電動汽車驅動/充電一體化系統及其控制策略綜述

王曉姬 王道涵 王柄東 王秀和

電動汽車驅動/充電一體化系統及其控制策略綜述

王曉姬 王道涵 王柄東 王秀和

（山東大學電氣工程學院 濟南 250061）

傳統電動汽車驅動和充電系統相互獨立工作，存在充電容量小、質量體積大、成本高等問題。而驅動充電一體化系統通過將電機繞組和逆變器進行合理重構，復用于充電系統，可以實現系統輕量化和高度集成化，進一步提高系統功率密度。該文首先對當前國內外提出的驅動充電一體化拓撲結構進行歸納總結分類，論述各類型一體化拓撲結構的工作原理、優點以及存在的主要問題；然后，針對目前驅動充電一體化系統存在的關鍵技術問題對電動汽車不同運行模式下的控制策略進行綜述；最后，對電動汽車驅動充電一體化系統的發展趨勢進行展望。

驅動充電系統 一體化拓撲 電動汽車 控制策略

0 引言

近年來，能源短缺與環境污染問題日益嚴峻，新能源汽車作為一種清潔能源交通工具得到快速發展，并獲得廣泛關注[1-2]。純電動汽車以蓄電池和驅動電機構成系統動力來源，技術成熟且成本低，擁有巨大的發展優勢。然而，作為電動汽車運行過程中提供能量補給的重要環節，充電系統是其重要的基礎支撐系統[3-4]。能否方便、高效地為車載電源充電，成為制約電動汽車產業化發展的關鍵因素之一。

目前，電動汽車充電系統主要有兩類：一類是非車載充電系統；另一類是車載充電系統。非車載充電系統通常集成在充電樁及大型充電機內，安裝在停車場、車庫等固定場所，其充電功率一般在50 kW以上，以直流電輸出方式為主，充電速度快，但存在基礎設施投資大和需要特別維護等問題，并且由于需要較大充電功率，還需要重視對電網的保護[5]。車載充電系統通常直接安裝在電動汽車上，當電動汽車接入三相或者單相交流電后，借助車載充電系統將交流電轉換為直流電，充電功率等級較低，但其充電所需時間較長，一般適用于汽車閑置狀態下充電[6]。并且由于車載充電系統內部存在大量電力電子器件，容易造成電網輸入電流波形畸變、功率因數降低等問題，需要加入功率因數校正（Power Factor Correction, PFC）模塊。

隨著電動汽車電池技術的發展，電動汽車的續航里程不斷增加，對公共充電樁的依賴已顯著降低，而對更加便利的私人充電樁需求日益增加[7-8]。采用直流快充方式需要建造大量充電樁，占用大量土地面積且造價昂貴。同時，大規模直流充電站對充電技術和充電安全性要求相對較高，大多在白天運行，進一步加重了電網的運行負擔。而交流慢充式的私人充電樁一般在夜間充電，一定程度上緩解了電網壓力。此外，采用車載充電系統可以針對車載電源特性進行專門設計，充電功率和充電電流小，減小對車載電源的損耗，可以很好地完善能源管理系統。因此，交流慢充式的車載充電系統是緩解電動汽車充電問題的有效解決方案[9]。

雖然車載充電系統能夠使電動汽車不再依賴充電樁，充電更加方便，但是目前大多數電動汽車中驅動和充電系統是相互獨立分別運行的，會造成電動汽車體積與質量的增加，使得車載充電系統容量受到限制[10]。為了解決這一問題，有關研究將驅動系統和充電系統集成，提出“驅動充電一體化”拓撲結構，通過將驅動系統中部分器件復用于充電系統來實現功率變換器功能高度集成化，以提高車載設備的利用率并有效降低成本。

目前，國內外研究人員已提出了不同類型的驅動充電一體化拓撲結構，在實現車載充電系統性能方面各有差異。本文介紹了驅動充電一體化系統的結構及其發展歷程，在已有研究的基礎上，梳理了近年來各文獻中提出的驅動充電一體化拓撲結構，并對其進行分類和總結，針對當前一體化系統存在的關鍵技術問題對相關控制策略進行詳細分析。最后，對驅動充電一體化系統及其控制策略的發展趨勢進行展望。

1 驅動充電一體化系統發展概述

近年來，電動汽車產業發展迅速，傳統電動汽車中電機驅動系統和充放電系統是相互獨立的。汽車中變換器、電機和控制器等組件通常僅用于驅動運行，當電池能量不足時，通過另外一套車載充電系統為電池充電。典型的車載充電系統通常由AC- DC變換器、PFC模塊和DC-DC變換器構成，如圖1a所示。由于車載充電系統中存在大量電力電子器件，容易造成電網輸入電流波形畸變、功率因數降低等問題，需要加入PFC模塊以減小電路中的諧波損耗。然而，這種相互獨立的系統結構不可避免地增加了汽車的體積和質量，驅動系統和充電系統的集成可以解決這一問題。

圖1 電動汽車驅動充電系統結構

將電動汽車驅動系統中變換器部分器件、電機繞組加以重構，結合相關控制器復用于充電系統中，可以實現驅動和充電功能的集成化，如圖1b所示。驅動模式下，電動汽車通過功率變換器驅動電機運行，當切換至充電模式時，電機繞組和變換器開關器件復用于充電系統為電池充電。電動汽車驅動充電一體化概念最早在1985年由D. Thimmesch提出，將電動乘用車中的電池充電器集成到逆變器電路組件中，在34 kW功率等級的驅動變換器基礎上實現了3.6 kW的車載充電功能[11]。W. E. Ripple于1990年申請了一種將三相逆變器組件和交流電源供電的直流電源充電器組件集成的專利，設計了通過單相交流電網給車載電源充電的拓撲結構和系統方案，節省了設備組件的成本和質量以及所需的空間[12]。至此，電動汽車驅動充電一體化系統成為一個研究熱點。

法國法雷奧發動機和電氣系統公司對電動汽車多相電機集成驅動充電拓撲結構進行研究，提出能量宏觀表示法，可大大降低電流和轉矩脈動等電機驅動控制性能[13]。奧地利應用科學大學為降低消費者和汽車制造商成本開展雙向集成車載充電器的研究，通過仿真模擬驗證了電壓定向控制的可行性[14]。韓國現代起亞汽車公司對比分析了不同集成電池充電器案例，驗證了使用兩個逆變器的交錯控制方法為最佳，可大幅降低輸入電流紋波[15]。美國馬里蘭大學研究了用于電動汽車和混合動力汽車的集成車載充電器，經測試在電動和再生制動模式下均可達到復合諧波標準并且能以高功率因數運行，但需要增加額外的AC-DC變換單元[16]。瑞典查爾姆斯理工大學從永磁電機繞組入手對用于混合動力汽車的集成充電器展開研究，建立有限元模型來模擬系統瞬態性能[17]；并綜述了不同類型的隔離與非隔離集成充電器，提出一種基于裂相永磁電機的隔離型高功率雙向集成充電器，但仍需要離合器等少量額外部件并缺少實驗驗證[18]。加拿大溫莎大學致力于研究內置阻尼桿永磁電機在電動汽車集成充放電中的應用，解決了傳統內置式永磁電機繞組用作交流充電電感在靜止條件下產生不平衡阻抗的問題[19]。國內比亞迪公司將逆變器復用于充電系統中，提出了一種電動汽車集成控制系統，需要額外的LC濾波器參與充電[20]。河北工業大學提出將電機繞組中心抽頭引出，可以很好地解決充電模式繞組電流平衡問題，但增加了系統中的開關器件數量[21]。南京航天航空大學針對功率等級較高的電動汽車提出了一種驅動充電集成拓撲，實現了高功率因數、電氣隔離、較強容錯能力等功能[22]。

