劉 瑩，王 輝，漆文龍

（山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

隨著大氣污染日益嚴(yán)重和能源危機(jī)不斷加劇，世界各國(guó)都在采取各種措施應(yīng)對(duì)隨之而來(lái)的各種挑戰(zhàn)[1]。電動(dòng)汽車(chē) EV（Electric Vehicle）作為一種首先發(fā)展起來(lái)的新能源汽車(chē)，蓄電池是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素[2]。蓄電池的各項(xiàng)指標(biāo)在實(shí)際應(yīng)用中都不夠理想，還有更廣闊的研究空間[3]，而蓄電池的充電時(shí)間和使用壽命則與充電技術(shù)息息相關(guān)。因此，電動(dòng)汽車(chē)蓄電池充電技術(shù)成為制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要因素之一，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。

一般而言，電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)可分為2種[4]。一種是車(chē)載型充電系統(tǒng)，包括充電變流器、蓄電池組、驅(qū)動(dòng)變流器和電機(jī)。車(chē)載型充電系統(tǒng)適用于夜間連接到家用插座上，利用晚間用電低谷期富余的電力進(jìn)行充電。另一種是獨(dú)立型充電系統(tǒng)，包括位于車(chē)內(nèi)的蓄電池組、驅(qū)動(dòng)變流器、電機(jī)以及位于車(chē)外的獨(dú)立型充電變流器。獨(dú)立型充電系統(tǒng)，也稱(chēng)為地面充電裝置，主要包括專(zhuān)用充電機(jī)、專(zhuān)用充電站、通用充電機(jī)、公共場(chǎng)所用充電站等，一般采用大電流快速充電，對(duì)充電技術(shù)方法和充電安全性的要求較高。

車(chē)載型充電系統(tǒng)因?yàn)橛梅ê?jiǎn)單方便而成為許多生產(chǎn)廠家和用戶的首選，并且在充電站并未大規(guī)模普及使用的今天，也是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)。但是目前所研究的車(chē)載型充電系統(tǒng)普遍存在成本高、體積大、重量大、功率等級(jí)低并且對(duì)電網(wǎng)有不可忽略的諧波污染以及雨雪天氣下充電安全性不足等問(wèn)題[5-11]，使得電動(dòng)汽車(chē)無(wú)法與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相抗衡，阻礙了電動(dòng)汽車(chē)的普及和推廣。本文將介紹幾種新型一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析其工作原理及優(yōu)、缺點(diǎn)，并分析一體化拓?fù)湓谖磥?lái)發(fā)展中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)有的應(yīng)用成果[12-15]，具有車(chē)載型充電系統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)其電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和蓄電池充電裝置并不同時(shí)工作（不考慮剎車(chē)時(shí)候的儲(chǔ)能），即電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行時(shí)充電裝置閑置，電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)靜止。故一般車(chē)載型充電器含有的2個(gè)變流器不同時(shí)工作，一個(gè)整流器用于給蓄電池充電，一個(gè)逆變器用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而且變流器中一般會(huì)含有大電感和大電容。這種結(jié)構(gòu)無(wú)疑增加了電動(dòng)汽車(chē)的重量和成本，浪費(fèi)了電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)有限的空間。為此，在保證電動(dòng)汽車(chē)蓄電池充電特性良好的基礎(chǔ)上，國(guó)外一些學(xué)者提出研究電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與蓄電池充電一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即將牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)重構(gòu)成蓄電池充電裝置，通過(guò)優(yōu)化拓?fù)浼翱刂撇呗钥刂谱兞髌鞣謩e完成整流、逆變、功率因數(shù)校正，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高功率因數(shù)充電、諧波治理等功能，扭轉(zhuǎn)車(chē)載型充電系統(tǒng)在充電質(zhì)量、體積重量和成本上的劣勢(shì)。

