充電系統若干關鍵技術問題及解決方案

佟明昊 程 明,2 許芷源 文宏輝 花 為,2 朱孝勇

電動汽車用車載集成式充電系統若干關鍵技術問題及解決方案

佟明昊1程 明1,2許芷源1文宏輝1花 為1,2朱孝勇3

（1. 東南大學電氣工程學院 南京 210096 2. 東南大學鹽城新能源汽車研究院 鹽城 224007 3. 江蘇大學電氣信息工程學院 鎮江 212013）

集成式車載充電系統通過對驅動電機繞組和逆變器進行分時復用與合理重構，可在不增加額外器件的情況下，實現便捷快速的車載充電，近年來引起了學界和產業界的持續關注。該文首先分析集成式充電系統中亟待解決的若干關鍵技術問題；其次以問題為導向，對現有各類集成式充電系統進行總結和梳理，綜述現有拓撲和控制方法對以上問題的解決方案；然后基于混合勵磁型電機的特殊結構特點，分析基于該類型電機構造的集成式充電系統所具備的優勢；最后總結全文并對該類系統的發展方向進行展望。

集成式車載充電系統 電動汽車 混合勵磁電機 多相電機

0 引言

近年來，隨著能源危機和環境問題的日益突出，產業界和科研界都對電動汽車的研發投入了極大關注，也帶來了全球范圍內電動汽車產業的高速發 展[1]，使得目前電動汽車產品在驅動性能等方面取得了長足進步[2]。然而，受制于電池技術，“里程焦慮”仍是困擾消費者購置電動汽車的主要瓶頸[3]。因此，研發便捷、快速、低成本的電動汽車用充電機，具有重要的現實意義。

電動汽車充電機可分為車載充電機和非車載獨立充電機。對于非車載獨立充電機，公共大型充電站可以滿足電動汽車大功率快充需求，但存在建設成本高、周期長等問題，在中大型城市還存在建設用地緊張等問題；另一方面，私人充電樁也存在線路改造復雜、車位空間限制等局限[4]。因此，從便利性角度，車載充電機因其不依賴充電樁的特性而得到了日益廣泛的應用。然而，對于整車廠而言，傳統中功率等級車載充電機會顯著增加整車成本和質量，擠占車內有限空間，與目前整車輕量化的趨勢不符，也限制了車載充電機在電動汽車中的大規模推廣。

基于以上情況，近十年，一種集成式車載充電系統引起了學界和產業界的持續關注，其一般結構如圖1所示，具有以下特點與優勢[3, 5-8]：

圖1 集成式車載充電系統

（1）該類系統的一般原理：停車時，將電動汽車中電機驅動系統重構為充電機，由市電對電池進行充電，實現了驅動電機和功率器件的分時復用，僅需少量增加或不增加額外功率器件，在成本、質量和體積方面具備明顯優勢。

（2）在重構而成的集成式車載充電機中，電機繞組一般作為電網側線電感使用；驅動逆變器則通常被重構為全控型整流器或直流變換器，完成電能轉換并給車輛動力電池充電。

（3）一般而言，電動汽車電驅系統在功率等級方面要遠大于其充電系統，因此，該類集成式車載充電機在理論上可以實現大功率快速充電。

鑒于以上優勢，自1985年集成式充電系統思路出現以來，各國學者對該類系統展開了全方位的研究。特別是近年來，隨著現代電力電子技術和電機驅動控制技術的高速發展，相應地，基于不同類型電機和不同拓撲驅動器的集成式充電系統相繼出現，它們各具特點、性能各異。因此，有必要對現有集成式車載充電機拓撲和控制方法進行總結歸納，以對后續研究工作提供指導和幫助。

另一方面，電動汽車領域對電機及其驅動系統的調速范圍和容錯能力都提出了更高要求，因此，繼承了傳統永磁電機高效率、高功率密度特點，同時又兼具電勵磁電機磁場直接調節能力的混合勵磁型電機，在電動汽車領域受到了越來越多的關注[9-13]。而混合勵磁型電機在構造集成式充電系統時，因其特殊的電機結構和電磁特性，會具有多種優勢，為集成充電系統的發展提供了新的技術方案。

綜上所述，本文將首先綜述現有的各類集成式車載充電系統拓撲。區別于目前已發表的多篇關于該類系統的綜述文獻（大多從電機數量、電機類型、系統集成度等角度進行歸類介紹），本文首先，將詳細分析集成式充電系統在拓撲結構和控制方法兩方面存在的多個關鍵技術問題，以問題為導向，綜述現有各類集成式車載充電系統及其控制方法對以上問題的解決方案；其次，深入分析混合勵磁電機在構建該類型系統中的特點與優勢，并以一臺五相混合勵磁型磁通切換電機為例，驗證所提出觀點的正確性；最后，總結全文，并對集成式車載充電系統的后續發展進行展望。