2 驅動充電一體化拓撲結構

驅動充電一體化拓撲結構相對于傳統電動汽車驅動充電系統改進的思路有以下兩點：①驅動系統元器件復用于充電系統；②復用電機繞組或者改變電機結構重構驅動充電一體化系統。

隨著對電動汽車驅動充電一體化系統的深入研究，根據不同的應用場合已提出不同的拓撲結構。其中，根據電機類型可以分為基于永磁電機和基于無永磁體電機的驅動充電一體化系統；根據充電并網類型可以分為基于單相并網和基于三相并網的驅動充電一體化系統；根據是否存在電氣隔離可以分為隔離型和非隔離型驅動充電一體化系統；其他特殊驅動充電一體化系統是基于特殊電機或改變電機內部結構設計，包括多相電機、分裂繞組電機和開路繞組電機等[23-27]。

2.1 基于永磁電機的驅動充電一體化拓撲

永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）、無刷直流電機（Brushless DC motor, BLDC）、感應電機（Induction Motor, IM）和開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor, SRM）是大多數電動汽車的首選驅動電機[28-29]。其中，PMSM和BLDC為永磁電機（Permanent Motor, PM），IM和SRM為無永磁體電機。PMSM功率密度、功率因數和效率高，但成本也相對較高；BLDC調速范圍廣、轉矩特性優異、效率高，但其恒功率范圍有限，適用于功率等級在300 W以下的單一速度和穩定速度運行的場合；IM的控制技術成熟，調速性能較好，多用于高速大功率電動汽車，但其在小負荷范圍內效率較低；SRM相對成本較低，具有轉速范圍寬、散熱能力強等優勢，但其存在噪聲和轉矩脈動等問題。針對這些類型電機，研究人員提出了各種集成驅動充電方案。

文獻[30]提出基于PMSM定子繞組開路的驅動充電一體化系統拓撲如圖2所示，驅動系統中的逆變器被復用于充電系統中，PMSM定子繞組被重構為充電系統中的網側濾波電感，集成的驅動充電系統相比于傳統車載充電器大大減小了所占電動汽車的體積與質量。在驅動模式下，通過數字信號控制開關S1、S2、S3，使電機繞組呈星形聯結；當系統處于充電模式時，通過控制開關使電機定子繞組開路并與電網連接構成電動汽車充電系統，定子繞組用作網側濾波電感可以濾除網側電流諧波，在實現儲能元件與電網能量雙向流動的同時還可以實現車與網互聯（Vehicle-to-Grid, V2G）功能。

圖2 基于PMSM定子繞組開路的驅動充電一體化拓撲

與傳統相互獨立的車載驅動系統和充電系統相比，基于PMSM定子繞組開路的驅動充電一體化系統在集成度方面具有明顯的經濟型優勢，但仍存在以下問題：

（1）充電模式下，交流電網與車載電源之間缺少電氣隔離，存在一定的安全隱患，不利于內部電力電子器件的可靠運行。

（2）電機定子繞組開路重構為充電系統，當電機繞組中流過交流電流產生電磁轉矩，驅動轉子旋轉或者振顫時，會造成一定的旋轉損耗。

文獻[30]對驅動充電一體化系統存在的電機轉子振動噪聲問題進行研究與改進，分析對比了單相全橋變換模式、三相全橋變換模式和三相四橋臂變換模式下電磁轉矩、系統重構復雜程度和濾波特性等方面的優缺點。這些模式下，系統在充電狀態中均可解決電磁轉矩問題，單相全橋變換模式下電機繞組結構不發生變化，電機重構復雜程度小。然而，改進的驅動充電一體化系統只能接單相電網充電，由于電源受容量限制，充電功率有限，充電時間長。

2.2 基于無永磁體電機的驅動充電一體化拓撲

針對PMSM繞組電感值低，充電過程容易產生轉矩，以及IM和SRM兩種無永磁體電機存在效率低等問題，文獻[31]設計了一種新型的雙凸極電磁電機（Doubly Salient Electromagnetic Machine, DSEM）。DSEM是一種非永磁電機，分離的勵磁繞組和電樞繞組使其可以被很好地應用于驅動充電一體化系統中，如圖3所示。電動模式下，開關Q1、Q2關閉，蓄電池經前級DC-DC變換器和逆變器驅動DSEM工作；充電模式下，開關Q1、Q2打開，DSEM的電樞繞組用作三相脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）整流器的濾波繞組，三相電網經整流器再反向使用DC-DC變換器為蓄電池充電。

圖3 基于DSEM的驅動充電一體化拓撲

當系統工作在充電模式下時，電網輸出的三相交流電經過電樞繞組將產生高轉矩，因此，DSEM的輸出轉矩需要保持為零以減少轉子振動。文獻[31]提出的一體化拓撲在電動模式下兩組勵磁繞組F1、F2流過的電流方向相同，電機正常驅動工作；在充電模式下，兩組勵磁繞組F1、F2中流過的電流方向相反，電機整體去磁，此時電樞繞組中通入三相電流也不會產生勵磁轉矩。在此結構下，系統可以獲得更好的充電性能并減小系統電流紋波，但充電系統中缺少電氣隔離，并且由于其反電動勢呈非正弦性，可能導致磁場畸變，引發較大的轉矩脈動。

文獻[32]提出了一種基于四相八槽六極（8/6）SRM的驅動充電一體化系統，如圖4所示。圖中，a14、a23、b14、b23、c14、c23、d14、d23分別為電機A、B、C、D四相繞組電感，NA、NB、NC、ND為四相的中心抽頭節點。所研究的拓撲結構采用分體式變換器拓撲結構并與中心抽頭SRM繞組相結合，四相功率變換器分為兩個雙相變換器，電池E1經兩相變換器Ⅰ為SRM的A、B相供電，電池E2經兩相變換器Ⅱ為SRM的C、D相供電。在驅動模式下，變換器拓撲相當于傳統非對稱半橋拓撲，具有較好的容錯能力并能提高系統可靠性。并且兩個變換器均可以工作在再生制動模式下回收制動能量，實現驅動模式下電池荷電狀態（State of Charge, SOC）平衡。靜止模式下可以通過改變接線方式平衡電池E1和電池E2之間的電壓。充電模式下，該系統支持車載動力電池直流和交流充電，具有多電平變換器的特點。然而，電機設計時繞組需要分開，中心抽頭節點需要被包含在變換器中，并且充電過程中拓撲結構中每個相位電感會隨轉子位置變化而變化。

圖4 基于SRM的驅動充電一體化拓撲

同步磁阻電機（Synchronous Reluctance Motor, SynRM）具有高可靠性、高效率和低成本等優點，結構上沒有永磁體，相比于PMSM制造成本相對較低，同時避免了SRM運行時轉矩脈動和噪聲大的問題。文獻[33]針對電動汽車驅動充電一體化系統設計了一種六相同步磁阻電機，電機采用繞組冗余設計，使其在充電時可用作變壓器。充電模式下，SynRM的一組繞組連接至逆變器，另一組連接至交流電網，如圖5所示。對充電模式下轉子旋轉和鎖定兩種情況下系統性能進行測試，結果表明，與三相電網連接時旋轉轉子充電性能最佳，而與單相電網連接時鎖定轉子充電性能最佳。但同樣需要考慮繞組電感受轉子位置影響的問題。另一方面，這種電機類型目前在電動汽車牽引中應用較少，因為它在功率密度、比轉矩和功率因數方面的性能較弱[34]。

圖5 基于SynRM的驅動充電一體化拓撲

2.3 基于單相并網的驅動充電一體化拓撲

電動汽車充電技術的發展使得對便捷的私人充電樁需求日益增加，私人充電樁大多配置在居民小區或者室內停車場內，所用電源主要以單相或者三相交流電為主。單相電源插座的廣泛使用促進了具有單相充電能力的電動汽車的發展，并且單相交流充電可以減小充電時脈動功率對車載電池壽命的影響。然而，單相充電只能提供緩慢的充電水平。

文獻[35]提出的驅動充電一體化拓撲結構如圖6所示。在驅動模式下，車載儲能電源通過雙向DC-DC變換器，經三相橋式變換器為電機提供驅動功率，如圖6a所示。在充電模式下，單相交流電網經二極管橋和電機繞組以及雙通道交錯升壓轉換器進行整流，再經雙向DC-DC變換器為車載電源充電，如圖6b所示。