隨著研究的深入，國(guó)外研究人員已提出不同類(lèi)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)車(chē)載型充電系統(tǒng)的功能，并對(duì)驅(qū)動(dòng)與充電一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索性的研究[16-23]，如美國(guó)Gould公司的電子實(shí)驗(yàn)室研究中心早在20世紀(jì)80年代就在美國(guó)能源部的資助和NASA-Lewis研究中心的領(lǐng)導(dǎo)下研制出了用于電動(dòng)客運(yùn)車(chē)的第一代交流推進(jìn)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)；法國(guó)SOFRACI計(jì)劃對(duì)一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法進(jìn)行了相關(guān)研究；瑞典能源機(jī)構(gòu)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中心資助瑞典各大高校對(duì)基于特殊電機(jī)的一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究；意大利都靈理工大學(xué)電氣工程系對(duì)電動(dòng)摩托車(chē)的充電系統(tǒng)進(jìn)行一系列研究并提出了適用于電動(dòng)摩托車(chē)的一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；奧地利研究發(fā)展局與ARTEMIS JU簽署了第100205號(hào)協(xié)議，支持電動(dòng)汽車(chē)一體化雙向車(chē)載型智能充電系統(tǒng)的研發(fā)。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)驅(qū)動(dòng)與充電一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究基本處于空白狀態(tài)，沒(méi)有相關(guān)的研究成果發(fā)表。本文通過(guò)總結(jié)多篇國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)，介紹一體化混合拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，分析其原理及優(yōu)缺點(diǎn)，討論該技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及未來(lái)需要關(guān)注的研究方向，展望其未來(lái)發(fā)展前景。

2 一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)已有的車(chē)載型充電系統(tǒng)做了2點(diǎn)改進(jìn)：首先，該結(jié)構(gòu)利用牽引系統(tǒng)與充電系統(tǒng)不同時(shí)工作的特點(diǎn)，將牽引系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的逆變器結(jié)構(gòu)重構(gòu)成充電系統(tǒng)中對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電的整流器結(jié)構(gòu)，減少了原系統(tǒng)中的元件數(shù)量，達(dá)到了優(yōu)化體積、重量、成本的目的；其次，該結(jié)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)中的電機(jī)繞組作為充電系統(tǒng)中的濾波電感使用，減小了由于使用大電感而占用的大量空間，同時(shí)對(duì)成本的降低起到了不可忽視的作用。

考慮到不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和應(yīng)用條件，一體化混合拓?fù)湟灿胁煌Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)總結(jié)如下。

2.1 使用繼電器的一體化混合拓?fù)?/h3>

在 1994年，AC 推進(jìn)公司（AC Propulsion Inc.）申請(qǐng)了一種基于感應(yīng)電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)與電池充電一體化系統(tǒng)的專(zhuān)利，并將其用于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)[24]。該專(zhuān)利的主要思想就是使用電機(jī)繞組作為充電系統(tǒng)的電感來(lái)重構(gòu)變流器，使其工作在整功率因數(shù)狀態(tài)。該一體化混合拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，通過(guò)使用繼電器K1、K2和K′2實(shí)現(xiàn)牽引模式和充電模式的轉(zhuǎn)換。

圖1 使用繼電器的一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Integrated topology with relays

在牽引模式下，K2、K′2斷開(kāi)，K1閉合，形成一個(gè)經(jīng)典的三相全橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)選擇合適的控制策略可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。

在單相交流電源充電模式下，圖中所示的LS2和LS3是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一相繞組相對(duì)于中性點(diǎn)的漏感，在單相升壓轉(zhuǎn)換電路中作為濾波電感使用。為了保證整功率因數(shù)運(yùn)行，蓄電池電壓應(yīng)該大于輸入交流電壓最大峰峰值。開(kāi)關(guān)S1和S2斷開(kāi)，通過(guò)控制S3—S6的開(kāi)通與關(guān)斷，可利用LS2和LS3實(shí)現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換電路。另外，該專(zhuān)利還使用了共模／差模濾波器來(lái)消除輸入側(cè)電流紋波和尖峰。

但在三相交流電源充電模式下，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要考慮電磁轉(zhuǎn)矩問(wèn)題，使得控制復(fù)雜化。

2.2 用于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一體化混合拓?fù)?/h3>

文獻(xiàn)[3] 和文獻(xiàn)[12] 依舊采用了利用電機(jī)繞組作為充電電路濾波電感的思想，提出了一種適用于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)如圖2所示，包括4個(gè)異步電機(jī)、4個(gè)三相逆變器、1個(gè)直流側(cè)蓄電池組以及1個(gè)用于控制該電路在牽引模式和充電模式之間轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。

圖2 四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)充電拓?fù)銯ig.2 Topology of charging system for four-wheel EV

