團隊介紹

程明

博士，東南大學首席教授、博士生導師，IEEE Fellow, IET Fellow。現(xiàn)任東南大學風力發(fā)電研究中心主任、東南大學先進電機與電力電子集成系統(tǒng)研究所所長、江蘇省新能源汽車電機及驅(qū)動系統(tǒng)工程實驗室主任。主持承擔國家自然科學基金重大項目、國家973計劃課題、國家863計劃項目等課題60余項，發(fā)表論文500余篇（SCI收錄250余篇）；獲授權(quán)中國發(fā)明專利150余件、PCT專利15件。獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎、教育部自然科學一等獎、江蘇省科學技術(shù)一等獎、中國機械工業(yè)科學技術(shù)一等獎等榮譽稱號，被聘為IEEE IAS杰出講座學者（2015/2016）；享受國務(wù)院政府特殊津貼。

佟明昊

博士，講師。2020年12月于東南大學電氣工程學院獲工學博士學位，現(xiàn)就職于南京理工大學火炮工程系。研究方向為集成式電機驅(qū)動與車載充電系統(tǒng)、多相電機驅(qū)動控制、火炮武器彈藥自動裝填系統(tǒng)等。曾參與國家自然科學基金重點項目、科技部973計劃重點基礎(chǔ)研究計劃，現(xiàn)參與軍委科技委基礎(chǔ)加強重點項目等，發(fā)表SCI、EI論文5篇，曾獲2016年度江蘇省優(yōu)秀碩士學位論文。

江蘇省電機與電力電子聯(lián)盟（JEMPEL）是由IEEE Fellow、東南大學首席教授程明領(lǐng)銜，東南大學電氣工程學院14名專任教師為核心，多名杰青、長江、千人等專家為支撐，150余名博士后和博士、碩士研究生為骨干的科研團隊，研究領(lǐng)域涵蓋電機與電力電子及其在新能源發(fā)電、電動汽車、軌道交通、伺服系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

研究背景

目前，“里程焦慮”仍是困擾消費者購置電動汽車的主要瓶頸。因此，研發(fā)便捷、快速、低成本的電動汽車充電機，具有重要的現(xiàn)實意義。近十年，一種集成式車載充電系統(tǒng)引起了學界和產(chǎn)業(yè)界的持續(xù)關(guān)注，如圖1所示，其一般原理為：停車時，將電動汽車中的電機驅(qū)動系統(tǒng)重構(gòu)為充電機，即電機繞組作為電網(wǎng)側(cè)線電感使用，驅(qū)動逆變器作為全控型整流器或直流變換器使用，完成電能轉(zhuǎn)換并給車輛動力電池充電，從而對驅(qū)動電機和功率器件進行分時復用，僅需少量增加或不增加額外功率器件即可實現(xiàn)快速車載充電，在成本、質(zhì)量和體積方面具備明顯優(yōu)勢。

圖1 集成式車載充電系統(tǒng)

論文方法及創(chuàng)新點

本文詳細分析了集成式充電系統(tǒng)在拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法兩方面存在的多個關(guān)鍵技術(shù)問題，以問題為導向，綜述現(xiàn)有各類集成式車載充電系統(tǒng)對以上問題的解決方案。之后，提出了一種基于混合勵磁型電機的集成式充電系統(tǒng)，并以一臺五相混合勵磁型磁通切換電機為例，闡述該系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢。最后，總結(jié)全文，并對集成式車載充電系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展進行展望。

1 集成式車載充電系統(tǒng)綜述

圖2 集成式車載充電系統(tǒng)典型拓撲

單相和三相集成式車載充電系統(tǒng)的典型拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，我們可以從中提煉出集成式車載充電系統(tǒng)亟待解決的一些共性問題及其現(xiàn)有的解決方案，即：

(1)單相集成式系統(tǒng)中增加額外功率器件問題

如圖2(a)所示結(jié)構(gòu)中額外增加的整流器；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(qū)動系統(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。

(2)三相集成式系統(tǒng)中，充電時產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩的問題

如圖2(b)所示的三相充電拓撲，當三相對稱交流電源通入驅(qū)動電機的三相對稱繞組時，必然會在電機氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，即會在電機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個持續(xù)的切向轉(zhuǎn)矩，導致電機轉(zhuǎn)動或振動，并產(chǎn)生噪聲，這是集成式系統(tǒng)在充電模式下必須要避免的情況。

集成式系統(tǒng)在充電過程中產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，主要發(fā)生在三相集成式充電機中。目前，解決該問題的本質(zhì)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(wǎng)側(cè)三相對稱電流流入電機繞組后，在氣隙中不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。主要包括重構(gòu)裂相電機繞組、使用開繞組電機、使用多相電機、以及充電期間保持電機旋轉(zhuǎn)等幾種解決方案。

(3)電網(wǎng)電壓與車載電池組電壓的電壓匹配問題

圖2所示的集成式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在一個共同問題，即圖2(a)所示結(jié)構(gòu)中的DC/DC變換器和圖2(b)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一個特定值，則變換器將無法輸出滿足電池充電要求的工作電壓。

目前，已有多種解決該問題的方案，主要包括基于四輪獨立電驅(qū)系統(tǒng)構(gòu)建集成式充電機、增加額外端口構(gòu)建Buck-Boost變換器、以及將電驅(qū)系統(tǒng)重構(gòu)為兩級變換器等方案，其本質(zhì)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(zhuǎn)換，第二級則完成充電電壓的匹配。