圖6 文獻[35]提出的單相并網驅動充電一體化拓撲

文獻[35]所提出的拓撲結構的優點是不需要額外附加大的電感或者電容，在額定功率下只需要附加一個二極管橋。充電模式下，電機的三相繞組被復用于雙通道交錯升壓轉換器中，可以有效消除電流紋波，且只需要連接三相交流電機的相端，不需要連接繞組中性點或者繞組中點。同時，采用單相交流充電可以防止充電期間電機轉子旋轉。

文獻[36]提出一種用于電動汽車的驅動充電一體化系統，如圖7所示。該系統中功率轉換器由雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC變換器和三相四橋臂DC-AC變換器構成。為減小直流母線上的電容尺寸，采用有源緩沖器和一個小的薄膜電容器代替傳統大電容，來抑制直流母線電壓波動，提高系統效率。系統采用單相電網接口，充電過程中電機繞組被重新用作網側濾波器，可以減少驅動充電一體化系統所占體積，同時，相同的基頻電流流過電機三相繞組，可以抵消電機內部產生的轉矩。DAB變換器可以將車載儲能電源和交流電網隔離，避免電網充放電時對電池或者電網造成沖擊。但采用隔離式DC-DC變換器會增加電路所占電動汽車內體積與質量，并且相較于非隔離式DC-DC變換器效率較低。

圖7 文獻[36]提出的單相并網驅動充電一體化拓撲

2.4 基于三相并網的驅動充電一體化拓撲

由于單相充電的功率水平受充電電源容量限制，采用三相電網可以實現快速電池充電。文獻[37]提出的驅動充電一體化系統如圖8所示，變換器部分由電流源轉換器和三相橋式逆變器組成。充電模式下，此系統結構不需要對原驅動系統做任何調整，也不需要設計額外的開關元件改變拓撲結構或者重新配置系統拓撲，即可實現與驅動系統功率相當的高功率三相集成充電。文獻[19]設計了一種轉子內裝阻尼桿的內置式PMSM用于驅動充電一體化系統，解決了轉子堵轉狀態下各電樞等效電感值不相等的問題，在充電狀態下轉子需要機械堵轉，避免不必要的轉矩產生，然而這樣會增加磨損，降低系統效率。文獻[37]提出的拓撲結構相比于文獻[19]中提出的一體化拓撲結構，可以防止充電期間電機轉子旋轉，減少不必要的系統磨損。然而，需要將額外的三相接口變換器接入驅動系統中來構成驅動充電一體化系統，電氣隔離需要由車外三相供電變壓器實現。

圖8 基于電流源變換器的驅動充電一體化拓撲

目前，對于大多數三相充電的驅動充電一體化系統來說，電機繞組作為充電/V2G模式下拓撲結構中的一部分，繞組中通入交變電流產生旋轉磁場將使系統在充電過程中產生轉矩和振動[38]。一些三相充電的驅動充電一體化系統中，建議采用轉子機械閉鎖裝置、離合器等以及通過機械開關使定子繞組重新排布，以避免電動汽車充電過程中產生轉矩和振動[39-41]。然而，這些方法會降低系統性能，增加系統磨損。因此，實現充電過程中電機零轉矩在電動汽車驅動充電一體化系統研究過程中具有較大挑戰性。

2.5 隔離型驅動充電一體化拓撲

文獻[36]提出的一體化系統拓撲中包含DAB變換器，可以滿足系統對大功率密度和高安全性能的要求，控制策略簡單，可以消除充電轉矩，但只能用于單相電網集成充電。文獻[42]在文獻[36]的基礎上做出改進，通過繼電器可以改變系統拓撲工作在不同的模式下，車載電源既可以連接至單相電網充電也可以連接至三相電網充電。文獻[43]提出了一種采用耦合磁性器件（Coupled Magnetic Device, CMD）的隔離型驅動充電一體化系統，如圖9所示。通過調整升壓轉換器中開關器件的相位，CMD可分別用作驅動模式下DC-DC變換器的升壓電感器和充電模式下AC-DC變換器的隔離變壓器。驅動模式下，低壓電池經DC-DC變換器再經逆變器驅動電機工作，直流母線電壓可以根據負載情況實時調整以提高系統效率；充電模式下，電網電壓經隔離型AC-DC變換器和矩陣變換器為低壓電池充電。提出的新型耦合磁性器件可以增強電路中的電感，同時降低開關頻率，但需要增加額外的矩陣變換器。

圖9 采用耦合磁性器件的隔離型驅動充電一體化拓撲

在已有的研究中，電機繞組復用于充電系統中通常作為充電模式下變換器中的電感，其還可以用作充電系統中的隔離變壓器。當電機繞組在充電模式下被復用作隔離變壓器時，其可以在靜止狀態下運行，也可以在旋轉狀態下運行。

文獻[44]提出一種驅動充電一體化系統，在充電模式下，繞線轉子感應電機用作降壓變壓器，轉子繞組通過滑環和接觸器連接至三相電網，定子繞組仍然連接到逆變器。采用機械鎖避免在充電期間轉子旋轉，并且由于系統工作效率與定子和轉子之間的氣隙長度相關，造成較大的磁化電流，影響系統效率。文獻[45]提出了一種基于雙定子繞組PMSM的隔離式驅動充電一體化拓撲如圖10所示，驅動模式下兩組獨立繞組互相串聯；充電模式下，逆變器側繞組（繞組1）用于使轉子與三相電網同步，電網側繞組（繞組2）在同步時與三相電網連接，在充電期間電機轉子旋轉，兩組三相繞組在充電模式下充當旋轉變壓器。根據繞組1上感應的三相電壓，由三相逆變器控制電池充電。由于與驅動模式相比，電壓減半，因此最大充電功率也被限制在額定電機功率的一半。并且實際應用中，在轉子軸和車輪之間需要一個離合器避免充電時電動汽車運動。此拓撲結構在20 kW的六繞組分相永磁電機系統中也得到了驗證，系統在充電模式下具有快速的動態響應能力，可以以單位功率因數運行，但電池充電效率有待提高且電機諧波方面需要改進[46]。

圖10 基于雙定子繞組PMSM的驅動充電一體化拓撲

2.6 基于多相電機的驅動充電一體化拓撲

多相電機具有容錯運行能力強、轉矩脈動小、可復用繞組相數多等優點，受到越來越多的關注，近年來被廣泛應用于電動汽車驅動充電一體化系統中[47]。文獻[48]提出了一種基于六相開放式繞組電機的驅動充電一體化系統，如圖11所示。由帶有開放式繞組的對稱六相電機、十二支路雙向轉換器和雙向DC-DC變換器組成。三相電網的每一相都直接連接到定子繞組的兩個中間相，因此，在進行模式切換時，無需額外的機械開關。

圖11 基于六相開放式繞組電機的驅動充電一體化拓撲

文獻[48]提出的驅動充電一體化系統可以直接將六相電機連接到三相電網，充電模式下不需要額外的機械開關，也不會產生平均電磁轉矩，并且在提出的控制策略下以低總諧波畸變率和單位功率因數工作。同時，提出的系統拓撲與傳統六相電機相比具有較高的容錯能力。但拓撲中需要采用十二支路雙向轉換器，增加了一體化系統的質量與體積。

文獻[49]提出一種基于對稱六相電機的驅動充電一體化系統，其拓撲結構如圖12所示。驅動系統中的九開關變換器以及對稱六相電機繞組被復用于充電系統中。驅動模式下，Q1、Q2閉合，Q3打開，六相電機作為具有孤立中性點的電機工作；充電模式下，Q1、Q2打開，Q3閉合，九開關轉換器轉變為傳統三相脈寬調制整流器，并經過電機繞組連接至三相電源。相較于傳統車載充電系統減少了器件數量，并且可以避免充電模式下電機產生電磁轉矩。但模式切換過程中需要額外的機械開關（繼電器）來重新配置硬件結構，并且提出的拓撲結構中沒有電氣隔離，需要外加三相變壓器。相比于文獻[49]中傳統的12相拓撲結構，減少了開關器件的數量，但需要更高的額定電壓和額定電流。