當(dāng)電路工作在牽引模式，即轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)位于位置1時(shí)，電機(jī)中性點(diǎn)懸空，蓄電池組通過(guò)4個(gè)逆變器分別驅(qū)動(dòng)4個(gè)電機(jī)。當(dāng)電路工作在充電模式，即轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)位于位置2時(shí)，單相交流源連接到2個(gè)電機(jī)的中性點(diǎn)之間，調(diào)整與這2個(gè)電機(jī)相連的逆變器的控制方式，使逆變器的上橋臂開(kāi)關(guān)同步、下橋臂開(kāi)關(guān)同步，可以使電路重構(gòu)成單相升壓變換器且功率因數(shù)為1，其他2個(gè)逆變器和電機(jī)重構(gòu)成2個(gè)降壓變換器。圖3所示為系統(tǒng)充電模式時(shí)的等效電路圖，電機(jī)繞組在這里起到了濾波電感的作用。

圖3 充電模式時(shí)的等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit in charging mode

在充電模式時(shí)，每個(gè)電機(jī)繞組中所流過(guò)的電流均相等，故不存在電磁轉(zhuǎn)矩。通過(guò)控制PWM升壓變換器，可以保持直流母線電壓不變。通過(guò)控制降壓變換器，可選擇合適的方式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

但是這種結(jié)構(gòu)成本較高，并且只適用于四輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)，有很大的局限性。

2.3 具有功率因數(shù)校正的一體化混合拓?fù)?/h3>

文獻(xiàn)[25] 基于前幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，采用了單相充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括1個(gè)三相H橋結(jié)構(gòu)、1個(gè)電機(jī)以及1個(gè)控制拓?fù)涔ぷ髂Ｊ降臋C(jī)械開(kāi)關(guān)。

在充電模式下，使用一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)將電機(jī)繞組連接到整流器上，VTa-、VTb-和VTc-同步開(kāi)通與關(guān)斷，將牽引模式下的逆變器變?yōu)镈C／DC升壓轉(zhuǎn)換電路，如圖4所示。此時(shí)，電機(jī)繞組作為3個(gè)并聯(lián)的電感使用，因此通過(guò)電機(jī)的電流是單相的，故電機(jī)中不存在轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子會(huì)保持靜止。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)使用了功率變換器和LC濾波器，能夠起到提高功率因數(shù)、降低諧波含量的作用。

圖4 充電模式下的電路圖Fig.4 Circuit in charging mode

在牽引模式下，將機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，該結(jié)構(gòu)將成為一個(gè)傳統(tǒng)的三相逆變電路，通過(guò)選擇合適的控制策略可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。但該混合拓?fù)鋬H適用于電動(dòng)摩托車(chē)，功率等級(jí)比較低，并且充電時(shí)間比較長(zhǎng)。

文獻(xiàn)[26] 在上述具有功率因數(shù)校正的一體化混合拓?fù)涞幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用嵌入式永磁同步電機(jī)（IPM）的繞組電感作為濾波電感，在直流輸出側(cè)接入雙向DC／DC變換器，能夠?qū)⒅绷鱾?cè)電壓轉(zhuǎn)換到需要的電壓等級(jí)，從而靈活地對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

2.4 具有隔離作用的一體化混合拓?fù)?/h3>

文獻(xiàn)[27] 提出了一種工業(yè)卡車(chē)專(zhuān)業(yè)的一體化混合拓?fù)?。如圖5所示，它包括同步感應(yīng)電機(jī)、三相H橋、電容和蓄電池，并且具有隔離作用。

圖5 工業(yè)用卡車(chē)充電模式下的電路圖Fig.5 Circuit in charging mode for industrial trucks

在充電模式下，電機(jī)的繞線型轉(zhuǎn)子連接到三相H橋側(cè)，定子連接到電網(wǎng)，電機(jī)作為低頻降壓變壓器使用，起到了隔離作用，提高了充電安全性。該系統(tǒng)中，功率能夠雙向流動(dòng)，諧波擾動(dòng)少，能達(dá)到整功率因數(shù)，且充電時(shí)轉(zhuǎn)子保持靜止。

在牽引模式下，變流器作為三相逆變器使用，文獻(xiàn)[27] 采用空間矢量調(diào)制法對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。

