團(tuán)隊(duì)介紹

程明

博士，東南大學(xué)首席教授、博士生導(dǎo)師，IEEE Fellow, IET Fellow?，F(xiàn)任東南大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心主任、東南大學(xué)先進(jìn)電機(jī)與電力電子集成系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)、江蘇省新能源汽車電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室主任。主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國(guó)家973計(jì)劃課題、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目等課題60余項(xiàng)，發(fā)表論文500余篇（SCI收錄250余篇）；獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利150余件、PCT專利15件。獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)稱號(hào)，被聘為IEEE IAS杰出講座學(xué)者（2015/2016）；享受國(guó)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(xué)電氣工程學(xué)院獲工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)就職于南京理工大學(xué)火炮工程系。研究方向?yàn)榧墒诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)與車載充電系統(tǒng)、多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、火炮武器彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)等。曾參與國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部973計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃，現(xiàn)參與軍委科技委基礎(chǔ)加強(qiáng)重點(diǎn)項(xiàng)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(xué)位論文。

江蘇省電機(jī)與電力電子聯(lián)盟（JEMPEL）是由IEEE Fellow、東南大學(xué)首席教授程明領(lǐng)銜，東南大學(xué)電氣工程學(xué)院14名專任教師為核心，多名杰青、長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)，研究領(lǐng)域涵蓋電機(jī)與電力電子及其在新能源發(fā)電、電動(dòng)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(fèi)者購(gòu)置電動(dòng)汽車的主要瓶頸。因此，研發(fā)便捷、快速、低成本的電動(dòng)汽車充電機(jī)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近十年，一種集成式車載充電系統(tǒng)引起了學(xué)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(shí)，將電動(dòng)汽車中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重構(gòu)為充電機(jī)，即電機(jī)繞組作為電網(wǎng)側(cè)線電感使用，驅(qū)動(dòng)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(dòng)力電池充電，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和功率器件進(jìn)行分時(shí)復(fù)用，僅需少量增加或不增加額外功率器件即可實(shí)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(shì)。

圖1 集成式車載充電系統(tǒng)

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文詳細(xì)分析了集成式充電系統(tǒng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法兩方面存在的多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，以問題為導(dǎo)向，綜述現(xiàn)有各類集成式車載充電系統(tǒng)對(duì)以上問題的解決方案。之后，提出了一種基于混合勵(lì)磁型電機(jī)的集成式充電系統(tǒng)，并以一臺(tái)五相混合勵(lì)磁型磁通切換電機(jī)為例，闡述該系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。最后，總結(jié)全文，并對(duì)集成式車載充電系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展進(jìn)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?fù)?/p>

單相和三相集成式車載充電系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(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(jī)中。

針對(duì)問題，目前主要通過打開電機(jī)繞組連接和利用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的問題

如圖2(b)所示的三相充電拓?fù)?，?dāng)三相對(duì)稱交流電源通入驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相對(duì)稱繞組時(shí)，必然會(huì)在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即會(huì)在電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)的切向轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)，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(dòng)轉(zhuǎn)矩，主要發(fā)生在三相集成式充電機(jī)中。目前，解決該問題的本質(zhì)目標(biāo)和思路都是對(duì)充電時(shí)的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行控制，保證充電時(shí)網(wǎng)側(cè)三相對(duì)稱電流流入電機(jī)繞組后，在氣隙中不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。主要包括重構(gòu)裂相電機(jī)繞組、使用開繞組電機(jī)、使用多相電機(jī)、以及充電期間保持電機(jī)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(gè)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(gè)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(dú)立電驅(qū)系統(tǒng)構(gòu)建集成式充電機(jī)、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(jí)變換器等方案，其本質(zhì)均為將充電過程分解為兩個(gè)功率級(jí)完成。一般而言，第一級(jí)完成電能的交直流轉(zhuǎn)換，第二級(jí)則完成充電電壓的匹配。

(4)充電時(shí)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(jī)的三相集成式系統(tǒng)中，盡管在充電模式下轉(zhuǎn)子上不會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但仍會(huì)存在工頻脈振轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機(jī)在充電過程中振動(dòng)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(duì)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(jī)，將轉(zhuǎn)子位置定位至零脈振轉(zhuǎn)矩位置，從而實(shí)現(xiàn)充電時(shí)脈振轉(zhuǎn)矩的消除。