圖12 基于對稱六相電機的驅動充電一體化拓撲

文獻[50]提出一種基于五相電機的驅動充電一體化系統，適用于多相電機驅動系統，驅動模式下的逆變器和電機繞組同樣被復用于充電模式中，在進行模式切換時不需要對系統中的元器件進行重新配置，只需要兩個開關即可實現模式切換。并且由于多相電機中存在額外的自由度，可以避免充電模式下電流流過定子繞組產生電磁轉矩，電機轉子不需要被機械鎖定。此系統拓撲結構在七相電機中也得到了實驗驗證，證明此拓撲可以被擴展至更高相數的驅動充電一體化系統中[51-52]。

2.7 基于雙逆變器驅動的驅動充電一體化拓撲

文獻[53]提出的集成雙逆變器驅動和三相充電的驅動充電一體化系統在文獻[37]的基礎上作出改進，提出的一體化系統由一個三相LC濾波器、一個三相電流源轉換器、一個雙逆變器和兩個儲能單元組成，如圖13所示。在驅動模式下，雙逆變器驅動永磁同步電機電動運行，并且在系統中器件發生故障的情況下也可以依靠單個逆變器驅動電機工作，提高了系統的容錯能力。充電模式下，采用雙逆變器可以降低充電系統中的電流紋波，提高開關頻率，減少所需的電機繞組漏感，網側采用較小的LC濾波器即可。同時，通過雙逆變器驅動器電機繞組保持相等的電流，可以平衡電機繞組電流，確保電機不會在充電模式下產生轉矩而旋轉。

圖13 基于雙逆變器的驅動充電一體化拓撲

在充電過程中，除了直接連接三相交流電網對車載儲能電源進行快速充電，還可以采用直流電源接LC濾波器或者直接連接直流電源為車載儲能電源充電，此外，通過將單相電網端子連接到三相電流源轉換器輸入中的兩個，也可以實現低功率的單相交流充電。

2.8 基于特殊電機結構的驅動充電一體化拓撲

為了進一步提高電動汽車驅動和充電系統的耦合程度，通過改變電機結構或者設計特種電機，使得電機不僅能用于驅動系統動力源，還可以用于在充電模式下實現電氣隔離功能。因此，國內外學者對用于驅動充電一體化系統的特殊電機結構進行了設計與研究。

文獻[54]設計了一種具有隔離充電和非隔離充電功能的分段式雙定子SRM驅動充電一體化系統，如圖14所示，可以減少功率開關器件的數量，同時系統可以實現驅動、非隔離充電和隔離充電等多種工作模式。驅動模式下，繼電器K1、K2打開，蓄電池經兩套逆變器對內外定子供電，整流橋處于空閑狀態。非隔離充電模式下，繼電器K1打開，繼電器K2關閉，構成集成整流橋變換器、內定子繞組及其功率變換器的非隔離充電拓撲結構，并且選擇合適的轉子位置可以實現無轉矩控制。隔離充電模式下，繼電器K1關閉、繼電器K2打開，外定子作為電動機由交流電網供電，帶動轉子轉動，將電能轉化為機械能，內定子作為發電機運行，將機械能轉化為電能，通過控制內定子轉換器對蓄電池充電。隔離充電模式下，雙定子SRM可以作為旋轉變壓器傳輸具有電隔離功能，并且內外定子之間幾乎沒有磁場耦合。

文獻[54]中提出的驅動充電一體化系統在非隔離充電模式下，將電機繞組復用于儲能電感，充電效率高，但交流電網與電池存在直接的電氣連接，充電安全性能較低。而在隔離充電模式下，電池與電網之間存在電氣隔離，但在此模式下電機損耗較大，充電效率低于非隔離充電模式。

2.9 驅動充電一體化拓撲參數對比

本節對電動汽車驅動充電一體化系統在選用電機類型、是否采用電氣隔離和零轉矩控制以及額外設備等方面進行了對比分析，見表1。其中，一體化系統的部分參數在文獻中未提及，在表中已用“—”標注。

表1 驅動充電一體化拓撲結構對比

通過對驅動充電一體化拓撲結構相關文獻綜述，能夠提煉出以下關于一體化系統拓撲研究過程中仍存在的亟待解決的幾個關鍵技術問題：

（1）系統電氣隔離問題。考慮到電動汽車工作在充電和V2G模式下的系統運行安全性，電網與車載電池之間通常需要進行電氣隔離。一些文獻通過加入隔離變壓器或者采用隔離式DC-DC變換器來實現電氣隔離，但會增加一體化系統體積和成本；另一些文獻中將電機繞組重構為旋轉變壓器，可以節約成本并提高系統安全性，但充電/V2G模式下需要采用合適的控制策略進行充電與電網同步控制，同時系統能量轉換效率和轉子旋轉損耗也是需要關注的問題。

（2）電機轉子振動噪聲問題。大多數電動汽車中采用IM和PMSM，當電機繞組在充電時復用為濾波電感，流經電機繞組的三相交流電流會引起電磁轉矩產生，采用機械鎖定方法可以避免充電期間轉子旋轉，但存在效率降低、噪聲和磨損增加等缺點，并且PMSM長期工作在交流磁場，渦流損耗和磁滯損耗會增大，導致磁鋼發熱問題；另外，若電機繞組復用于高頻電力電子電路中，其渦流損耗和磁滯損耗也會增加，進一步惡化磁鋼發熱問題；采用單相交流充電可以防止充電期間電機轉子旋轉，但充電功率較小，并且對充電接口有一定局限性；將繞組中點抽頭引出并通入相同的電流，也可以解決旋轉問題，但增加了開關器件，提高了電機制造成本和難度，需要設計相應的零轉矩控制策略；將電機繞組重構為旋轉變壓器，增加了電機結構和控制策略設計的復雜性，并且帶來了旋轉損耗問題。

（3）車載電池電壓與直流母線電壓、電網電壓匹配問題。傳統電機驅動系統采用單級變換器結構，然而車載電池一般為低壓電池系統，并且AC-DC變換器對直流側電壓也有一定限制。因此，通常在系統中加入雙向DC-DC變換器構成雙極變換器拓撲，雖然會造成額外的變換器功率損耗，但是可以更好地匹配車載電池電壓與直流母線電壓、電網電壓，另外，需要采用合適的驅動充電控制策略來動態控制直流母線電壓，提高整個系統效率。

3 驅動充電一體化系統控制策略

電動汽車驅動充電一體化系統具有多功能運行模式，包括驅動模式、制動模式、充電模式和V2G模式，不同的運行模式都需要相應的控制策略進行調控。因此，針對不同運行模式下的一體化系統拓撲結構，研究者們對其控制策略進行了分析研究。

3.1 驅動/制動模式下控制策略

文獻[55]設計了一種基于SRM的驅動充電一體化系統，采用電流滯環控制方法控制系統運行在牽引電池單獨驅動、發電機單獨驅動、牽引電池和發電機共同驅動以及退磁能量回收四種驅動模式，并將直流母線側電容3電壓u3和轉速的關系查找表加入電壓控制閉環中，如圖15所示，根據轉速值選擇電壓給定值控制雙向DC-DC變換器。該驅動控制策略下系統具有較好的高速運行性能，但當電動汽車運行工況復雜多變時，系統驅動模式下無法動態跟蹤負載變化。

圖15 驅動模式下電流滯環控制策略

文獻[56]針對文獻[31]中所設計的驅動充電一體化系統，提出了一種用于驅動模式的電流協調控制策略，能夠顯著降低系統銅損，提高系統效率和動態性能，如圖16所示。控制方案中將最小銅損（Minimum Copper Loss, MCL）法和最大勵磁電流（Maximum Field Current, MFC）法相結合，將參考轉速和反饋轉速之間的誤差值作為判斷條件，當轉速誤差超過設定的閾值時，采用MFC法并將其最大勵磁電流設定為額定值的1.5倍以提高加速時的輸出轉矩性能；當轉速誤差小于閾值時，根據MCL法得到勵磁電流參考值。為了防止動態過程中直流母線電壓波動，將直流母線電壓閉環加入控制環中，最終可以得到q軸電流參考值，實現多目標電流協調控制。該控制方法可以有效降低系統銅損，提高系統承載能力和運行效率，并且在動態加速過程中能夠消除直流母線電壓波動，大大提高系統穩定性。