但在該拓?fù)渲?，電機(jī)的氣隙會(huì)造成較大的磁化電流，影響系統(tǒng)整體性能。繞制轉(zhuǎn)子的成本、對(duì)接觸器的需求和電機(jī)繞組對(duì)充電電壓的適應(yīng)都是不可避免的缺點(diǎn)。

2.5 PWM整流一體化混合拓?fù)?/h3>

圖6 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Topology of charging system

這種充電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 6 所示[19，28-31]，包括3個(gè)與電機(jī)繞組相連接的H橋、DC／DC變換器、蓄電池和電機(jī)。在充電模式下，變換器作為2個(gè)交叉并聯(lián)的三相PWM升壓變換器；在牽引模式下，變換器作為1個(gè)三相H橋逆變器。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)使用了EMI濾波器和保護(hù)裝置，能夠有效降低干擾，達(dá)到更好的充電效果。

在充電模式下，這種結(jié)構(gòu)可以用于三相電源也可以用于單相電源。使用三相電源時(shí)，如圖7所示，每個(gè)H橋的引腳都與電源相連。而使用單相電源進(jìn)行充電時(shí)，圖 7 中 VTc+、VTc-橋臂和 V′Tc+、V′Tc-橋臂的引腳以及繞組c0c、c0c1均不與單相電源相連，繞組a0a和b0b、a0a1和b0b1分別并聯(lián)，然后與單相電源串聯(lián)，整個(gè)電路等效為2個(gè)交互的PWM整流器，如圖7所示。通過(guò)控制PWM變換器，中間直流環(huán)節(jié)電壓保持在定值，可以通過(guò)控制交流電流波形得到要求的功率因數(shù)。該拓?fù)渲?，每個(gè)交流相都與2個(gè)并聯(lián)的PWM升壓變換器連接。這種連接是通過(guò)電機(jī)繞組的中點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。給定相的半個(gè)繞組內(nèi)的電流平衡，所以消除了定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。因此，在充電時(shí)沒(méi)有電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)保持靜止。

圖7 充電模式下等效電路圖Fig.7 Equivalent circuit in charging mode

在牽引模式下，繞組之間存在著互感，控制一個(gè)繞組中的電流會(huì)影響到其他繞組電流，這使得電機(jī)控制方法復(fù)雜化。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)，繞組的電感、互感值與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)。文獻(xiàn)[28] 采用有限元模擬法，得出轉(zhuǎn)子位置與電感值、互感值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式。但是，這種有限元模擬法只是得到了仿真驗(yàn)證，在實(shí)際應(yīng)用中如何確定轉(zhuǎn)子位置是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。

2.6 改變電機(jī)結(jié)構(gòu)的一體化混合拓?fù)?/h3>

2.6.1 特殊嵌入式永磁同步電機(jī)

文獻(xiàn)[32-33] 提出了一種特殊的嵌入式永磁同步電機(jī)（IPMSM），并在此技術(shù)上設(shè)計(jì)了一種整功率因數(shù)隔離型大功率三相雙向一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)很特殊，采用雙定子繞組結(jié)構(gòu)，不同于一般的電動(dòng)汽車(chē)用電動(dòng)機(jī)，如圖8所示。在兩極三相的IPMSM中，定子上有3個(gè)相移120電角度的繞組。假設(shè)每相繞組都分成了相等的兩部分，并且繞著定子外圍對(duì)稱(chēng)地移相，即定子里有6個(gè)繞組而不是3個(gè)。轉(zhuǎn)子是兩極結(jié)構(gòu)，6個(gè)繞組分別相移60電角度。其他極對(duì)數(shù)的電機(jī)也可能有這種綜合型充電拓?fù)洹?/p>

圖8 雙定子繞組結(jié)構(gòu)截面圖Fig.8 Cross section of IPMSM with split stator windings

圖9為該結(jié)構(gòu)在不同工作模式下的簡(jiǎn)化圖。

圖9 系統(tǒng)工作模式簡(jiǎn)化圖Fig.9 Simplified diagram of system operating modes

在牽引模式下，電路等效為典型的三相全橋逆變電路，通過(guò)選擇合適的控制策略可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。

在充電模式下，電路等效為隔離型三相PWM整流電路，能夠?qū)崿F(xiàn)整功率因數(shù)充電，并且增強(qiáng)了充電系統(tǒng)的安全性。IPMSM進(jìn)一步優(yōu)化了充電器的體積和重量，并且三相PWM整流器的使用減少了諧波污染，提高了功率因數(shù)。