1 集成式車載充電系統綜述

本節將首先介紹可以完成集成式充電基本功能的早期原始拓撲，并分析和總結出該類系統中存在的四個關鍵技術問題。進而，將分別從解決以上四個問題的角度，對該類系統的各類拓撲結構進行較為清晰的梳理和綜述。

1.1 原始拓撲

通過復用車內電機驅動系統構造的集成式車載充電系統始于1985年[14]，但受限于當時電力電子器件的發展水平，其主電路由晶閘管構成，對現代的集成式車載充電系統設計已不具備指導意義。

進入20世紀90年代，伴隨著大功率IGBT器件的大規模商用，基于全控型變換器的電機驅動系統日趨成熟，與其相對應的集成式車載充電系統也相繼出現。圖2所示為文獻[15]首次提出的基于三相電機的單相集成式車載充電機拓撲結構。由圖可知，該結構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，并接入電機中性點；此時，電機繞組及其逆變器橋臂構成了3個完全相同且直接并聯的Boost變換器，完成給電池組的充電操作。該結構完成了單相集成式車載充電機的基本功能，后續多篇文獻也針對該結構進行了詳細分析和報道[16-17]。

圖2 基于三相電機的單相集成式充電機拓撲

基于三相電機的三相集成式充電機拓撲如圖3所示，其拓撲結構則是最早提出的三相集成式車載充電機[18]。該結構中，電機中性點被打開，電機繞組被重構為三相網側電感，驅動逆變器則作為全控型三相全橋整流器使用。同樣有多篇文獻對該拓撲做出了后續研究和報道[19-21]。

圖3 基于三相電機的三相集成式充電機拓撲

以上單相和三相集成式車載充電系統均為早期提出的可以完成基本充電功能的原始拓撲，雖然科研工作者進行了一系列后續研究工作，仍能從以上兩種拓撲結構中提煉出集成式車載充電系統在拓撲結構方面亟待解決的幾個共性技術問題：

（1）單相集成式系統中增加額外功率器件的問題。如圖2所示結構中額外增加的整流器。

（2）三相集成式系統中，充電時產生起動轉矩的問題。如圖3所示的三相充電拓撲中，當三相對稱電流通入驅動電機的三相對稱繞組時，必然會在電機氣隙中產生旋轉磁場，從而在電機轉子上產生持續的轉矩，導致電機轉動或振動，這是集成式系統在充電模式下必須要避免的情況。

（3）充電系統的電氣隔離問題。在車載充電系統中，網側電氣隔離雖不是強制性要求，但考慮到充電安全性，具有電氣隔離能力的充電系統總是更優的選擇[22]。

（4）電網電壓與車載電池組電壓的電壓匹配問題。以上原始結構存在一個共同問題，即圖2所示結構中的DC-DC變換器與圖3所示結構中的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，現有的多種集成式系統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[17, 19-21]。

其中，問題（1）、問題（2）、問題（4）是必須解決的，否則系統無法完成基本功能的主要問題，而解決問題（3）則可以為系統提供更高的安全性（雖然現有充電機標準中均不做強制性要求）。以上為本文總結出的集成式車載充電系統中廣泛存在的四個關鍵技術問題，下面將以這四個問題為導向，綜述各類集成式車載充電系統。

1.2 額外增加功率器件的問題

在構造集成式車載充電系統過程中，增加額外功率器件的問題主要發生在單相集成式充電機中。針對問題，目前主要通過打開電機繞組連接和利用雙電機驅動系統兩種方式來解決。這兩種解決方案，其本質思路都是通過一定的方法，令網側電源可以接入全橋整流器，從而實現電能的交直流轉換，而不需要增加額外的不可控整流器。

1.2.1 更改電機繞組連接方式

文獻[18, 23]提出的單相集成式車載充電機如圖4所示。在充電模式下，該結構通過打開S1、閉合S2和S3，將3繞組與其逆變器橋臂斷開，并連接到電網側。通過以上變換，1與2并聯后與3串聯，與其逆變器橋臂共同構成了基于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現了單相充電。

圖4 更改繞組連接的單相集成式車載充電機

1.2.2 雙電機驅動系統/利用車內輔助電驅系統

當電動汽車由雙電機系統驅動，或車內存在另一套輔助電驅系統時，則可以采用如圖5所示基于雙電機系統的單相集成式車載充電機的方案[23-25]。如圖5a所示，兩臺電機繞組分別并聯作為網側電感，而兩臺逆變器分別共享相同驅動信號，其等效電路如圖5b所示。從等效電路可以看到，雙電機驅動系統同樣被重構為一個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。