圖16 驅動模式下電流協調控制策略

圖17 文獻[32]提出的驅動和制動模式下控制框圖

文獻[57]提出了一種用于無刷直流電機驅動充電一體化系統的再生充電控制方案，如圖18所示。針對電動汽車在負載突變情況下控制系統實時跟蹤性能較差的問題，結合模糊控制和滑模控制技術提出了基于Tagaki-Sugeno的模糊滑模控制用于再生充電控制，建立了表征變換器非線性動態性能的線性小信號模型，能夠更好地跟蹤系統中的電壓電流時變信號，提高系統充電效率和系統穩定性。但制動模式下采用恒壓充電方式，充電初期電流較大，對電池壽命影響較大，并且無法實時跟蹤負載功率快速回收直流母線側再生能量。

傳統電動汽車將單一蓄電池用作系統動力來源，當負載側突增大功率需求或者直流母線有大量再生能量集聚時，由于蓄電池功率密度低無法快速匹配負載功率需求，并且大電流充放電也會縮短電池壽命。而超級電容具有高功率密度、循環壽命長等特點，通常與蓄電池結合構成混合電源系統，兼顧高能量密度和高功率密度，還可以延長動力電池使用壽命[58-60]。并且，V2G模式下超級電容還可以及時有效參與電網頻率調節，根據電網負荷變化快速切換，提供瞬時功率。因此，蓄電池-超級電容混合電源系統被廣泛應用于電動汽車中，為了能夠充分發揮儲能元件各自的優勢，使系統性能最優，需要研究合適的功率控制策略用于混合電源系統中儲能元件之間的功率分配[61-63]。

圖18 基于Tagaki-Sugeno的模糊滑模再生充電控制

文獻[64]針對電動汽車電池/超級電容混合儲能系統功率分配問題，提出了一種多目標優化功率控制策略，如圖19所示，以延長電池壽命和減小混合儲能系統功率損耗。利用動態規劃對不同驅動周期數據集進行優化求解，采用神經網絡對動態規劃結果進行訓練，從而實現在線功率最優分配。然而，提出的控制策略仍然依賴已知的駕駛周期和高計算負擔，不確定的復雜變化工況下的實時動態性能有待提高。

圖19 電動汽車混合儲能系統多目標優化功率控制策略

3.2 充電/V2G模式下控制策略

目前，電動汽車驅動充電一體化系統中電機繞組復用于充電拓撲將會引入一些新的問題：①引起電機轉矩和噪聲問題；②電機繞組用于濾波器電感值難以評估。2.6節中介紹的基于多相電機驅動充電一體化拓撲，雖然可以避免充電模式下電機產生轉矩，但部分拓撲充電模式下電機仍會不斷振動，產生噪聲。并且，充電模式下同一轉子位置處各相氣隙長度不同，導致電機各相繞組參數也不同，充電時各相電流不平衡，國內外一些學者從控制策略角度對比進行了研究[65-66]。

文獻[67]針對五相混合勵磁磁通開關電機提出了一種充電模式電流控制方法。為了保證多相電機繞組并聯式一體化系統充電時各相繞組中電流平衡，文獻[67]提出了電流滯環控制和電流矢量控制兩種繞組電流平衡算法，如圖20所示。電流滯環控制方法直接將四相繞組給定電流與實際電流值作差，再經比例諧振控制器后由PWM發生器生成占空比信號。電流矢量控制方法是將實際電流值經坐標變換后與電流給定值作差，經比例諧振控制器后得到靜止兩相電壓矢量，再經坐標變換得到五相電壓矢量通過PWM發生器生成占空比信號。

圖20 基于五相電機的驅動充電一體化系統電流平衡控制方法

文獻[68]針對電動汽車六相驅動充電一體化系統，提出了一種脈寬調制轉子定位方法來確定轉子位置，可以實現電機零轉矩充電。此方法同樣需要在電動汽車充電之前根據提出的位置法將轉子旋轉到轉矩消除位置，當充電開始后，電機轉矩在0附近仍有微小波動。并且，為了實現充電過程電氣隔離，需要額外的隔離變壓器。

圖21 基于雙模塊三相電機驅動充電一體化系統電流控制策略

圖21b為接三相電網時系統驅動充電切換拓撲，當電機工作在驅動模式時，K1繼電器閉合，K2繼電器斷開；當電機工作在充電模式時，K1繼電器斷開，K2繼電器閉合。當電機接三相電并網時，兩套繞組的電流矢量1、2幅值相等，旋轉方向相反，電機的永磁轉矩和磁阻轉矩相互抵消。三相并網控制過程中需要確定充電功率，經鎖相環、電流環，最后經空間矢量調制得到變換器驅動信號。因此，三相并網情況下可以實現電機零轉矩控制。

然而，上述一體化系統在每次充電前都需要對轉子進行定位，以確保d軸位置與一相繞組對齊；提出的驅動充電一體化拓撲切換時需要經繼電器切換，較為復雜，并且電路中缺少電氣隔離裝置，系統安全性能較低。

文獻[70]提出了基于零轉矩充電運行的統一判據，對等效濾波器電感進行了分析，為不同類型的電動汽車提供了通用的設計方案。針對豐田普銳斯汽車一體化系統，驗證了統一判據與提出的高性能控制策略的可行性。充電模式下控制框圖由電壓外環、電流內環、相電流均衡補償以及交錯脈寬調制構成，如圖22所示。采用陷波濾波器濾除直流母線電壓外環中較大的紋波分量；采用比例諧振控制器實現高功率因數；通過交錯脈寬調制提高等效開關頻率，降低輸入電流開關紋波；經相電流均衡補償以保證相電流平衡。

圖22 文獻[70]提出的零轉矩充電運行控制策略

3.3 不同運行模式下控制策略對比

本節針對電動汽車不同運行模式下提出的相關控制策略進行了對比分析，見表2。通過對驅動充電一體化系統控制策略相關文獻進行綜述，對一體化系統不同運行模式控制過程中仍待解決的核心問題總結如下：

（1）驅動/制動運行模式下需要考慮采用優化控制策略實現電機高輸出轉矩和高功率密度，提高系統的功率輸出能力。考慮采用雙極式拓撲結構并對其中的雙向DC-DC變換器進行控制，快速跟蹤負載功率，優化電池放電過程，減少電流紋波和直流母線波動，并能夠實現能量回收再利用，提高系統能量利用率。

表2 不同運行模式下控制策略對比

（2）現有文獻在充電/V2G模式下相關控制策略主要針對零轉矩與充電各相電流平衡控制，需要尋求相關優化控制策略以提高充電效率，改善電源系統充電性能，能夠在快速充電的同時減小電池損耗，并且可以根據電網需求，實現任意功率因數運行，輔助電網進行電能質量調節。

4 驅動充電一體化系統研究展望

電動汽車驅動充電一體化系統將傳統驅動系統中變換器和電機繞組等部件在充電系統中重新使用，可以節省成本，減輕汽車體積與質量，是提高電動汽車功率密度的主要趨勢之一。目前，電動汽車驅動充電一體化系統作為一項前瞻性的創新技術，仍有許多關鍵問題亟待解決。未來，電動汽車驅動充電一體化系統依舊是一大研究熱點，本文對其后續的研究與發展方向展望如下：

（1）由于電動汽車驅動系統和充電系統在使用周期上是獨立的，并且驅動系統通常是針對高功率設計的，復用于充電系統可以增加充電功率。為了滿足便攜性及經濟性的要求，需盡量減少附件元器件與部件的數量，降低系統制造成本。同時，一體化拓撲結構應盡可能簡單，避免系統中機械開關失靈造成的設備故障及損耗問題，以提高系統可靠性。

