近年來，能源消耗問題日益嚴重，電動汽車由于其對環(huán)境友好的特點被許多公司和學者所關(guān)注。然而，對于電動汽車來說，其中一個主要的技術(shù)和經(jīng)濟弱點是充放電器，考慮到非車載充放電器不能隨時隨地充放電，本文主要研究車載充放電器。

但是對汽車而言，車載充放電器意味著增加了額外的體積和質(zhì)量；另一方面，隨著電力電子器件的先進性和控制技術(shù)的提升，對高功率密度控制器的需求越來越迫切。因此，體積小、質(zhì)量輕、成本低、高度集成化、高功率密度控制器成為未來發(fā)展趨勢。

目前廣泛應用的車載充放電系統(tǒng)與電機驅(qū)動系統(tǒng)是相互獨立的，這使得二者的集成成為可能。近些年許多學者對新型的集成充放電器進行了研究，隨著對集成拓撲研究的深入，國外學者已提出應用在不同場合的拓撲類型。

對于高度集成的系統(tǒng)，由于繞組中通過交流電流，會在電機中形成電磁轉(zhuǎn)矩，如何利用或者消除電磁轉(zhuǎn)矩是研究集成結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。從目前的研究現(xiàn)狀上看，研究的方向主要集中在集成驅(qū)動變換器、定子繞組通電方式、電機繞組結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化的方面。

在前級驅(qū)動變換器集成的研究上，有學者提出將電機驅(qū)動器和充電器集成，三相全橋驅(qū)動器被重構(gòu)成Boost PFC充電拓撲，感應電機繞組被利用成濾波電感，通過繼電器實現(xiàn)電驅(qū)模式和充電模式的轉(zhuǎn)換，適用于單相充電的小功率電動車。

針對三相全橋變換器開關(guān)器件較多的缺點，有學者提出將一種新型四開關(guān)逆變器應用于電動汽車的電機控制中，雖然相較于六開關(guān)逆變器減少了開關(guān)管的使用，但是后級引入二極管整流，并且由于零序電流的存在導致系統(tǒng)的整體效率不高。

有學者針對多電機驅(qū)動的電動汽車提出多逆變器驅(qū)動的一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)，將多個電機繞組中性點引出，實現(xiàn)多電機結(jié)構(gòu)的驅(qū)動和單相充放電高度集成，該結(jié)構(gòu)成本較高，僅適用于四輪驅(qū)動的汽車。

在電機驅(qū)動變換器重構(gòu)和電機繞組利用基礎上，有學者提出了基于Z源逆變器結(jié)構(gòu)的集成充電器拓撲，所提出的拓撲僅利用后兩相的繞組構(gòu)成單相充電器，第一相繞組斷開，電感的利用率較低。為進一步提高電機繞組的利用率，提出一種電機的兩相繞組并聯(lián)再與另一相繞組串聯(lián)的通電方式，但都未考慮充電狀態(tài)電動汽車電機是否轉(zhuǎn)動的問題。

有學者提出在充電模式時，電機定子繞組與逆變器構(gòu)成三相交錯并聯(lián)的Boost電路，三相定子繞組中通過相同的電流，所以不存在電磁轉(zhuǎn)矩，不足之處是僅能流過單方向電流，需要增加額外濾波器降低電流諧波。

針對充電模式下的電機電磁轉(zhuǎn)矩問題，有學者在電機繞組結(jié)構(gòu)基礎上研究通入電流的方式，提出將繞組中點抽頭引出，兩個半繞組流過平衡的電流，解決轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)問題，但是增加了一倍的開關(guān)器件，提高了電機制作難度和成本，同時繞組間相互耦合，增加了實現(xiàn)電流平衡的控制的復雜度。

瑞典查爾姆斯理工大學從電機繞組的配置角度深入研究，提出了雙定子結(jié)構(gòu)的集成充電器，在嵌入式永磁同步電機（Inbedded Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）的基礎上設計了非隔離型和隔離型的大功率雙向流動的一體化三相充電器，這兩種結(jié)構(gòu)增加了電機結(jié)構(gòu)的復雜程度、設計制作難度和控制難度。

目前的研究普遍存在問題有：驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)復雜，開關(guān)器件較多；在電機繞組結(jié)構(gòu)上作改進導致電機的結(jié)構(gòu)復雜，進一步增加了制作難度和成本；充放電狀態(tài)時，電機中會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，需要增加額外的機械結(jié)構(gòu)；由于電機結(jié)構(gòu)的改變而導致控制策略難度增加以及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶來的損耗。

本文重點研究充放電集成拓撲結(jié)構(gòu)，從電機繞組開路方向?qū)︱?qū)動結(jié)構(gòu)和電機三相繞組的配置進行深入研究，圍繞消除充放電時不利的電磁轉(zhuǎn)矩問題，提出基于電機繞組開路的電機驅(qū)動和充放電集成拓撲結(jié)構(gòu)，對比研究了單相全橋、三相全橋和三相四橋臂變換模式下的性能，并從定子繞組的串并聯(lián)角度研究不同通電方式下的電磁轉(zhuǎn)矩問題，對比分析了不同結(jié)構(gòu)的集成度及濾波性能的優(yōu)缺點，選擇出集成度最高、控制簡單、成本最低的拓撲，并通過Matlab仿真和實驗驗證了該拓撲結(jié)構(gòu)的可行性。

圖13 基于電機繞組開路的集成充放電系統(tǒng)硬件框圖

圖14 繞組開路電機及集成控制器

結(jié)論

針對傳統(tǒng)車載充放電器在電動汽車中占用較大體積、質(zhì)量的問題，從充電器驅(qū)動結(jié)構(gòu)和電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)的工作原理考慮，引入集成化拓撲的思想，用單一拓撲來實現(xiàn)多功能運行，較大地降低了驅(qū)動器的體積、質(zhì)量，提高系統(tǒng)的功率密度。為了降低入網(wǎng)的濾波電感值，減小其體積、質(zhì)量，達到進一步提高系統(tǒng)集成度的目的，將停車時不工作的電機繞組作為濾波器。

針對由此帶來的電磁轉(zhuǎn)矩和電機旋轉(zhuǎn)問題，本文所提出的單相全橋集成拓撲不僅實現(xiàn)了拓撲的集成，而且消除了電磁轉(zhuǎn)矩，且電機的繞組結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，不增加電機制作的成本和難度。

通過仿真和實驗證明了基于電機繞組開路的單相全橋集成拓撲的可行性和正確性。本文所提出的結(jié)構(gòu)在體積、質(zhì)量、成本和濾波性能上優(yōu)于傳統(tǒng)驅(qū)動結(jié)構(gòu)。