- 頭條華中科技大學蔣棟團隊發表電動汽車零轉矩充電復用技術的研究成果2023-02-27 作者：蔣棟、高加樓 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語在電動汽車應用中，車載儲能電池的充電一般通過充電樁或者車載充電機實現。利用電動汽車的驅動電機及逆變器與電網連接，實現從電網交流電到直流電的電能變換，最終完成對車載儲能電池進行充電，可以有效節省硬件和裝置建設成本，還能有效提升車載充電容量。但相關策略在實現時，存在的最大挑戰是如何抑制由繞組交流電流引起的電機轉矩和振動。 華中科技大學電氣與電子工程學院的蔣棟、高加樓、李柏楊、孫偉、周敏，在2022年第19期《電工技術學報》上撰文，著眼于并網過程中電機的轉矩問題，對實現驅動電機逆變器與電網之間可靠電能變換的方法進行了介紹。該零轉矩并網方法，其核心是結合電機繞組的型式和逆變器的電流控制來調整定子磁動勢，從而合理布控電樞反應磁場與永磁磁場的空間關系使其滿足零轉矩條件。相關工作旨在為電動汽車傳導式車載充電提供一種可行的硬件復用方案。
新能源汽車結合了能源技術、電氣技術和信息技術，具有低碳排放、高效和智能的特點，未來將逐步取代燃油車。同時，新能源汽車的車載儲能電池作為廣域移動儲能裝備，還可支撐電網運行和協助消納可再生能源，而這也可能成為一種能源套利方式，對于用戶而言極具吸引力。
車載儲能電池與電網間的電能變換，一般采用非車載的充電樁和車載充電機（On-Board Charger, OBC）。這兩種技術各有優劣，直流充電樁充電速度快但依賴特定場地且成本較高；車載充電機在使用上十分便捷但容量受限。因而，車載充電機一般作為充電樁的補充，比如應急充電或居家充電。
受限于車內有限的空間，目前市面上的車載充電機功率等級通常不超過11kW，而這尚未達到用戶需求。為提升車載充電機的充電容量，有兩種可行思路：①提高車載充電機自身的功率密度，如采用寬禁帶功率器件，通過提升開關頻率，從而減小無源元件的體積；②利用系統集成的方法，如將車載充電機和車載DC-DC變換器等裝置多合一組裝，縮短裝置間的電氣連接線，共用散熱器和支撐件，從而減小系統的體積。
系統集成的方法目前已被大多數整車企業所采納，集成度基本已達上限；而基于寬禁帶功率器件的車載充電機方案由于成本的原因尚未成熟。在該背景下，20世紀90年代就被提出的驅動-充電復用（integrated motor drive and charger）的概念成為可進一步減小車載充電機體積以及提升充電容量的“新”思路。
集成充電器的概念如圖1所示，即利用復用驅動電機及其逆變器構建車載充電機的前端脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）整流器，逆變器作為雙向變流器，而驅動電機繞組將作為交流側濾波電感。由于前端整流環節已由驅動電機系統構成，故車載充電機只需一套獨立的隔離DC-DC變換環節即可，在相同的成本和可用空間下，隔離DC-DC變換器的功率等級可成倍地增加。同時，還可結合寬禁帶功率器件和系統集成的方法，為大容量車載充電機的實現提供可能。
圖1 集成充電器的概念圖
在驅動-充電復用技術中，電機作為充（放）電回路的一部分，繞組中的交變電流產生旋轉磁場將在充電過程中產生轉矩和振動，帶來車體不希望看到的運動，這是復用充電功能最大的困難之一。具備實用化的驅動-充電復用技術的一個主要挑戰就是如何實現充（放）電過程中電機的零轉矩。
華中科技大學電氣與電子工程學院的蔣棟教授團隊探索了具有實用價值的單相和三相并網的驅動-充電復用技術，重點分析和設計具有零轉矩并網運行特性的方案。該方案具有以下特點：①根據轉子d軸位置合理選擇電流分配方式，保證單相并網的驅動-充電復用電路可靠零轉矩并網運行；②利用三相逆變器與新型變繞組結構永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）構建三相并網集成充電器，易實施于現有電驅系統中，在零轉矩并網運行的同時，電路的等效電感為電機主電感，從而提升并網電能質量。
研究團隊在論文中介紹了單相并網的驅動-充電復用技術，包括電路結構及其零轉矩并網運行原理、并網電流控制策略以及方案驗證；其次介紹了三相并網的驅動-充電復用技術，包括基于雙模塊電機的復用結構、并網電流控制策略以及方案驗證；并對電動汽車驅動-復用技術作擴展討論與展望。
他們表示，電動汽車驅動-充電復用技術是一種有效利用電動汽車已有的電機-驅動系統實現充電功能的新技術。在這一技術中，如何保證充電過程電機轉矩為零是其實用化的一個關鍵。
研究人員分析認為，對于單相驅動-充電復用技術，其優點為成本低、體積小、重量輕，且對于驅動電機不需要進行任何重新設計，復用了電機以及電機驅動變流器實現單相并網充電功能。實際應用中，單相充電應用場景多為家庭或工作時間充電，充電時間較長，且受限于單相電網的功率限制，單相驅動-充電復用技術方案的充電功率提升空間也較為有限。因此該方案的主要目標在于取代車載充電器。
對于三相驅動-充電復用技術，可以突破單相電網的功率限制，實現大功率快速充電，同時可以提升充電靈活性，節省了地面快速充電樁的建設成本，且避免了不同電動汽車廠商充電標準的不一致，僅需將電動汽車連接至三相電網接口，方便快捷。該技術的主要目標是簡化充電樁的建設，但該技術需要對電機進行改造才能有效地實現零轉矩。
他們最后表示，綜合分析成果，結合單相和三相集成充電技術的特點，該驅動-充電復用技術在成本、重量、體積、充電功率以及靈活性上都具有一定優勢，且二者器件與結構均具備支持能量雙向流動運行的條件，在未來V2G（vehicle-to-grid）技術得到推廣后也可以滿足相關需求，具有較好的應用推廣前景。
但是，他們還指出，未來廣泛應用電動汽車驅動-充電復用技術，除了所提技術解決方案外，還需要考慮包括用戶體驗、產業鏈布局調整以及新行業標準制定等問題。
本文編自2022年第19期《電工技術學報》，論文標題為“電動汽車電機驅動系統零轉矩充電復用技術簡介”。本課題得到國家自然科學基金資助項目的支持。