（2）傳統充電系統采用單級式拓撲，結構簡單，但需要并聯大電容在AC-DC變換器直流側，對保護電路要求較高。為了更好地處理車載電池與直流母線電壓匹配問題，需要構建雙級式拓撲，第一級為AC-DC變換器負責整流和功率因數校正，第二級為DC-DC變換器負責電壓匹配。因此，挖掘新的電機結構用于驅動充電一體化系統中，設計文獻[31]中具有兩套獨立繞組的雙凸極電磁電機或者混合勵磁電機等，將成為一個持續發展的研究方向。

（3）為了實現電動汽車安全、可靠充電運行，往往需要在車載電源與交流電網之間加入電氣隔離，加入額外的設備如隔離式DC-DC變換器或隔離變壓器均會帶來系統體積成本增加的問題，通過設計特殊電機結構并將電機繞組進行重構成為旋轉變壓器同樣可以實現充電系統中電氣隔離，但充電模式下系統的可靠性與電氣隔離部分的能量轉換效率及損耗問題，都將是一體化系統未來的研究熱點。

（4）電動汽車一體化系統充電過程中流經電機繞組的電流會產生電磁轉矩，因此，充電模式下需要將電機轉子機械固定，使其停轉，而磁場在帶有凸極性的轉子磁導作用下易產生感生電壓畸變，會帶來嚴重的振動噪聲問題，同時渦流損耗和磁滯損耗也會增大，引發磁鋼發熱問題。目前，大多數學者針對一體化系統充電模式下零轉矩控制進行研究，同時對充電模式下電機繞組電感值不等問題進行電流均衡控制；另外，采用特殊電機結構在充電模式下，將電機繞組復用于起電氣隔離作用的旋轉變壓器時，通過保證電機轉子與兩套繞組電氣量同步，即始終保持同步旋轉，也可以減少電機振動噪聲。上述兩種一體化系統拓撲設計與控制研究也是未來發展的一個研究熱點。

（5）目前，對電動汽車驅動充電一體化系統的研究大多停留在拓撲結構改進，以及驅動模式下電機性能、充電/V2G模式下零轉矩控制和單位功率因數控制等相關控制策略的設計等方面。而對電動汽車制動模式下一體化系統進行能量回收再利用的相關研究較少。此外，由于電動汽車運行工況復雜多變，系統運行模式隨機切換，研究其在一個運行周期內的系統運行效率也是一種研究方向。電動汽車電動和驅動模式下，對負載能量進行實時跟蹤、儲能元件能量檢測以及采用混合能源系統進行能量動態分配研究，實現系統能量利用效率提升；充電和V2G模式下，根據混合能源系統充放電效率進行控制優化，輔助電網進行電能質量調節，但需要注意的問題是，在實現充電/V2G模式下效率最優控制的同時還需保證驅動模式下電機性能。另外，還可通過設計多目標能量效率優化控制策略，以電動汽車多種運行模式下系統運行效率為優化目標，從而實現一個完整運行周期內的電源系統能量利用效率最優。

5 結論

為了解決傳統車載充電系統質量體積大、充電容量受限等問題，有關研究提出了“驅動充電一體化”拓撲結構，通過將驅動系統中部分器件復用于充電系統中，并采取相應控制策略實現驅動充電一體化，以實現電動汽車中功率變換系統輕量化和高度集成化。本文在已有研究的基礎上，根據電動汽車不同應用場合，對近年來各文獻提出的各類驅動充電一體化系統進行分類梳理，詳細闡述了各類型一體化系統的拓撲結構及優缺點。然后，對目前驅動充電一體化系統中存在的問題進行歸納總結，并針對這些問題對電動汽車不同運行模式下的控制策略進行了綜述。最后，展望了電動汽車驅動充電一體化系統可能的研究方向，為后續進一步研究一體化系統提供了借鑒。

隨著電動汽車技術的不斷發展，驅動充電一體化系統設計已成為必然趨勢，未來的研究工作中，在充分考慮器件高效復用功能的同時，考慮整個系統能量利用效率的綜合優化設計也將成為該研究領域進一步突破與發展的關鍵。

[1] Su Yiyan, Liang Deliang, Kou Peng. MPC-based torque distribution for planar motion of four-wheel independently driven electric vehicles: considering motor models and iron losses[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2023, 7(1): 45-53.

[2] 姚一鳴, 趙溶生, 李春燕, 等. 面向電力系統靈活性的電動汽車控制策略[J]. 電工技術學報, 2022, 37(11): 2813-2824.

Yao Yiming, Zhao Rongsheng, Li Chunyan, et al. Control strategy of electric vehicles oriented to power system flexibility[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2022, 37(11): 2813-2824.

[3] Yu Zhiyue, Gan Chun, Ni Kai, et al. Dual-electric- port bidirectional flux-modulated switched reluctance machine drive with multiple charging functions for electric vehicle applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(5): 5818-5831.

[4] Gao Jialou, Sun Wei, Jiang Dong, et al. Improved operation and control of single-phase integrated on- board charger system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(4): 4752-4765.

[5] Raherimihaja H J, Zhang Qianfan, Xu Guoqiang, et al. Integration of battery charging process for EVs into segmented three-phase motor drive with V2G-mode capability[J]. IEEE Transactions on Industrial Elec- tronics, 2021, 68(4): 2834-2844.

[6] 佟明昊, 程明, 許芷源, 等. 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[J]. 電工技術學報, 2021, 36(24): 5125-5142.

Tong Minghao, Cheng Ming, Xu Zhiyuan, et al. Key issues and solutions of integrated on-board chargers for electric vehicles[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2021, 36(24): 5125-5142.

[7] Tong Minghao, Cheng Ming, Wang Sasa, et al. An on-board two-stage integrated fast battery charger for EVs based on a five-phase hybrid-excitation flux- switching machine[J]. IEEE Transactions on Indu- strial Electronics, 2021, 68(2): 1780-1790.

[8] 劉瑩, 王輝, 漆文龍. 電動汽車驅動系統與蓄電池充電一體化混合拓撲研究綜述[J]. 電力自動化設備, 2013, 33(10): 143-149, 156.

Liu Ying, Wang Hui, Qi Wenlong. Summary of integrated topology of EV traction system and battery charging system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33(10): 143-149, 156.

[9] Mukundan S, Dhulipati H, Lai Chunyan, et al. Design and optimization of traction IPMSM with asymmet- rical damper bars for integrated charging capability using evolutionary algorithm[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2018, 33(4): 2060-2069.

[10] Li Xianglin, Shen Fawen, Yu Shiyang, et al. Flux- regulation principle and performance analysis of a novel axial partitioned stator hybrid-excitation flux- switching machine using parallel magnetic circuit[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(8): 6560-6573.

[11] Thimmesch D. An SCR inverter with an integral battery charger for electric vehicles[J]. IEEE Transa- ctions on Industry Applications, 1985, IA-21(4): 1023-1029.

[12] Ripple W E. Integrated traction inverter and battery charger apparatus: U.S. Patent 4920475[P]. 1990- 04-24.

[13] Bruyère A, De Sousa L, Bouchez B, et al. A multiphase traction/fast-battery-charger drive for electric or plug-in hybrid vehicles: solutions for control in traction mode[C]//2010 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Lille, France, 2011: 1-7.

[14] Glanzer G, Sivaraman T, Buffalo J I, et al. Cost- efficient integration of electric vehicles with the power grid by means of smart charging strategies and integrated on-board chargers[C]//2011 10th Inter- national Conference on Environment and Electrical Engineering, Rome, Italy, 2011: 1-4.

[15] Woo D G, Choe G Y, Kim J S, et al. Comparison of integrated battery chargers for plug-in hybrid electric vehicles: Topology and control[C]//2011 IEEE Inter- national Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), Niagara Falls, ON, Canada, 2011: 1294- 1299.

[16] Dusmez S, Khaligh A. A novel low cost integrated on-board charger topology for electric vehicles and plug-in hybrid electric vehicles[C]//2012 Twenty- Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Orlando, FL, USA, 2012: 2611-2616.

