东南大学佟明昊、程明 等：电动汽车用车载集成式充电系统若干关键技术问题及解决方案

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集成式车载充电系统通过对驱动电机绕组和逆变器进行分时复用与合理重构，可在不增加额外器件的情况下，实现便捷快速的车载充电，近年来引起了学界和产业界的持续关注。

本文首先分析了集成式充电系统中亟待解决的若干关键技术问题；其次以问题为导向，对现有各类集成式充电系统进行总结和梳理，综述现有拓扑和控制方法对以上问题的解决方案；然后基于混合励磁型电机的特殊结构特点，分析基于该类型电机构造的集成式充电系统所具备的优势；最后总结全文并对该类系统的发展方向进行展望。

团队介绍

程明

博士，东南大学首席教授、博士生导师，IEEE Fellow, IET Fellow。现任东南大学风力发电研究中心主任、东南大学先进电机与电力电子集成系统研究所所长、江苏省新能源汽车电机及驱动系统工程实验室主任。主持承担国家自然科学基金重大项目、国家973计划课题、国家863计划项目等课题60余项，发表论文500余篇（SCI收录250余篇）；获授权中国发明专利150余件、PCT专利15件。获国家技术发明二等奖、教育部自然科学一等奖、江苏省科学技术一等奖、中国机械工业科学技术一等奖等荣誉称号，被聘为IEEE IAS杰出讲座学者（2015/2016）；享受国务院政府特殊津贴。

佟明昊

博士，讲师。2020年12月于东南大学电气工程学院获工学博士学位，现就职于南京理工大学火炮工程系。研究方向为集成式电机驱动与车载充电系统、多相电机驱动控制、火炮武器弹药自动装填系统等。曾参与国家自然科学基金重点项目、科技部973计划重点基础研究计划，现参与军委科技委基础加强重点项目等，发表SCI、EI论文5篇，曾获2016年度江苏省优秀硕士学位论文。

江苏省电机与电力电子联盟（JEMPEL）是由IEEE Fellow、东南大学首席教授程明领衔，东南大学电气工程学院14名专任教师为核心，多名杰青、长江、千人等专家为支撑，150余名博士后和博士、硕士研究生为骨干的科研团队，研究领域涵盖电机与电力电子及其在新能源发电、电动汽车、轨道交通、伺服系统等领域的应用。

研究背景

目前，“里程焦虑”仍是困扰消费者购置电动汽车的主要瓶颈。因此，研发便捷、快速、低成本的电动汽车充电机，具有重要的现实意义。近十年，一种集成式车载充电系统引起了学界和产业界的持续关注，如图1所示，其一般原理为：停车时，将电动汽车中的电机驱动系统重构为充电机，即电机绕组作为电网侧线电感使用，驱动逆变器作为全控型整流器或直流变换器使用，完成电能转换并给车辆动力电池充电，从而对驱动电机和功率器件进行分时复用，仅需少量增加或不增加额外功率器件即可实现快速车载充电，在成本、质量和体积方面具备明显优势。

图1 集成式车载充电系统

论文方法及创新点

本文详细分析了集成式充电系统在拓扑结构和控制方法两方面存在的多个关键技术问题，以问题为导向，综述现有各类集成式车载充电系统对以上问题的解决方案。之后，提出了一种基于混合励磁型电机的集成式充电系统，并以一台五相混合励磁型磁通切换电机为例，阐述该系统的特点与优势。最后，总结全文，并对集成式车载充电系统的后续发展进行展望。

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集成式车载充电系统综述

图2 集成式车载充电系统典型拓扑

单相和三相集成式车载充电系统的典型拓扑结构如图2所示，我们可以从中提炼出集成式车载充电系统亟待解决的一些共性问题及其现有的解决方案，即：

(1)单相集成式系统中增加额外功率器件问题

如图2(a)所示结构中额外增加的整流器；在构造集成式车载充电系统过程中，增加额外功率器件的问题主要发生在单相集成式充电机中。

针对问题，目前主要通过打开电机绕组连接和利用双电机驱动系统两种方式来解决。这两种解决方案，其本质思路都是通过一定的方法，令网侧电源可以接入全桥整流器，从而实现电能的交直流转换，而不需要增加额外的不可控整流器。

