近年來，能源消耗問題日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車由于其對(duì)環(huán)境友好的特點(diǎn)被許多公司和學(xué)者所關(guān)注。然而，對(duì)于電動(dòng)汽車來說，其中一個(gè)主要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)弱點(diǎn)是充放電器，考慮到非車載充放電器不能隨時(shí)隨地充放電，本文主要研究車載充放電器。

但是對(duì)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(jìn)性和控制技術(shù)的提升，對(duì)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(shì)。

目前廣泛應(yīng)用的車載充放電系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是相互獨(dú)立的，這使得二者的集成成為可能。近些年許多學(xué)者對(duì)新型的集成充放電器進(jìn)行了研究，隨著對(duì)集成拓?fù)溲芯康纳钊?，國外學(xué)者已提出應(yīng)用在不同場合的拓?fù)漕愋汀?/p>

對(duì)于高度集成的系統(tǒng)，由于繞組中通過交流電流，會(huì)在電機(jī)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(dòng)變換器、定子繞組通電方式、電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的方面。

在前級(jí)驅(qū)動(dòng)變換器集成的研究上，有學(xué)者提出將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和充電器集成，三相全橋驅(qū)動(dòng)器被重構(gòu)成Boost PFC充電拓?fù)洌袘?yīng)電機(jī)繞組被利用成濾波電感，通過繼電器實(shí)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(dòng)車。

針對(duì)三相全橋變換器開關(guān)器件較多的缺點(diǎn)，有學(xué)者提出將一種新型四開關(guān)逆變器應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電機(jī)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(jí)引入二極管整流，并且由于零序電流的存在導(dǎo)致系統(tǒng)的整體效率不高。

有學(xué)者針對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車提出多逆變器驅(qū)動(dòng)的一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將多個(gè)電機(jī)繞組中性點(diǎn)引出，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)的汽車。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)變換器重構(gòu)和電機(jī)繞組利用基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出了基于Z源逆變器結(jié)構(gòu)的集成充電器拓?fù)洌岢龅耐負(fù)鋬H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(jìn)一步提高電機(jī)繞組的利用率，提出一種電機(jī)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(dòng)汽車電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)的問題。

有學(xué)者提出在充電模式時(shí)，電機(jī)定子繞組與逆變器構(gòu)成三相交錯(cuò)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(duì)充電模式下的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩問題，有學(xué)者在電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上研究通入電流的方式，提出將繞組中點(diǎn)抽頭引出，兩個(gè)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(jī)制作難度和成本，同時(shí)繞組間相互耦合，增加了實(shí)現(xiàn)電流平衡的控制的復(fù)雜度。

瑞典查爾姆斯理工大學(xué)從電機(jī)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(jī)（Inbedded Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了非隔離型和隔離型的大功率雙向流動(dòng)的一體化三相充電器，這兩種結(jié)構(gòu)增加了電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、設(shè)計(jì)制作難度和控制難度。

目前的研究普遍存在問題有：驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開關(guān)器件較多；在電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)上作改進(jìn)導(dǎo)致電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)一步增加了制作難度和成本；充放電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)中會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，需要增加額外的機(jī)械結(jié)構(gòu)；由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的改變而導(dǎo)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(diǎn)研究充放電集成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從電機(jī)繞組開路方向?qū)︱?qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和電機(jī)三相繞組的配置進(jìn)行深入研究，圍繞消除充放電時(shí)不利的電磁轉(zhuǎn)矩問題，提出基于電機(jī)繞組開路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和充放電集成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)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(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)的集成度及濾波性能的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇出集成度最高、控制簡單、成本最低的拓?fù)?，并通過Matlab仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性。

圖13 基于電機(jī)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(jī)及集成控制器

結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)車載充放電器在電動(dòng)汽車中占用較大體積、質(zhì)量的問題，從充電器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的工作原理考慮，引入集成化拓?fù)涞乃枷?，用單一拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)多功能運(yùn)行，較大地降低了驅(qū)動(dòng)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(dá)到進(jìn)一步提高系統(tǒng)集成度的目的，將停車時(shí)不工作的電機(jī)繞組作為濾波器。

針對(duì)由此帶來的電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)旋轉(zhuǎn)問題，本文所提出的單相全橋集成拓?fù)洳粌H實(shí)現(xiàn)了拓?fù)涞募桑蚁穗姶呸D(zhuǎn)矩，且電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，不增加電機(jī)制作的成本和難度。

通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明了基于電機(jī)繞組開路的單相全橋集成拓?fù)涞目尚行院驼_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(dòng)結(jié)構(gòu)。