(4)充電時產(chǎn)生脈振轉(zhuǎn)矩的問題

在如圖2(a)所示的單相集成式車載充電系統(tǒng)和一些基于多相電機的三相集成式系統(tǒng)中，盡管在充電模式下轉(zhuǎn)子上不會產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩，但仍會存在工頻脈振轉(zhuǎn)矩，導致電機在充電過程中振動并產(chǎn)生噪聲，這也是集成式系統(tǒng)需要解決的問題。

研究發(fā)現(xiàn)，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)子位置之間存在對應(yīng)關(guān)系，即脈振轉(zhuǎn)矩的幅值大小隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，且存在特定的轉(zhuǎn)子位置，其脈振轉(zhuǎn)矩的理論值為零，基于這一原理，可以在充電操作前，通過控制電機，將轉(zhuǎn)子位置定位至零脈振轉(zhuǎn)矩位置，從而實現(xiàn)充電時脈振轉(zhuǎn)矩的消除。

(5)電機相繞組電流平衡的問題

對于圖2(a)所示的單相集成式充電系統(tǒng)或其他一些基于多相電機的三相集成式充電系統(tǒng)中，經(jīng)常會出現(xiàn)網(wǎng)側(cè)線電感由電機多個相繞組并聯(lián)而成的場景。而由于在同一轉(zhuǎn)子位置下，電機各相繞組的阻感參數(shù)并不一致，如果逆變器各橋臂僅單純地共用相同驅(qū)動信號，會導致各相繞組中流過不平衡電流，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生不受控的轉(zhuǎn)矩。

實際上，實現(xiàn)各相繞組的電流平衡，其控制算法的關(guān)鍵在于要對每個繞組的驅(qū)動器橋臂進行獨立控制，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。基于以上原理，本文給出了兩種電流平衡算法（基于五相電機的單相集成式充電系統(tǒng)），一種在自然坐標系下、一種在靜止兩相坐標系下給出給定電流。

(6)不增加額外電壓傳感器實現(xiàn)PFC運行的問題

對于集成式車載充電系統(tǒng)而言，為了實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)整流器的PFC控制，通常需要采集網(wǎng)側(cè)三相電壓來利用PLL跟蹤電網(wǎng)相位。由于該類系統(tǒng)的大部分硬件電路及傳感器都繼承于車內(nèi)電機驅(qū)動系統(tǒng)，并沒有多余的電壓傳感器用來檢測電網(wǎng)電壓。因此，如何利用車內(nèi)已有資源，在不增加額外傳感器的前提下實現(xiàn)PFC運行，也是該類系統(tǒng)需要解決的問題。

該問題可通過一種基于二階廣義積分器（Second- Order Generalized Integrator, SOGI）的PFC控制方法來解決。SOGI被廣泛應(yīng)用于單相PLL電路中，其主要功能為依據(jù)輸入正余弦信號產(chǎn)生兩個相互正交的正余弦信號且同相位，配合相應(yīng)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(xiàn)系統(tǒng)的PFC控制。

2 基于多相混合勵磁電機的集成充電系統(tǒng)

基于前文綜述和梳理，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，鮮有可以同時解決多個關(guān)鍵技術(shù)問題的方案。因此，本文基于多相混合勵磁型電機，提出了一種可以同時解決集成式系統(tǒng)多個關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案，以一臺五相混合勵磁型磁通切換電機為例，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于五相混合勵磁型磁通切換電機的集成式車載充電系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，電機電樞繞組及其逆變器橋臂被重構(gòu)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。

該系統(tǒng)具備如下特點：充電模式下無起動轉(zhuǎn)矩；兩級功率級可實現(xiàn)電壓匹配；兩級功率級可獨立優(yōu)化；弱磁電流可進一步減小充電脈振轉(zhuǎn)矩。

該系統(tǒng)更改勵磁繞組連接方式前后的單相充電實驗波形如圖4所示。

圖4 更改勵磁繞組連接方式前后單相充電實驗波形

結(jié)論與展望

本文對近年出現(xiàn)的各類集成式充電系統(tǒng)進行梳理和總結(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(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢和前景，并得到如下結(jié)論：

1）在車載集成式充電系統(tǒng)中，可以通過改變拓撲結(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，起動轉(zhuǎn)矩和電壓匹配兩個問題較為關(guān)鍵，直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作。

2）對于起動轉(zhuǎn)矩問題，主要依賴于電機繞組連接方式的重構(gòu)，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(gòu)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(zhì)上都需要構(gòu)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(yōu)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(zhuǎn)矩、繞組電流不平衡以及盡量少增加傳感器而實現(xiàn)PFC運行的問題。

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

隨著電動汽車在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展，其充電方式也必然呈現(xiàn)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(tǒng)也將繼續(xù)成為研究熱點，其后續(xù)的發(fā)展和研究方向可以展望為：1）基于新型電機驅(qū)動系統(tǒng)（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(tǒng)拓撲設(shè)計；2）基于新型電動汽車驅(qū)動模式（如多電機驅(qū)動、四輪獨立分布式驅(qū)動等）的集成式充電系統(tǒng)設(shè)計；3）考慮整個系統(tǒng)驅(qū)動模式下電機性能和充電模式下充電效能的綜合優(yōu)化設(shè)計。

引用本文

佟明昊, 程明, 許芷源, 文宏輝, 花為, 朱孝勇. 電動汽車用車載集成式充電系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案[J]. 電工技術(shù)學報, 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.