[17] Zhao Shuang, Haghbin S, Wallmark O, et al. Transient modeling of an integrated charger for a plug-in hybrid electric vehicle[C]//Proceedings of the 2011 14th European Conference on Power Electronics and Applications, Birmingham, UK, 2011: 1-10.

[18] Haghbin S, Lundmark S, Alakula M, et al. Grid- connected integrated battery chargers in vehicle applications: review and new solution[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(2): 459-473.

[19] Lu Xiaomin, Iyer K L V, Mukherjee K, et al. Investigation of integrated charging and discharging incorporating interior permanent magnet machine with damper bars for electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2016, 31(1): 260-269.

[20] 魏維, 王洪軍, 周偉. 電動汽車及其集成控制系統: CN103182951A[P]. 2015-11-25.

[21] 孫鶴旭, 張厚升. 電動汽車驅動一體化系統牽引模式下逆變器的開路容錯控制策略[J]. 電測與儀表, 2016, 53(17): 34-38, 43.

Sun Hexu, Zhang Housheng. A novel tolerant control strategy for the inverter of the EV integrated traction system[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2016, 53(17): 34-38, 43.

[22] 李春杰, 黃文新, 卜飛飛, 等. 電動汽車充電與驅動集成化拓撲[J]. 電工技術學報, 2017, 32(12): 138-145.

Li Chunjie, Huang Wenxin, Bu Feifei, et al. The integrated topology of charging and drive for electric vehicles[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(12): 138-145.

[23] Abdel-Majeed M S, Eldeeb H M, Metwly M Y, et al. Postfault operation of onboard integrated battery charger via a nine-phase EV-drive train[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(7): 5626-5637.

[24] Yu Feng, Zhang Wei, Shen Yanchi, et al. A nine- phase permanent magnet electric-drive-reconstructed onboard charger for electric vehicle[J]. IEEE Transa- ctions on Energy Conversion, 2018, 33(4): 2091- 2101.

[25] Vidya V, Kaarthik R S. Modeling and control of an integrated battery charger with split-phase machine[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, 57(2): 1588-1597.

[26] Zhang Qianfan, Raherimihaja H J, Xu Guoqiang, et al. Design and performance analysis of segmented three-phase IPMSM for EVs integrated battery charger[J]. IEEE Transactions on Industrial Elec- tronics, 2021, 68(10): 9114-9124.

[27] Semsar S, Soong T, Lehn P W. On-board single-phase integrated electric vehicle charger with V2G fun- ctionality[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(11): 12072-12084.

[28] Yang Zhi, Shang Fei, Brown I P, et al. Comparative study of interior permanent magnet, induction, and switched reluctance motor drives for EV and HEV applications[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2015, 1(3): 245-254.

[29] 閆文舉, 陳昊, 劉永強, 等. 一種用于電動汽車磁場解耦型雙定子開關磁阻電機的新型功率變換器[J]. 電工技術學報, 2021, 36(24): 5081-5091.

Yan Wenju, Chen Hao, Liu Yongqiang, et al. A novel power converter on magnetic field decoupling double stator switched reluctance machine for electric vehicles[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(24): 5081-5091.

[30] 張飛龍, 王曉琳, 顧聰, 等. 基于電機定子繞組開路的電機驅動和充放電集成系統研究[J]. 電工技術學報, 2019, 34(18): 3778-3787.

Zhang Feilong, Wang Xiaolin, Gu Cong, et al. Research on integrated system of motor drive and charging/discharging based on open motor stator winding[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(18): 3778-3787.

[31] Wei Jiadan, Chen Jinchun, Liu Peng, et al. The optimized triloop control strategy of integrated motor- drive and battery-charging system based on the split- field-winding doubly salient electromagnetic machine in driving mode[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(2): 1769-1779.

[32] Hu Yihua, Gan Chun, Cao Wenping, et al. Split converter-fed SRM drive for flexible charging in EV/HEV applications[J]. IEEE Transactions on Indu- strial Electronics, 2015, 62(10): 6085-6095.

[33] Herrera D, Villegas J, Galván E, et al. Synchronous reluctance six-phase motor proved based EV power- train as charger/discharger with redundant topology and ORS control[J]. IET Electric Power Applications, 2019, 13(11): 1857-1870.

[34] Credo A, Villani M, Fabri G, et al. Adoption of the synchronous reluctance motor in electric vehicles: a focus on the flux weakening capability[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2022, 9(1): 805-818.

[35] Shi Chuan, Tang Yichao, Khaligh A. A single-phase integrated onboard battery charger using propulsion system for plug-in electric vehicles[J]. IEEE Transa- ctions on Vehicular Technology, 2017, 66(12): 10899-10910.

[36] Wang Zheng, Zhang Yue, You Shuai, et al. An integrated power conversion system for electric traction and V2G operation in electric vehicles with a small film capacitor[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(5): 5066-5077.

[37] Shi Chuan, Tang Yichao, Khaligh A. A three-phase integrated onboard charger for plug-In electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(6): 4716-4725.

[38] Gao Jialou, Jiang Dong, Sun Wei, et al. Zero torque three phase integrated on-board charger by multi- elements motor torque cancellation[C]//2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Baltimore, MD, USA, 2019: 563-568.

[39] De Sousa L, Silvestre B, Bouchez B. A combined multiphase electric drive and fast battery charger for Electric Vehicles[C]//2010 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Lille, France, 2011: 1-6.

[40] Subotic I, Bodo N, Levi E. Integration of six-phase EV drivetrains into battery charging process with direct grid connection[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2017, 32(3): 1012-1022.

[41] Abdel-Khalik A S, Massoud A, Ahmed S. Interior permanent magnet motor-based isolated on-board integrated battery charger for electric vehicles[J]. IET Electric Power Applications, 2018, 12(1): 124-134.

[42] Cheng He, Wang Wuhui, Liu Hailong, et al. Integrated multifunctional power converter for small electric vehicles[J]. Journal of Power Electronics, 2021, 21(11): 1633-1645.

[43] Chiang G T, Shuji T, Takahide S, et al. Coupled magnetic-based integrated isolated onboard battery charger and boost motor drive unit for electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2022, 8(1): 135-148.

[44] Lacressonniere F, Cassoret B. Converter used as a battery charger and a motor speed controller in an industrial truck[C]//2005 European Conference on Power Electronics and Applications, Dresden, Germany, 2006: 1-7

[45] Haghbin S, Lundmark S, Alakula M, et al. An isolated high-power integrated charger in electrified-vehicle applications[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2011, 60(9): 4115-4126.

[46] Haghbin S, Khan K, Zhao Shuang, et al. An integrated 20-kW motor drive and isolated battery charger for plug-in vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(8): 4013-4029.

[47] 李永恒, 劉陵順. 基于九開關變換器的對稱六相永磁同步電機集成車載驅動系統研究[J]. 電工技術學報, 2019, 34(增刊1): 30-38.

Li Yongheng, Liu Lingshun. The research of integrated vehicle drive system of symmetrical six- phase permanent magnet synchronous motor based on nine-switch converter[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2019, 34(S1): 30-38.

[48] Raherimihaja H J, Zhang Qianfan, Na Tuopu, et al. A three-phase integrated battery charger for EVs based on six-phase open-end winding machine[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(11): 12122-12132.

[49] Diab M S, Elserougi A A, Abdel-Khalik A S, et al. A nine-switch-converter-based integrated motor drive and battery charger system for EVs using symmetrical six-phase machines[J]. IEEE Transactions on Indu- strial Electronics, 2016, 63(9): 5326-5335.

[50] Subotic I, Bodo N, Levi E. An EV drive-train with integrated fast charging capability[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2015, 31(2): 1461-1471.

[51] Subotic I, Bodo N, Levi E. Single-phase on-board integrated battery chargers for EVs based on multi- phase machines[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 31(9): 6511-6523.

[52] Subotic I, Bodo N, Levi E. Integration of six-phase EV drivetrains into battery charging process with direct grid connection[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2017, 32(3): 1012-1022.

[53] Wang Sitan, Lehn P W. A three-phase electric vehicle charger integrated with dual-inverter drive[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2022, 8(1): 82-97.