圖5 基于雙電機系統的單相集成式車載充電機

1.3 充電時產生起動轉矩的問題

集成式系統在充電過程中產生起動轉矩，主要發生在三相集成式充電機中。目前，解決該問題的本質目標和思路都是對充電時的氣隙磁場進行控制，保證充電時網側三相對稱電流流入電機繞組后，在氣隙中不產生旋轉磁場。

1.3.1 重構裂相電機繞組

圖6給出基于裂相三相異步電機的三相集成式充電機[26]。當切換到充電模式時，S1將三相電源接入，S2切換至b1和b2，令兩套電機繞組產生幅值相等且旋轉方向相反的氣隙磁場，從而保證氣隙總磁鏈為零，消除充電過程中產生的轉矩。然而，更改繞組連接無疑增加了系統的復雜性、降低了可靠性。

圖6 基于裂相三相異步電機的三相集成式充電機

1.3.2 開繞組電機

多篇文獻都報道了基于開繞組電機的三相集成式充電系統[27-32]，其結構如圖7所示。在該類結構中，各相繞組中點與三相交流電源相連，得益于開繞組電機的逆變器結構，繞組支路具備可控的電流流通能力，當每相繞組的H橋分別共享驅動信號時，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，因此不會產生起動轉矩。

圖7 基于開繞組電機的三相集成式充電機

1.3.3 多相電機

隨著現代電力電子技術的不斷發展，多相電機驅動系統因其低轉矩脈動、高可靠性等優勢，在電動汽車等高功率驅動領域日益受到關注[33]。而在集成式車載充電機領域，相比1.3.1和1.3.2節中介紹的兩種解決方案，基于多相電機的集成式系統更具可行性，因此大量文獻報道了基于五相電機[34-37]、六相電機[37-44]、七相電機[36]和九相電機[37, 45-46]的集成式充電系統，圖8給出了其一般拓撲結構。得益于多相電機在空間上豐富的繞組分布方式和可控逆變器橋臂，基于多相電機系統的集成式充電機，可以通過合理配置各相繞組連接方式，令系統在充電期間不產生起動轉矩。關于其具體實現方法，文獻[34-35]以五相電機為例，進行了詳盡的介紹。

1.3.4 充電期間保持電機旋轉

與上述幾種解決方案不同，一種令電機在充電期間保持旋轉的集成式充電系統結構如圖9所示[47-50]。可以看出，該類集成式系統同樣基于裂相電機進行構建。當系統切換為充電模式時，電機需保持同步速旋轉，并網后，電機被作為旋轉變壓器使用并將電能輸送給電池。該類結構不需要考慮轉矩產生的問題，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操作復雜，要求電機反電動勢與電網電壓匹配，車輛靜止時電機保持旋轉也存在安全風險，且增加系統機械損耗。

圖9 充電中電機保持旋轉的集成式充電機

1.4 隔離充電問題

在各國的充電機標準中，電氣隔離均不作為強制性要求，但出于安全性考慮，具備這一功能的充電機總是更優的選擇。目前，在集成式車載充電系統中添加電氣隔離功能的主要思路為在功率級中增加或構造出隔離變壓器。

1.4.1 將電機重構為變壓器

與電力變壓器類似，電機同樣由線圈繞組和導磁鐵心等構成，因此，通過改造電機繞組的連接方式，即可將電機重構為一臺變壓器。第1.3.4節介紹過的集成式充電機即為該類型結構（見圖9），此處不再贅述。

圖10 基于9槽/8極IPM電機的集成式充電機

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或車外增加額外的工頻隔離變壓器，如圖11所示。文獻[38]分析了基于對稱六相電機或雙三相（非對稱六相）電機的集成式充電機在添加額外隔離變壓器時需要遵循的原則。研究結果表明，為了保證電機在充電時不產生起動轉矩，對于對稱六相電機，采用一臺雙邊均為單套繞組的變壓器即可（見圖11a）；而對于非對稱六相電機（即雙三相電機），則需采用二次側雙繞組結構的變壓器，且要求兩套繞組分別采用星形和三角形聯結（見圖11b）。

一般而言，由于工頻變壓器體積和質量均較大，將其放置于車內與集成式充電機輕量化的目標相矛盾，而放置于車外又增加了網側充電接口的復雜度，與集成式充電機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撲