2.6.2 具有額外繞組的電機(jī)

文獻(xiàn)[34] 提出了在定子中多加一個(gè)繞組的電機(jī)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與充電一體化功能，如圖10所示。

圖10 基于具有額外繞組的同步磁阻電動(dòng)機(jī)的單相充電系統(tǒng)Fig.10 Single-phase charging system based on SynRM with extra winding

顯然，該電機(jī)的定子繞組是不對(duì)稱(chēng)的。圖中采用了一種同步磁阻電動(dòng)機(jī)（SynRM），作為一個(gè)固定的有氣隙的變壓器來(lái)使用，即在充電模式下電機(jī)不會(huì)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)充電進(jìn)行幾個(gè)周期后，轉(zhuǎn)子會(huì)自動(dòng)對(duì)齊到繞組電感最大的位置。多加的繞組可以根據(jù)轉(zhuǎn)換器的要求起到調(diào)整電壓等級(jí)的作用。

這種方法對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改變，增加了電機(jī)繞組和控制方法的復(fù)雜性，繞組制造費(fèi)用相應(yīng)地也會(huì)有所提高。

2.7 具有再生制動(dòng)功能的一體化混合拓?fù)?/h3>

文獻(xiàn)[35] 提出了一種具有再生制動(dòng)能力的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖11所示?？梢钥闯?，該拓?fù)湓陔妱?dòng)汽車(chē)傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)（即包括電機(jī)、逆變器、雙向DC／DC電路、蓄電池的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上，增加了額外的二極管整流橋、1個(gè)小電容、2個(gè)開(kāi)關(guān)以及1個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)S1，在充分利用原有電路的同時(shí)避免了大電感的使用。

圖11 具有再生制動(dòng)功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.11 Topology with regeneration brake function

在充電模式下，機(jī)械開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，即機(jī)械開(kāi)關(guān)左側(cè)電路不工作。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT3導(dǎo)通，VT2、VT4關(guān)斷時(shí)，電感在電源Us的作用下儲(chǔ)存能量，同時(shí)，與蓄電池并聯(lián)的電容對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)VT3關(guān)斷，VT2、VT4關(guān)斷時(shí)，電感通過(guò)二極管VD2、VD7釋放能量，對(duì)電容和蓄電池進(jìn)行充電。這種充電電路綜合了整流電路和升降壓轉(zhuǎn)換電路，具有功率因數(shù)校正功能。

在牽引模式下，機(jī)械開(kāi)關(guān)S1閉合，VT4導(dǎo)通，VT2作為升壓電路的主要開(kāi)關(guān)。當(dāng)VT2導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)存能量，電機(jī)的能量由直流側(cè)電容C1通過(guò)逆變器來(lái)提供。當(dāng)VT2關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生一個(gè)高電壓，對(duì)直流側(cè)電容進(jìn)行充電，同時(shí)通過(guò)逆變器向電機(jī)提供能量。

在再生制動(dòng)模式下，機(jī)械開(kāi)關(guān)S1閉合，VT2、VT4關(guān)斷，VT1作為降壓電路的主要開(kāi)關(guān)。當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)存能量，同時(shí)電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的能量流向蓄電池和與之并聯(lián)的電容。當(dāng)VT1關(guān)斷時(shí)，電感對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，與蓄電池并聯(lián)的電容也向其釋放能量。

但這種一體化拓?fù)渲荒懿捎脝蜗嚯娫垂╇姺绞?，并且充電時(shí)不具有隔離作用。

3 一體化混合拓?fù)淇刂品椒?/h2>

針對(duì)不同拓?fù)湓诔潆娔Ｊ较碌慕Y(jié)構(gòu)，學(xué)者們研究和應(yīng)用了不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄電池充電控制，其中最常用的是 PID 控制[28，35-39]。但是，電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)與蓄電池充電一體化混合拓?fù)涫堑湫偷姆蔷€性系統(tǒng)，因此PID控制器無(wú)法滿足其多目標(biāo)非線性的控制要求，下面總結(jié)了在此基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的一些控制方法。