[54] Cheng He, Zhang Dongbin, Liao Shuo, et al. Inte- grated drive converter of SDS-SRM with isolation and nonisolation charging capabilities for electric vehicle[J]. IEEE Transactions on Industrial Electro- nics, 2022, 69(9): 8679-8691.

[55] Cheng He, Wang Zelu, Yang Shiyang, et al. An integrated SRM powertrain topology for plug-In hybrid electric vehicles with multiple driving and onboard charging capabilities[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2020, 6(2): 578- 591.

[56] Chen Jinchun, Wei Jiadan, Zhai Xiangyu, et al. The currents coordinative control strategy for integrated motor-drive and battery-charging system based on the split-field-winding DSEM in driving mode[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2023, 70(5): 4505-4515.

[57] Zhang Xizheng, Wang Yaonan, Liu Guorong, et al. Robust regenerative charging control based on T-S fuzzy sliding-mode approach for advanced electric vehicle[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2016, 2(1): 52-65.

[58] 宋清超, 陳家偉, 蔡坤城, 等. 多電飛機用燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統的高可靠動態功率分配技術[J]. 電工技術學報, 2022, 37(2): 445- 458.

Song Qingchao, Chen Jiawei, Cai Kuncheng, et al. A highly reliable power allocation technology for the fuel cell-battery-supercapacitor hybrid power supply system of a more electric aircraft[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(2): 445-458.

[59] 袁佳歆, 曲鍇, 鄭先鋒, 等. 高速鐵路混合儲能系統容量優化研究[J]. 電工技術學報, 2021, 36(19): 4161-4169, 4182.

Yuan Jiaxin, Qu Kai, Zheng Xianfeng, et al. Optimizing research on hybrid energy storage system of high speed railway[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(19): 4161-4169, 4182.

[60] 鄧文麗, 戴朝華, 韓春白雪, 等. 計及再生制動能量回收和電能質量改善的鐵路背靠背混合儲能系統及其控制方法[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(10): 2914-2924.

Deng Wenli, Dai Chaohua, Han Chunbaixue, et al. Back-to-back hybrid energy storage system of electric railway and its control method considering regen- erative braking energy recovery and power quality improvement[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(10): 2914-2924.

[61] Shen Di, Lim C C, Shi Peng. Fuzzy model based control for energy management and optimization in fuel cell vehicles[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2020, 69(12): 14674-14688.

[62] 耿安琪, 胡海濤, 張育維, 等. 基于階梯能量管理的電氣化鐵路混合儲能系統控制策略[J]. 電工技術學報, 2021, 36(23): 4916-4925.

Geng Anqi, Hu Haitao, Zhang Yuwei, et al. Control strategy of hybrid energy storage system for elec- trified railway based on increment energy mana- gement[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(23): 4916-4925.

[63] 周美蘭, 馮繼峰, 張宇, 等. 純電動客車復合儲能系統功率分配控制策略研究[J]. 電工技術學報, 2019, 34(23): 5001-5013.

Zhou Meilan, Feng Jifeng, Zhang Yu, et al. Research on power allocation control strategy for compound electric energy storage system of pure electric bus[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(23): 5001-5013.

[64] Shen Junyi, Khaligh A. A supervisory energy mana- gement control strategy in a battery/ultracapacitor hybrid energy storage system[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2015, 1(3): 223- 231.

[65] Pando-Acedo J, Milanés-Montero M I, Romero- Cadaval E, et al. Improved three-phase integrated charger converter connected to single-phase grid with torque cancellation[J]. IEEE Access, 2021, 9: 108266- 108275.

[66] Ali S Q, Mascarella D, Joos G, et al. Torque cancelation of integrated battery charger based on six-phase permanent magnet synchronous motor drives for electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2018, 4(2): 344-354.

[67] Tong Minghao, Cheng Ming, Hua Wei, et al. A single-phase on-board two-stage integrated battery charger for EVs based on a five-phase hybrid- excitation flux-switching machine[J]. IEEE Transa- ctions on Vehicular Technology, 2020, 69(4): 3793- 3804.

[68] Xiao Yang, Liu Chunhua, Yu Feng. An effective charging-torque elimination method for six-phase integrated on-board EV chargers[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2020, 35(3): 2776-2786.

[69] 蔣棟, 高加樓, 李柏楊, 等. 電動汽車電機驅動系統零轉矩充電復用技術簡介[J]. 電工技術學報, 2022, 37(19): 4862-4871.

Jiang Dong, Gao Jialou, Li Boyang, et al. Introduction of integrated motor drive-charger technologies for electric vehicle with zero torque[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(19): 4862- 4871.

[70] He Shaomin, Xu Zhiwei, Chen Min, et al. General derivation law with torque-free achieving of integral on-board charger on compact powertrains[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(2): 1791-1802.

A Review of Drive-Charging Integrated Systems and Control Strategies for Electric Vehicles

（School of Electrical Engineering Shandong University Jinan 250061 China）

As a clean energy transportation, electric vehicles have attracted more and more attention due to their mature technology and low cost. However, the ability to charge the on-board power supply easily and efficiently has become a key factor limiting the industrialization of electric vehicles. Currently, AC slow- charging on-board charging system is considered as an effective solution to alleviate the charging problem of electric vehicles.

The on-board charging system can make electric vehicles less dependent on charging posts and more convenient to charge. However, traditional drive and charging systems operate independently, which undoubtedly causes an increase in the size and weight of electric vehicles and limits the charging capacity. Therefore, the drive-charging integrated topology has been proposed to improve the utilization of on-board devices and effectively reduce costs.

At present, the proposed drive-charging integrated systems vary in terms of their on-board charging system performance. Based on the existing studies, the drive-charging integrated topologies proposed in literatures have been sorted out, classified, and summarized according to different applications. It can be found that voltage matching, fast energy matching, electrical isolation, and rotor vibration noise in charging mode are still the key technical issues that need to be solved. The control strategies used to optimize the system performance in different operation modes are reviewed.

The research on drive-charging integrated systems is one of the main trends to increase the power density of electric vehicles. There are still many problems. As a major research hotspot in the future, the following aspects related to the drive-charging integrated system should be considered:

(1) Minimizing the number of accessory components and simplifying the topology are essential for achieving portability and cost-effectiveness, thereby reducing manufacturing costs and enhancing system reliability by mitigating equipment failures and losses caused by switching devices.

(2) To better deal with the problem of matching the voltage between the on-board battery and the DC bus, a two-stage topology needs to be constructed. Tapping into new motor structure designs with two independent windings will be a continuous development research direction.

(3) In-depth studies are required to improve the system reliability in charging mode and to address issues of energy conversion efficiency and losses in the electrical isolation section.

(4) The current flowing through the motor winding during the charging mode can produce electromagnetic torque. The motor winding multiplexed as a charging inductor using current equalization control and multiplexed as a resolver to reduce motor vibration noise will be a hot spot for future research.

(5) For motoring and braking modes, the studies on real-time tracking of load energy, energy detection of energy storage elements, and dynamic energy distribution of hybrid power systems are conducted to improve energy utilization efficiency. In the charging and V2G modes, control optimization based on the charging and discharging efficiency of the hybrid power system and auxiliary power quality regulation of the grid are required. In addition, adopting a multi-objective optimal control strategy to achieve optimal energy utilization efficiency of the power system in a complete operating cycle will become a major focus in integrated system research.

Drive-charging system, integrated topology, electric vehicles, control strategy

王曉姬 女，1996年生，博士研究生，研究方向為電動汽車驅動充電一體化系統。E-mail: wangxiaoji@mail.sdu.edu.cn

王道涵 男，1980年生，教授，博士生導師，研究方向為新能源汽車驅動系統設計與控制。E-mail: dhwang@sdu.edu.cn（通信作者）

TM351

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230583

國家自然科學基金項目（51977125）和深圳市科技計劃項目（JCYJ20210324141409023, JCYJ20220530141007017）資助。

2023-05-01

2023-05-19

（編輯 崔文靜）