考慮到工頻變壓器在體積和質量方面的劣勢，多種基于新型隔離型電力電子拓撲的集成式充電機相繼問世[52-54]，其思路可以歸納為：首先，驅動電機及其逆變器重構為全橋整流器，將網側交流電整定為直流；然后，在母線與電池之間增加隔離型DC-DC變換器，從而實現電氣隔離。如圖12所示為一種基于雙主動橋式（Dual-Active-Bridge, DAB）變換器和六相電驅系統的集成式充電系統[53]。在該系統中，六相電驅系統組成單相（見圖12a）或三相（見圖12b）整流器，實現交直流轉換；一組DAB變換器被設置在母線與電池之間，完成電氣隔離。該結構的優勢在于直流側高頻變壓器體積小、質量輕，但增加了較多的功率器件，因而在成本上同樣不具優勢。

圖12 基于DAB變換器和六相電機的隔離型集成充電系統

1.5 電壓匹配問題

在集成式充電系統中，電機電感通常作為網側線電感使用，其重構而成的變換器均基于升壓原理，將導致直流母線電壓必然高于某一特定值（隨電網電壓變化），若電池所需充電電壓低于該值，則充電機無法工作。目前，已有多種解決該問題的方案，其本質均為將充電過程分解為兩個功率級完成。一般而言，第一級完成電能的交直流轉換；第二級則完成充電電壓的匹配。

1.5.1 基于四輪獨立驅動系統的集成式充電機

文獻[55]提出一種基于四輪獨立驅動系統的集成式充電機，其系統拓撲如圖13a所示。該結構中，4臺電機的繞組均直接并聯使用，其在單相充電模式下（電池側開關置于位置2）的等效電路如圖13b所示，可以看出，此時1號和2號電機及其逆變器構成了單相全橋整流電路，3號和4號電機及其逆變器則在母線與電池之間構造了一個Buck變換器，實現母線電壓與電池電壓的匹配。雖然文獻中沒有提及，但很明顯，該系統同樣可以改造為如圖13c所示的三相充電系統，即1、2、3號電機及其逆變器組成三相全橋整流電路，4號電機及其逆變器作為Buck變換器使用，完成電壓匹配。因此，該結構可以有效解決集成式系統的電壓匹配問題，盡管由于四輪獨立驅動系統尚未大規模普及，導致其應用場景受限，但仍是具有良好前景的集成式充電機解決方案。

圖13 基于四輪獨立驅動系統的集成式充電機

1.5.2 電驅系統重構為Buck-Boost變換器

在單電機驅動系統中，多篇文獻提出了將電驅系統重構為Buck-Boost變換器的集成式充電機[56-58]，雖然結構略有不同，但原理相似。第一種結構如圖14a所示[56-57]，通過在電驅逆變器中增加開關S1，即可在充電模式下將逆變器母線打開（S1打開，S2、S3閉合），將逆變器重構為一個級聯型Buck-Boost變換器，居中的換能電感由電機中A、B相繞組并聯后與C相繞組串聯組成，其等效電路如圖14c所示。而圖14b所示的結構與上述結構功能相同，區別在于增加了與電機中性點相連的變換器橋臂，換能電感由三相電機繞組直接并聯組成，因而無需打開逆變器母線[58]，其等效電路同樣如圖14c所示。

分析可知，該類型結構實際上是1.2.1節所介紹結構的一個變種，雖然在功能上解決了集成式系統電壓匹配的問題，但重構得到的Buck-Boost變換器只能對直流電進行整定，所以需要增加額外的不可控整流器來完成交直流轉換工作。

圖14 將電驅系統重構為Buck-Boost電路的集成式系統

1.5.3 重構電驅系統為兩級變換器

文獻[59-63]提出將電驅系統重構為兩級變換器的集成式充電機拓撲，其基本思路為：將部分電機繞組及其逆變器橋臂構造為交流側基于Boost原理的AC-DC變換器，實現交直流轉換；然后將剩余電機繞組及其逆變器橋臂構造為基于Buck原理的DC-DC變換器，實現母線與電池的電壓匹配。

以基于開關磁阻電機（Switched Reluctance Machine, SRM）的集成式充電機為例[59-60]，如圖15所示，在充電模式下（開關S1打開），A、B相繞組及其逆變器橋臂構成了單相全橋整流器，完成電壓的交直流變換，同時，C相繞組及其逆變器橋臂則組成了一個Buck變換器，實現充電電壓匹配。

