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。現任東南大學風力發電研究中心主任、東南大學先進電機與電力電子集成系統研究所所長、江蘇省新能源汽車電機及驅動系統工程實驗室主任。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，發表論文500余篇（SCI收錄250余篇）；獲授權中國發明專利150余件、PCT專利15件。獲國家技術發明二等獎、教育部自然科學一等獎、江蘇省科學技術一等獎、中國機械工業科學技術一等獎等榮譽稱號，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動與車載充電系統、多相電機驅動控制、火炮武器彈藥自動裝填系統等。曾參與國家自然科學基金重點項目、科技部973計劃重點基礎研究計劃，現參與軍委科技委基礎加強重點項目等，發表SCI、EI論文5篇，曾獲2016年度江蘇省優秀碩士學位論文。

江蘇省電機與電力電子聯盟（JEMPEL）是由IEEE Fellow、東南大學首席教授程明領銜，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，研究領域涵蓋電機與電力電子及其在新能源發電、電動汽車、軌道交通、伺服系統等領域的應用。

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，研發便捷、快速、低成本的電動汽車充電機，具有重要的現實意義。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，如圖1所示，其一般原理為：停車時，將電動汽車中的電機驅動系統重構為充電機，即電機繞組作為電網側線電感使用，驅動逆變器作為全控型整流器或直流變換器使用，完成電能轉換并給車輛動力電池充電，從而對驅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快速車載充電，在成本、質量和體積方面具備明顯優勢。

圖1 集成式車載充電系統

論文方法及創新點

本文詳細分析了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，并以一臺五相混合勵磁型磁通切換電機為例，闡述該系統的特點與優勢。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

圖2 集成式車載充電系統典型拓撲

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

(1)單相集成式系統中增加額外功率器件問題

如圖2(a)所示結構中額外增加的整流器；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。

(2)三相集成式系統中，充電時產生啟動轉矩的問題

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，即會在電機轉子上產生一個持續的切向轉矩，導致電機轉動或振動，并產生噪聲，這是集成式系統在充電模式下必須要避免的情況。

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。主要包括重構裂相電機繞組、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等幾種解決方案。

(3)電網電壓與車載電池組電壓的電壓匹配問題

圖2所示的集成式系統結構存在一個共同問題，即圖2(a)所示結構中的DC/DC變換器和圖2(b)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系統構建集成式充電機、增加額外端口構建Buck-Boost變換器、以及將電驅系統重構為兩級變換器等方案，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。

(4)充電時產生脈振轉矩的問題

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

研究發現，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存在對應關系，即脈振轉矩的幅值大小隨轉子位置的變化而變化，且存在特定的轉子位置，其脈振轉矩的理論值為零，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。

(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或其他一些基于多相電機的三相集成式充電系統中，經常會出現網側線電感由電機多個相繞組并聯而成的場景。而由于在同一轉子位置下，電機各相繞組的阻感參數并不一致，如果逆變器各橋臂僅單純地共用相同驅動信號，會導致各相繞組中流過不平衡電流，從而在轉子上產生不受控的轉矩。

實際上，實現各相繞組的電流平衡，其控制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，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。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），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PFC運行的問題

對于集成式車載充電系統而言，為了實現網側整流器的PFC控制，通常需要采集網側三相電壓來利用PLL跟蹤電網相位。由于該類系統的大部分硬件電路及傳感器都繼承于車內電機驅動系統，并沒有多余的電壓傳感器用來檢測電網電壓。因此，如何利用車內已有資源，在不增加額外傳感器的前提下實現PFC運行，也是該類系統需要解決的問題。

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，配合相應控制方法，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。

2 基于多相混合勵磁電機的集成充電系統

基于前文綜述和梳理，可以發現，目前已有的集成式車載充電系統解決方案中，鮮有可以同時解決多個關鍵技術問題的方案。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多個關鍵技術問題的解決方案，以一臺五相混合勵磁型磁通切換電機為例，其拓撲結構如圖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

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。

該系統具備如下特點：充電模式下無起動轉矩；兩級功率級可實現電壓匹配；兩級功率級可獨立優化；弱磁電流可進一步減小充電脈振轉矩。

該系統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

結論與展望

本文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；2）基于新型電動汽車驅動模式（如多電機驅動、四輪獨立分布式驅動等）的集成式充電系統設計；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。

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, 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.