3.1 基于宏觀能量表示法的控制方法

文獻(xiàn)[19] 采用2.5節(jié)中所介紹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用多機(jī)理論和宏觀能量表示法（EMR）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，綜合描述電、機(jī)混合系統(tǒng)的特性。多機(jī)理論適用于研究多相驅(qū)動(dòng)，尤其是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。EMR是一種基于能量流的圖形建模方法，適用于綜合描述電、機(jī)混合系統(tǒng)的特性，采用EMR所建模型的能量流動(dòng)情況變得更加清晰、直觀，更具條理性，有利于系統(tǒng)整體建模和控制的規(guī)范化，為研究復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)匹配與控制策略奠定了基礎(chǔ)。

此種控制方法在多機(jī)理論和宏觀能量表示法的基礎(chǔ)上，定義了2個(gè)虛擬電機(jī)M0和M1：M1是主要的虛擬電機(jī)，等價(jià)于由帕克變換所定義的標(biāo)準(zhǔn)dq電機(jī)，因此它采用了與標(biāo)準(zhǔn)dq電機(jī)相同的控制方法；M0是零序虛擬電機(jī)，用于控制由3次諧波分量所激發(fā)的零序電量值產(chǎn)生的擾動(dòng)，因此它需要一個(gè)特定的控制分支。通過(guò)比較有無(wú)M0平均電流的控制可以發(fā)現(xiàn)，在控制M0電流時(shí)能夠得到更好的電流和轉(zhuǎn)矩質(zhì)量。另外，這種控制方法還提出了一種能夠減少由電壓調(diào)制所產(chǎn)生的共模電壓的三級(jí)PWM法，以減少M(fèi)0電流紋波。

3.2 基于極點(diǎn)配置法的控制方法

文獻(xiàn)[29] 采用極點(diǎn)配置法（RST），設(shè)計(jì)了一種離散時(shí)間下的RST控制器用于控制2.5節(jié)中所介紹的PWM整流。RST以不定方程為基礎(chǔ)，能夠消除任意階數(shù)多項(xiàng)式的低頻干擾，并保證閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)增益。該控制器能夠達(dá)到響應(yīng)速度和系統(tǒng)性能之間的最佳平衡，并確保參考量和控制輸出量之間的穩(wěn)態(tài)誤差接近于零[40]。

RST控制完全不受電機(jī)繞組互感和電機(jī)繞組內(nèi)阻值的影響，即使在互感和內(nèi)阻值出現(xiàn)50%的波動(dòng)時(shí)仍能得到良好的仿真結(jié)果。不過(guò)RST的電流控制有時(shí)延，但是在實(shí)際使用中可接受。另外在實(shí)際應(yīng)用中，為了保護(hù)器件，控制器的輸出經(jīng)常飽和，因此需要加上飽和與抗飽和設(shè)備。

3.3 具有功率因數(shù)校正的交錯(cuò)控制法

文獻(xiàn)[26] 中采用2.3節(jié)所介紹的一體化混合拓?fù)?，在兼顧功率因?shù)校正的同時(shí)應(yīng)用交錯(cuò)控制完成充電算法。該方法將充電模式下升壓轉(zhuǎn)換器中的IPMSM繞組等效成四線共模模型與三線差模模型，采用相電流均衡計(jì)算和交錯(cuò)控制法，對(duì)這2種模型下的電流控制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)共模模型下的控制效果最佳。

在共模模型中，轉(zhuǎn)子各向異性對(duì)交錯(cuò)控制下的充電電流沒(méi)有影響。采用交錯(cuò)控制法之后，輸入／輸出電流的調(diào)制頻率為開(kāi)關(guān)頻率的3倍，電流波動(dòng)明顯減少，并提高了轉(zhuǎn)換效率和動(dòng)態(tài)控制。

4 一體化混合拓?fù)浒l(fā)展重點(diǎn)和難點(diǎn)