圖15 基于開關磁阻電機的兩級集成式充電系統

該系統在不增加額外功率器件的基礎上，實現了集成式充電機的基本功能，且解決了電壓匹配問題，但仍存在一些缺陷：首先，由于三相驅動系統電機繞組有限，當部分繞組被用作構建第二級變換器后，剩余繞組無法實現三相充電；其次，對于電機本身而言，其三相繞組阻感參數基本一致，而當電機繞組作為功率變換器中的無源器件使用時，其所在的不同功率級對于電感參數的要求并不一致。因此，使用三相繞組作為不同功率級中的無源器件，無法保證系統輸出電流紋波等指標的要求。

另一方面，基于分裂勵磁繞組雙凸極電機（Split- Field-Winding Doubly Salient Machine, SFW-DSM）的集成式充電系統則給出了更好的解決方案[62-63]，如圖16a所示，作為定子勵磁型電機的一種[64-65]，該雙凸極電機在定子側同時具有一套兩相勵磁繞組和一套三相電樞繞組，兩套繞組相互獨立。基于該電機構造的兩級集成式充電拓撲如圖16b所示，可以看到，電樞部分組成了第一級三相全橋整流器，而勵磁部分則構成了第二級DC-DC變換器。與1.5.2小節介紹的集成式系統相比，該結構可以進行單相和三相充電，且電樞繞組與勵磁繞組參數相互獨立，因此繞組參數可以根據其所在的功率級需求靈活設計。然而，雙凸極電機由于其反電動勢非正弦性和較大的轉矩脈動等劣勢，在電動汽車中應用較少，也限制了該類集成式系統的應用。盡管如此，該結構仍為集成式充電系統提供了一個較為合理的方案，也為多勵磁源電機[66]在集成式系統中的應用帶來了啟示。

圖16 基于分裂勵磁繞組雙凸極電機的集成式充電系統

2 集成式充電系統的控制方法

集成式充電系統通常由單相/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控制即可。而對于運行模式，文獻[16, 56, 61, 67]都對充電系統的恒壓、恒流等充電模式進行了介紹和實驗驗證，本文將不對以上一般控制方法再行贅述。

與此同時，與傳統充電機相比，由于集成式充電系統將電機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 充電時產生脈振轉矩的問題

采用1.1節中介紹的集成式拓撲方案，可以保證電機在充電模式下不產生起動轉矩，然而，在提出的部分結構（如各類單相集成式充電機和基于五相、七相電機的三相集成式充電機）中，盡管轉子不會旋轉，但仍會產生工頻脈振轉矩，導致電機在充電過程中不斷振動，產生噪聲。為解決該問題，國內外學者從控制角度做出了嘗試。

基于一臺表貼式永磁同步電機，文獻[68]首次分析了單相集成式充電系統在充電模式下產生的脈振轉矩與轉子位置之間的關系，發現脈振轉矩的幅值大小隨轉子位置而變化，且存在特定的轉子位置，其脈振轉矩的理論值為零，如圖17所示，文獻[68]給出了聯合仿真實驗結果。

圖17 脈振轉矩隨轉子位置的變化趨勢

隨后，文獻[69-70]基于以上原理介紹了不同的電機轉矩消除方法。其中，文獻[69]提出的方法需要在電機中裝配絕對式位置傳感器，通過實時讀取轉子位置，調整六相電機繞組中電流與轉子位置之間的相對相位，從而實現脈振轉矩的消除。而文獻[70]則是在充電操作前，通過控制電機，將轉子位置定位至零脈振轉矩位置，從而實現充電時脈振轉矩的消除。然而，在實驗研究中，發現以上兩種方法存在一定局限，即當完成定位操作開始充電后，充電電流將導致電機轉子不能始終保持在零脈振轉矩位置，因此仍會在轉子上產生脈振轉矩，文獻[70]的實驗部分也證實了這一點。

2.2 電流平衡算法

在基于多相電機的集成式充電系統中，網側線電感通常由多個電機相繞組并聯而成，如圖8中所示的集成式充電機。在這種情況下，由于相同轉子位置下不同相繞組的氣隙長度不一致，將導致并聯的各相繞組參數不盡相同。因此，如果各相繞組對應的逆變器橋臂僅共用相同驅動信號，會導致各相繞組中的電流不平衡，從而在轉子上產生不受控的轉矩。基于以上原因，采用電機相繞組并聯方式的集成式充電系統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。

實際上，電流平衡算法的關鍵在于要對每個繞組的驅動器橋臂進行獨立控制，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別。