(2)三相集成式系统中，充电时产生启动转矩的问题

如图2(b)所示的三相充电拓扑，当三相对称交流电源通入驱动电机的三相对称绕组时，必然会在电机气隙中产生旋转磁场，即会在电机转子上产生一个持续的切向转矩，导致电机转动或振动，并产生噪声，这是集成式系统在充电模式下必须要避免的情况。

集成式系统在充电过程中产生起动转矩，主要发生在三相集成式充电机中。目前，解决该问题的本质目标和思路都是对充电时的气隙磁场进行控制，保证充电时网侧三相对称电流流入电机绕组后，在气隙中不产生旋转磁场。主要包括重构裂相电机绕组、使用开绕组电机、使用多相电机、以及充电期间保持电机旋转等几种解决方案。

(3)电网电压与车载电池组电压的电压匹配问题

图2所示集成式系统结构存在一个共同问题，即图2(a)所示结构中的DC/DC变换器和图2(b)所示结构中的AC/DC变换器均基于升压原理，因此，若车载电池组的电压小于一个特定值，则变换器将无法输出满足电池充电要求的工作电压。

目前，已有多种解决该问题的方案，主要包括基于四轮独立电驱系统构建集成式充电机、增加额外端口构建Buck-Boost变换器、以及将电驱系统重构为两级变换器等方案，其本质均为将充电过程分解为两个功率级完成。一般而言，第一级完成电能的交直流转换，第二级则完成充电电压的匹配。

(4)充电时产生脉振转矩的问题

在如图2(a)所示的单相集成式车载充电系统和一些基于多相电机的三相集成式系统中，尽管在充电模式下转子上不会产生启动转矩，但仍会存在工频脉振转矩，导致电机在充电过程中振动并产生噪声，这也是集成式系统需要解决的问题。

研究发现，单相集成式充电系统在充电模式下产生的脉振转矩与转子位置之间存在对应关系，即脉振转矩的幅值大小随转子位置的变化而变化，且存在特定的转子位置，其脉振转矩的理论值为零，基于这一原理，可以在充电操作前，通过控制电机，将转子位置定位至零脉振转矩位置，从而实现充电时脉振转矩的消除。

(5)电机相绕组电流平衡的问题

对于图2(a)所示的单相集成式充电系统或其他一些基于多相电机的三相集成式充电系统中，经常会出现网侧线电感由电机多个相绕组并联而成的场景。而由于在同一转子位置下，电机各相绕组的阻感参数并不一致，如果逆变器各桥臂仅单纯地共用相同驱动信号，会导致各相绕组中流过不平衡电流，从而在转子上产生不受控的转矩。

实际上，实现各相绕组的电流平衡，其控制算法的关键在于要对每个绕组的驱动器桥臂进行独立控制，不同的相电流给定方式也就决定了其电流平衡算法的区别。基于以上原理，本文给出了两种电流平衡算法（基于五相电机的单相集成式充电系统），一种在自然坐标系下、一种在静止两相坐标系下给出给定电流。

(6)不增加额外电压传感器实现PFC运行的问题

对于集成式车载充电系统而言，为了实现网侧整流器的PFC控制，通常需要采集网侧三相电压来利用PLL跟踪电网相位。由于该类系统的大部分硬件电路及传感器都继承于车内电机驱动系统，并没有多余的电压传感器用来检测电网电压。因此，如何利用车内已有资源，在不增加额外传感器的前提下实现PFC运行，也是该类系统需要解决的问题。