目前對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)與蓄電池充電一體化混合拓?fù)涞难芯窟€處于起步階段，在其拓?fù)鋬?yōu)化、控制技術(shù)等方面還有許多基本問(wèn)題和關(guān)鍵共性問(wèn)題值得去研究和探索，歸納如下。

a.驅(qū)動(dòng)與充電一體化混合拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，需充分利用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中已有的硬件結(jié)構(gòu)（如電機(jī)線圈作為濾波電感或儲(chǔ)能電感）重構(gòu)成充電裝置，保證在充電模式下電機(jī)的靜止運(yùn)行，避免電機(jī)磁化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子完全解耦，在完成基本充電功能的前提下，構(gòu)建具有功率因數(shù)校正功能及諧波消除多目標(biāo)優(yōu)化的充電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

b.考慮到電動(dòng)汽車(chē)在未來(lái)的推廣和普及，電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷將大幅度增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車(chē)將作為分散式儲(chǔ)能單元，成為智能電網(wǎng)的重要組成部分和電網(wǎng)削峰填谷的重要手段。電力電子變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的諧波污染和低功率因數(shù)問(wèn)題會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而且電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常處于頻繁的啟動(dòng)、停車(chē)、加速、減速狀態(tài)，其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)亦要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)有良好的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性，并具有高的功率密度。因此，探索研究大功率高功率因數(shù)與諧波補(bǔ)償優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)勢(shì)在必行。

c.一體化混合拓?fù)渲袑?duì)蓄電池充電時(shí)若采用PWM整流方式，則整流電路輸出固有的2次諧波不可避免，這會(huì)影響蓄電池充電質(zhì)量并縮短蓄電池使用壽命，而要消除低頻諧波，一般需要在直流側(cè)接上大電容或者LC濾波電路來(lái)消除低頻紋波電壓。如何在兼顧體積重量的基礎(chǔ)上消除2次諧波污染或者合理利用此部分能量，亦是需研究的主要問(wèn)題。

d.現(xiàn)有的大功率隔離型功率因數(shù)校正器大多在輸入功率因數(shù)校正器級(jí)前加工頻隔離變壓器或者在功率因數(shù)校正器后加入一個(gè)高頻隔離變壓器。第1種方式簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是電源系統(tǒng)笨重且代價(jià)高；第2種方式存在多級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)難以穩(wěn)定等問(wèn)題，并降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，實(shí)現(xiàn)一種單級(jí)隔離型功率因數(shù)校正器，完成中大功率高功率因數(shù)蓄電池充電裝置是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一。

e.隨著數(shù)字信號(hào)處理器的不斷發(fā)展，其運(yùn)算速度的加快和成本的降低，其用于控制電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和蓄電池充電，將很大程度上簡(jiǎn)化控制電路，降低成本，利于工業(yè)化的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)綜合考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高功率因數(shù)充電、諧波利用等控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)多目標(biāo)控制策略。

f.目前的一體化混合拓?fù)浯蠖际轻槍?duì)某一特定場(chǎng)合的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而基于一種應(yīng)用場(chǎng)合的設(shè)計(jì)思路很難應(yīng)用于另一場(chǎng)合，設(shè)計(jì)的通用性不強(qiáng)，另一方面，由于沒(méi)有統(tǒng)一理論作指導(dǎo)，要保證一體化混合后的電路仍能實(shí)現(xiàn)所需性能，設(shè)計(jì)人員必須深入理解電力電子電路，且具備豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，加上一體化后電路的工作機(jī)理較為復(fù)雜，這使得對(duì)變換器的分析變得困難。因此，如何總結(jié)一體化混合拓?fù)湓O(shè)計(jì)規(guī)律和分析方法從而設(shè)計(jì)出適用性強(qiáng)的拓?fù)涫侵档藐P(guān)注的問(wèn)題之一。

g.目前對(duì)一體化混合拓?fù)涞难芯看蠖鄶?shù)還停留在理論分析、仿真驗(yàn)證的階段，在分析仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)研究是未來(lái)研究的重中之重。

總之，目前的探索性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略很少綜合考慮驅(qū)動(dòng)與充電的結(jié)合與優(yōu)化，需要進(jìn)一步進(jìn)行理論研究與系統(tǒng)分析，總結(jié)前人的研究思路，改進(jìn)或研究新型拓?fù)洹?/p>

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與蓄電池充電一體化混合拓?fù)涞膰?guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并舉例分析了幾種新型拓?fù)浞桨福赋隽烁髯缘膬?yōu)缺點(diǎn)，闡述了相關(guān)控制方法，最后展望了該領(lǐng)域今后的發(fā)展方向。作為一種新興的電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)，電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與蓄電池高效充電一體化混合拓?fù)渥畲笙薅鹊貎?yōu)化了車(chē)載型充電器的充電質(zhì)量、體積、重量和成本，具有非常光明的發(fā)展和應(yīng)用前景，必將對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。