圖18給出兩種電流平衡算法（基于五相電機的單相集成式充電系統）[34]。如圖18a所示，四相繞組的給定電流直接在靜止五相坐標系下給出，與實際四相電流作差，經比例諧振（Proportional Resonant, PR）控制器整定后即可得到各相占空比，驅動主電路。這種方法較為直觀，實際是由電機控制中的電流滯環控制衍生而來。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系下給出，與同樣經過坐標變換的實際電流值作差、經PR控制器整定后，即可得到靜止兩相坐標系下的電壓矢量，再經反坐標變換，可得到五相電壓矢量，即調制環節所需的調制波，經載波脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）后驅動主電路。這種方式可以對不同諧波平面下的電流控制器參數進行針對性的整定，控制更為精準。

圖18 基于五相電機的單相集成充電機電流平衡算法

2.3 不增加電壓傳感器的PFC控制方法

對于集成式充電系統，為了實現充電機的功率因數校正（Power Factor Correction, PFC）運行，通常需要采集電網電壓并利用鎖相環（Phase-Lock Loop, PLL）電路跟蹤電網相位[36-37]。然而，由于其硬件電路均繼承自車載電機驅動系統，通常并沒有足夠的電壓傳感器用來檢測電網電壓。

另一方面，集成式充電系統在PFC控制中所需的并非電網相位值而是其正弦或余弦值[34-35]，因此，文獻[35]提出了一種基于二階廣義積分器（Second- Order Generalized Integrator, SOGI）的PFC控制方法。SOGI被廣泛應用于單相PLL電路中，其主要功能為依據輸入正余弦信號產生兩個相互正交的正余弦信號且同相位，其控制框圖如圖19所示[70]。配合文獻[34-35]中提出的控制方法，集成式充電機即可在不增加或僅增加一個電壓傳感器的情況下實現系統的PFC控制。

圖19 SOGI的控制框圖

3 基于多相混合勵磁電機的集成充電系統

基于第1.2節對傳統集成式車載充電系統的關鍵技術問題和現有解決方案的綜述和梳理，可以發現，目前已有的集成式車載充電系統解決方案中，雖然對于各個問題都進行了一定程度的研究，但實際鮮有可以同時解決多個關鍵技術問題的方案。因此，基于第1節中各個關鍵問題中較為合理的解決方案，同時也考慮到混合勵磁型電機[72-73]和多相電機[74-76]在電動汽車應用中受到越來越多的關注，本節篩選出了多相（如圖8所示的可解決起動轉矩問題的方案）、混合勵磁型（如圖16所示的具備兩套獨立繞組，可增加額外器件和電壓匹配問題的方案）電機作為候選電機，以一臺五相磁通切換型混合勵磁電機為例，提出一種可以同時解決集成式系統多個關鍵技術問題的解決方案，介紹多相混合勵磁型電機在集成式充電系統領域具備的獨特優勢與特色。

五相磁通切換型混合勵磁（Hybrid-Excitation Flux-Switching, HEFS）電機結構如圖20所示[77-78]，可以看出，與1.5.3節介紹的雙凸極電機類似，該電機同樣擁有兩套相互獨立的電樞繞組和勵磁繞組。由其構成的集成式充電系統拓撲如圖21a所示[34-35]，單相和三相充電模式的等效電路則如圖21b和圖21c所示。

圖20 五相磁通切換型混合勵磁電機

圖21 基于五相HEFS電機的集成式充電系統

在該系統中，電機電樞繞組及其逆變器橋臂被重構為第一級全橋整流變換器，而電機勵磁繞組和逆變器橋臂則組成了母線與電池之間的第二級DC-DC變換器。兩級變換器之間在控制上相互獨立，而無源器件（即電機電樞和勵磁繞組）在磁場上又相互耦合。下面將對該集成式充電系統的優勢和特點進行分析。

3.1 充電模式下無起動轉矩

如1.3.3節所述，采用多相電機結構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充電時產生起動轉矩的問題，其具體的繞組配合方式的篩選方法參見文獻[34-35]，本文不再贅述。