该问题可通过一种基于二阶广义积分器（Second- Order Generalized Integrator, SOGI）的PFC控制方法来解决。SOGI被广泛应用于单相PLL电路中，其主要功能为依据输入正余弦信号产生两个相互正交的正余弦信号且同相位，配合相应控制方法，集成式充电机即可在不增加或仅增加一个电压传感器的情况下实现系统的PFC控制。

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基于多相混合励磁电机的集成充电系统

基于前文综述和梳理，可以发现，目前已有的集成式车载充电系统解决方案中，鲜有可以同时解决多个关键技术问题的方案。因此，本文基于多相混合励磁型电机，提出了一种可以同时解决集成式系统多个关键技术问题的解决方案，以一台五相混合励磁型磁通切换电机为例，其拓扑结构如图3所示。

图3 基于五相混合励磁型磁通切换电机的集成式车载充电系统

在该系统中，电机电枢绕组及其逆变器桥臂被重构为第一级全桥整流变换器，而电机励磁绕组和逆变器桥臂则组成了母线与电池之间的第二级DC-DC变换器。两级变换器之间在控制上相互独立，而无源器件（即电机电枢和励磁绕组）在磁场上又相互耦合。

该系统具备如下特点：充电模式下无起动转矩；两级功率级可实现电压匹配；两级功率级可独立优化；弱磁电流可进一步减小充电脉振转矩。

该系统更改励磁绕组连接方式前后的单相充电实验波形如图4所示。

图4 更改励磁绕组连接方式前后单相充电实验波形

结论与展望

本文对近年出现的各类集成式充电系统进行梳理和总结，力图较为清晰地展现出该领域的研究现状，进而，以一台五相HEFS电机为例，阐述了多相混合励磁型电机在该领域的应用优势和前景，并得到如下结论：

1）在车载集成式充电系统中，可以通过改变拓扑结构来解决的问题主要包括增加额外功率器件的问题、充电模式下产生起动转矩的问题、充电隔离的问题以及电压匹配的问题。其中，起动转矩和电压匹配两个问题较为关键，直接关系到系统能否正常工作。

2）对于起动转矩问题，主要依赖于电机绕组连接方式的重构，基本思路均为令电机的气隙磁场轨迹为零或一条直线。与重新拆分三相电机绕组相比，直接使用多相电机来构建集成式充电机是一种更好的选择。

3）对于电压匹配问题，本质上都需要构建两级变换器，第一级负责整流和PFC操作，第二级则负责电压整定和匹配工作。对此，具备两套独立绕组的混合励磁电机无疑更具优势。

4）在控制方法方面，可以解决的问题主要包括充电时脉振转矩、绕组电流不平衡以及尽量少增加传感器而实现PFC运行的问题。

5）多相混合励磁型电机因其特殊的结构特点，所构成的车载集成式充电系统，在不增加额外器件的情况下可同时解决起动转矩、电压匹配、转矩脉动等问题，优势明显。

随着电动汽车在全球范围内快速发展，其充电方式也必然呈现多样化，但便捷、快速和低成本仍将是基本需求和原则，而满足以上特点的车载集成式充电系统也将继续成为研究热点，其后续的发展和研究方向可以展望为：1）基于新型电机驱动系统（包含新型电机和新型逆变器拓扑两方面）的集成式车载充电系统拓扑设计；2）基于新型电动汽车驱动模式（如多电机驱动、四轮独立分布式驱动等）的集成式充电系统设计；3）考虑整个系统驱动模式下电机性能和充电模式下充电效能的综合优化设计。

引用本文

佟明昊, 程明, 许芷源, 文宏辉, 花为, 朱孝勇. 电动汽车用车载集成式充电系统若干关键技术问题及解决方案[J]. 电工技术学报, 2021, 36(24): 5125-5142. Tong Minghao, Cheng Ming, Xu Zhiyuan, Wen Honghui, Hua Wei, Zhu Xiaoyong. Key Issues and Solutions of Integrated on-Board Chargers for Electric Vehicles. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(24): 5125-5142.

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

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