(5)電機(jī)相繞組電流平衡的問題

對(duì)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(jī)的三相集成式充電系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)側(cè)線電感由電機(jī)多個(gè)相繞組并聯(lián)而成的場(chǎng)景。而由于在同一轉(zhuǎn)子位置下，電機(jī)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(dòng)信號(hào)，會(huì)導(dǎo)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(shí)際上，實(shí)現(xiàn)各相繞組的電流平衡，其控制算法的關(guān)鍵在于要對(duì)每個(gè)繞組的驅(qū)動(dòng)器橋臂進(jìn)行獨(dú)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?；谝陨显?，本文給出了兩種電流平衡算法（基于五相電機(jī)的單相集成式充電系統(tǒng)），一種在自然坐標(biāo)系下、一種在靜止兩相坐標(biāo)系下給出給定電流。

(6)不增加額外電壓傳感器實(shí)現(xiàn)PFC運(yùn)行的問題

對(duì)于集成式車載充電系統(tǒng)而言，為了實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并沒有多余的電壓傳感器用來檢測(cè)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(shí)現(xiàn)PFC運(yùn)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(hào)產(chǎn)生兩個(gè)相互正交的正余弦信號(hào)且同相位，配合相應(yīng)控制方法，集成式充電機(jī)即可在不增加或僅增加一個(gè)電壓傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PFC控制。

2 基于多相混合勵(lì)磁電機(jī)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(shí)解決多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題的方案。因此，本文基于多相混合勵(lì)磁型電機(jī)，提出了一種可以同時(shí)解決集成式系統(tǒng)多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案，以一臺(tái)五相混合勵(lì)磁型磁通切換電機(jī)為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于五相混合勵(lì)磁型磁通切換電機(jī)的集成式車載充電系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，電機(jī)電樞繞組及其逆變器橋臂被重構(gòu)為第一級(jí)全橋整流變換器，而電機(jī)勵(lì)磁繞組和逆變器橋臂則組成了母線與電池之間的第二級(jí)DC-DC變換器。兩級(jí)變換器之間在控制上相互獨(dú)立，而無源器件（即電機(jī)電樞和勵(lì)磁繞組）在磁場(chǎng)上又相互耦合。

該系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：充電模式下無起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；兩級(jí)功率級(jí)可實(shí)現(xiàn)電壓匹配；兩級(jí)功率級(jí)可獨(dú)立優(yōu)化；弱磁電流可進(jìn)一步減小充電脈振轉(zhuǎn)矩。

該系統(tǒng)更改勵(lì)磁繞組連接方式前后的單相充電實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示。

圖4 更改勵(lì)磁繞組連接方式前后單相充電實(shí)驗(yàn)波形

結(jié)論與展望

本文對(duì)近年出現(xiàn)的各類集成式充電系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)而，以一臺(tái)五相HEFS電機(jī)為例，闡述了多相混合勵(lì)磁型電機(jī)在該領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)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?fù)浣Y(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(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩和電壓匹配兩個(gè)問題較為關(guān)鍵，直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作。

2）對(duì)于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩問題，主要依賴于電機(jī)繞組連接方式的重構(gòu)，基本思路均為令電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)軌跡為零或一條直線。與重新拆分三相電機(jī)繞組相比，直接使用多相電機(jī)來構(gòu)建集成式充電機(jī)是一種更好的選擇。

3）對(duì)于電壓匹配問題，本質(zhì)上都需要構(gòu)建兩級(jí)變換器，第一級(jí)負(fù)責(zé)整流和PFC操作，第二級(jí)則負(fù)責(zé)電壓整定和匹配工作。對(duì)此，具備兩套獨(dú)立繞組的混合勵(lì)磁電機(jī)無疑更具優(yōu)勢(shì)。

4）在控制方法方面，可以解決的問題主要包括充電時(shí)脈振轉(zhuǎn)矩、繞組電流不平衡以及盡量少增加傳感器而實(shí)現(xiàn)PFC運(yùn)行的問題。

5）多相混合勵(lì)磁型電機(jī)因其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(shí)解決起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、電壓匹配、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等問題，優(yōu)勢(shì)明顯。

隨著電動(dòng)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(diǎn)的車載集成式充電系統(tǒng)也將繼續(xù)成為研究熱點(diǎn)，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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（包含新型電機(jī)和新型逆變器拓?fù)鋬煞矫妫┑募墒杰囕d充電系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)；2）基于新型電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)模式（如多電機(jī)驅(qū)動(dòng)、四輪獨(dú)立分布式驅(qū)動(dòng)等）的集成式充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)；3）考慮整個(gè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式下電機(jī)性能和充電模式下充電效能的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

引用本文

佟明昊, 程明, 許芷源, 文宏輝, 花為, 朱孝勇. 電動(dòng)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(xué)報(bào), 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.