3.2 兩級功率級可實現電壓匹配

與1.5.3節所述結構類似，基于多相混合勵磁電機的集成式充電系統可以采用兩級功率級充電的方式來解決電壓匹配問題。

3.3 兩級功率級可獨立優化

兩級變換器分別由相互獨立的電樞系統和勵磁系統重構而成，因此可以方便地依據變換器需求對兩套繞組系統的電磁參數進行優化。

若按照電機原設計，電機勵磁繞組的額定電流非常小（僅為3A）[77]，會導致集成式系統的充電功率過小而沒有實際應用價值。如果強行增大充電電流，圖22a給出了系統充電運行時的實驗波形。可以看出，盡管使用3倍以上額定電流的工作電流（9.625 7A）進行充電，其總功率也僅為約1.4kW，且效率非常低，僅為39.38%。而如果對電機勵磁繞組進行簡單優化，將全部串聯的10個勵磁線圈改為并聯結構，其實驗波形如圖22b所示。可以發現，在優化后的波形中，系統可以在額定電流下實現4.4kW功率的充電，且系統效率被提高至91.47%。優化前后的勵磁繞組參數及系統效率見表1。可以看出，僅改變勵磁繞組的串并聯方式，即可在不影響驅動模式勵磁性能的前提下，極大提高充電模式的系統效率，而從實驗波形可知，區別僅在于直流側電壓紋波增加。需要說明的是，本文此處展示的實驗結果和結論僅為粗略優化后的對比展示，更加系統化的優化方法將在后續論文中提出。可以想見，若采用更精細化的優化方法，基于多相混合勵磁電機的集成式充電系統將具備更好的性能和應用前景。

表1 勵磁繞組參數及系統效率

Tab.1 Field winding parameters and system efficiency

3.4 弱磁電流可進一步減小充電脈振轉矩

第2.1節提到，在采用零起動轉矩拓撲的集成式充電機中，仍可能存在脈振轉矩，通過控制轉子位置的方法并不能完全解決問題。而對基于混合勵磁電機的集成式充電系統而言，其充電電流經由勵磁繞組流通，可以對氣隙磁場產生調節作用。因此，只要合理配置充電電流的流通方向，即可在充電時減弱氣隙磁場強度，從而進一步減小可能產生的脈振轉矩幅值。圖23給出額定勵磁電流對充電模式下最大脈振轉矩產生的削弱作用，可以看出，在弱磁情況下，脈振轉矩幅值被有效抑制，若配合2.1節介紹的脈振轉矩消除方法，則可以基本消除脈振轉矩帶來的不利影響。

圖23 弱磁電流對充電模式下脈振轉矩的影響

3.5 與已有解決方案的對比討論

表2給出了本文中列舉的全部集成式車載系統拓撲在解決各個關鍵技術問題和使用全控型器件數量及其電壓電流應力方面的對比。可以看出，現有各類集成式車載充電系統各具優勢和特點。而僅有圖13、圖16和圖21所示的三類方案能夠同時解決該類系統的三個主要問題。在這三類方案中，圖13所示的基于四輪獨立驅動系統的集成式充電機雖然由于分布式驅動系統尚未大規模普及導致其應用場景受限，但確實是具有良好前景的集成式充電機解決方案；圖16所示的基于SFW-DSM的集成式充電機方案，則由于其電機性能不具優勢而限制了其應用；而基于本文的綜述分析提出的基于五相HEFS電機的集成式車載充電機，除了不具備電氣隔離能力外，在多個方面均具有優勢，而在功率器件數量、器件電壓電流應力方面也不處于劣勢，因此是一種極具潛力的集成式車載充電系統解決方案。

表2 各類集成式車載充電系統對比

Tab.2 Comparison of different types of integrated on-board chargers

注：“*”表示網側相電壓峰值為m；“**”表示不具備三相充電能力；“***”表示不具備單相充電能力。

4 結論

本文分別從拓撲結構和控制方法兩方面，總結了電動汽車用車載集成式充電系統亟待解決的若干關鍵問題，并從解決問題的角度，對近年出現的各類集成式充電系統進行梳理和總結，力圖較為清晰地展現出該領域的研究現狀，進而，以一臺五相HEFS電機為例，闡述了多相混合勵磁型電機在該領域的應用優勢和前景，并得到如下結論：

1）在車載集成式充電系統中，可以通過改變拓撲結構來解決的問題主要包括增加額外功率器件的問題、充電模式下產生起動轉矩的問題、充電隔離的問題以及電壓匹配的問題。其中，起動轉矩和電壓匹配兩個問題較為關鍵，直接關系到系統能否正常工作。

2）對于起動轉矩問題，主要依賴于電機繞組連接方式的重構，基本思路均為令電機的氣隙磁場軌跡為零或一條直線。與重新拆分三相電機繞組相比，直接使用多相電機來構建集成式充電機是一種更好的選擇。

3）對于電壓匹配問題，本質上都需要構建兩級變換器，第一級負責整流和PFC操作，第二級則負責電壓整定和匹配工作。對此，具備兩套獨立繞組的混合勵磁電機無疑更具優勢。

4）在控制方法方面，可以解決的問題主要包括充電時脈振轉矩、繞組電流不平衡以及盡量少增加傳感器而實現PFC運行的問題。

5）多相混合勵磁型電機因其特殊的結構特點，所構成的車載集成式充電系統，在不增加額外器件的情況下可同時解決起動轉矩、電壓匹配、轉矩脈動等問題，優勢明顯。

隨著電動汽車在全球范圍內快速發展，其充電方式也必然呈現多樣化，但便捷、快速和低成本仍將是基本需求和原則，而滿足以上特點的車載集成式充電系統也將繼續成為研究熱點，其后續的發展和研究方向可以展望為：

1）基于新型電機驅動系統（包含新型電機和新型逆變器拓撲兩方面）的集成式車載充電系統拓撲設計。

通過本文的梳理，可以發現多相混合勵磁型電機在集成式車載充電系統的應用當中頗具優勢，而隨著近年來電機分析設計理論和控制理論的不斷發展，新的電機結構、功率級拓撲和控制方法層出不窮，挖掘新結構電機、先進電力電子拓撲和寬禁帶器件在集成式車載充電系統中的作用和優勢，如文獻[79]提出的基于分段電機的集成式系統、文獻[80]提出的基于Z源變換器的集成式系統和文獻[81]提出的基于模塊化多電平變流器的充電系統等，將是該領域持續發展的研究方向。

2）基于新型電動汽車驅動模式的集成式充電系統設計。

隨著電動汽車產業和技術的不斷發展，近年來電動汽車的驅動方式也在不斷進步。目前，主流高端品牌均已推出基于多電機驅動模式的乘用車車型，而基于四輪獨立分布式驅動模式的電動汽車也一直是學界的研究熱點。因此，對于集成式車載充電系統而言，在新型驅動架構中尋求更優的解決方案，如依據各臺電機在驅動模式下運行模式的不同和在充電模式下處于充電功率級位置的區別，而進行獨立優化等，也將是該類系統一個新的發展方向。

3）考慮整個系統驅動模式下電機性能和充電模式下充電效能的綜合優化設計。

目前，對集成式車載充電系統的研究還基本停留在拓撲結構和個別關鍵問題解決方案探索的階段。后續在該領域的研究將更加精細化和系統化，主要思路應為考慮整個系統在驅動模式下電機性能和充電模式下充電效能的綜合優化設計方法，預期可以在如下三個層次展開研究：

（1）在不改變車內驅動系統架構和供電條件的前提下，考慮系統充電模式對電機繞組參數的需求，僅對原有電機進行一定程度的改造，從而在不影響電機驅動性能的情況下，實現系統充電模式下充電效能的提升。

（2）將系統驅動模式和充電模式作為整體進行分析，將電機結構參數、驅動主電路拓撲結構和調制方法、外部供電條件等均作為可變量考慮，將電機的轉矩輸出能力、功率密度、充電模式下的輸出功率和整個系統的綜合運行效率作為優化目標，采用先進多目標優化方法，對整車集成式車載充電系統進行整體優化設計。

（3）在層次（2）基礎上，考慮車輛應用場合和綜合運行工況，以一個完整的用車周期內（電池從零電量開始充滿電，驅動系統再通過各工況運行將電池電量耗盡）能量效率為優化目標，對電機本體和車載充電系統進行完整的性能優化。

考慮整個系統的綜合優化設計將是集成式車載充電系統未來后續研究工作的重點，也是目前研究工作者所提出的各類集成式車載充電系統能否進行實際工程應用的關鍵。

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Key Issues and Solutions of Integrated on-Board Chargers for Electric Vehicles

11,2111,23

（1. School of Electrical Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 2. Yancheng Institute of New Energy Vehicles Southeast University Yancheng 224007 China 3. School of Electrical and Information Engineering Jiangsu University Zhenjiang 212013 China）

By re-employing the existing motor windings and inverter in EV’s propulsion system, an on-board fast charger can be built without adding additional power devices, attracting more and more attention. In this paper, the key issues of the integrated charger are summarized firstly. Then, oriented by the issues, the existing solutions from both system topology and control strategy perspectives are reviewed and presented in details. Thereafter, according to the unique structure of the hybrid-excitation machine (HEM), the advantages of HEM-based integrated chargers are introduced. Finally, the development direction of the integrated on-board charger is prospected.

Integrated on-board charger, electric vehicle, hybrid-excitation machine, multi-phase machine

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201154

TM910.6; U469.72

國家自然科學基金（51937006, 51825701）和江蘇省自然科學基金（BK20210347）資助項目。

2020-09-06

2020-11-18

佟明昊 男，1990年生，博士，講師，研究方向為電動汽車用集成式電機驅動與車載充電系統。E-mail: mtong@njust.edu.cn

程 明 男，1960年生，教授，博士生導師，IEEE Fellow，IET Fellow，研究方向為微特電機及控制、電力電子與電力傳動、電動車驅動與控制等。E-mail: mcheng@seu.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）