於 鋒,張 蔚，劉春華，朱志豪

(1. 南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2. 香港城市大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，香港 999077)

0 引言

近年來，汽車保有量一直處于不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，不可再生能源的消耗也隨之加劇，而且傳統(tǒng)汽車排放的尾氣造成了大氣污染，其引發(fā)的霧霾問題也對(duì)人類健康構(gòu)成了直接威脅。相比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，電動(dòng)汽車具有節(jié)能、環(huán)保、高效等優(yōu)勢(shì)。純電動(dòng)汽車是“零污染”的車輛，不消耗石油，不排放廢氣，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)噪聲小，易于控制，可以獲得良好的穩(wěn)態(tài)特性和四象限(再生制動(dòng))運(yùn)行的能力，代表了未來世界汽車發(fā)展的方向[1]。作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)，動(dòng)力電池組的充電時(shí)間與續(xù)航里程是制約其推廣的主要因素，而這些技術(shù)指標(biāo)與動(dòng)力電池組的充電技術(shù)息息相關(guān)。因此，電動(dòng)汽車的充電技術(shù)受到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。根據(jù)充電機(jī)所在位置的不同，電動(dòng)汽車充電機(jī)可以分為非車載充電機(jī)和車載充電機(jī)[2]。

經(jīng)過多年發(fā)展，傳統(tǒng)的車載充電技術(shù)已逐漸成熟，但其性能也愈加無法滿足日益提高的大功率、快速充電等飛速發(fā)展的需求，新型充電機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略相繼出現(xiàn)。作為近年來開始廣泛研究的新型充電系統(tǒng)，電驅(qū)重構(gòu)型充電EDRC(Electric-Drive-Reconstructed Charger)系統(tǒng)通過共用、重構(gòu)電驅(qū)系統(tǒng)的電力電子變換裝置、電機(jī)繞組、控制及傳感器單元，并通過優(yōu)化拓?fù)浼翱刂撇呗酝瓿烧?、逆變、功率因?shù)校正，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高功率因數(shù)充電、諧波治理等功能總集成，其結(jié)構(gòu)示意圖如附錄中圖A1所示。

EDRC系統(tǒng)早期主要針對(duì)車載充電機(jī)電力電子器件存在功率定額的限制，通過共用電驅(qū)大定額逆變器及電機(jī)繞組獲得更大的系統(tǒng)功率和更低成本的充電效果，以滿足大功率快充應(yīng)用場(chǎng)合的需求。根據(jù)電源輸入相數(shù)，EDRC系統(tǒng)通?？梢苑譃閱蜗嗪腿喑潆娔Ｊ剑淇刂品椒ㄒ才c傳統(tǒng)單/三相車載充電機(jī)的控制方法類似。近年來由于EDRC系統(tǒng)在商業(yè)純電動(dòng)汽車車型Renault ZOE上的成功應(yīng)用，研究熱潮進(jìn)一步興起。除三相驅(qū)動(dòng)電機(jī)場(chǎng)合之外，還可以利用多相電機(jī)實(shí)現(xiàn)交流充電接口控制的靈活性，開展其在車載三相快充等場(chǎng)合中的有效應(yīng)用。隨著研究的深入，EDRC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中所呈現(xiàn)的變換器重構(gòu)類型及驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取的多樣性、多變換器可單相或三相充電的靈活性、可設(shè)計(jì)成多相運(yùn)行的可靠性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高冗余性和容錯(cuò)性等優(yōu)勢(shì)特征以及其潛力被不斷挖掘，EDRC系統(tǒng)在車載充電的應(yīng)用研究正受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注[3-7]。但目前對(duì)EDRC系統(tǒng)拓?fù)涞难芯窟€處于起步階段，在其拓?fù)鋬?yōu)化、電磁分析、控制技術(shù)等方面還有許多基本問題和關(guān)鍵共性問題值得研究和探索，具體敘述如下。

首先，如何總結(jié)EDRC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)律和分析方法從而設(shè)計(jì)適用性強(qiáng)的拓?fù)涫侵档藐P(guān)注的問題之一。一方面，目前的EDRC系統(tǒng)拓?fù)浯蠖嗍轻槍?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，由于沒有統(tǒng)一理論做指導(dǎo)，要保證重構(gòu)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)，加上重構(gòu)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，對(duì)于EDRC系統(tǒng)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)繞組作為濾波電感或儲(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EDRC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

其次，電機(jī)繞組重構(gòu)為EDRC系統(tǒng)時(shí)交流側(cè)的濾波電感不僅起到濾除網(wǎng)側(cè)諧波電流、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)正弦電流的控制作用，還可以使變換器具有升壓特性。但鮮有文獻(xiàn)對(duì)充電過程中繞組通電對(duì)電機(jī)特別是永磁電機(jī)電磁特性的影響進(jìn)行分析，包括損耗、電感和電磁轉(zhuǎn)矩等。

綜上所述，當(dāng)進(jìn)行EDRC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析時(shí)，在系統(tǒng)拓?fù)涞耐ㄓ眯栽O(shè)計(jì)、繞組接入后電機(jī)電磁分析等方面不能照搬傳統(tǒng)電力電子相關(guān)的技術(shù)，必須加以創(chuàng)新。本文介紹了EDRC系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，包括輔助式EDRC技術(shù)、機(jī)械式EDRC技術(shù)、插入式EDRC技術(shù)及多相EDRC技術(shù)；對(duì)于EDRC系統(tǒng)接入三相電網(wǎng)后繞組通電對(duì)永磁電機(jī)損耗、電感、電磁轉(zhuǎn)矩的影響這3個(gè)方面，歸納和總結(jié)了國內(nèi)外EDRC的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)；針對(duì)不同控制目標(biāo)對(duì)EDRC的幾種主要控制技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)闡述；對(duì)EDRC系統(tǒng)的未來研究與發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 EDRC系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前已有文獻(xiàn)[3-7]對(duì)EDRC系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)綜述，但分類含糊，且均未對(duì)EDRC系統(tǒng)的三相大功率充電技術(shù)進(jìn)行集中討論，同時(shí)未能指出EDRC系統(tǒng)問題存在的本質(zhì)。

EDRC系統(tǒng)具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，主要源于所采用的電機(jī)、變換器及電源類型的多樣性。EDRC系統(tǒng)可采用感應(yīng)、永磁及開關(guān)磁阻等不同電機(jī)類型，可選用三相或多相電機(jī)型式，可運(yùn)行于單相或三相充電系統(tǒng)。而根據(jù)EDRC系統(tǒng)電機(jī)繞組重構(gòu)后作用型式、所串接變換器的類型和控制方式的不同，也可以對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活的分類。本文主要綜述三相交流接口結(jié)構(gòu)型式的EDRC技術(shù)，包括輔助式EDRC、機(jī)械式EDRC、插入式EDRC以及多相EDRC系統(tǒng)。

1.1 輔助式EDRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

輔助式EDRC拓?fù)涑灿秒婒?qū)系統(tǒng)電機(jī)繞組、逆變器及控制單元等，還需額外增設(shè)整流、直流變換裝置、開關(guān)器件、變壓器等，稱此方式為輔助式EDRC系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于6 kW軸向磁通永磁電機(jī)的輔助式EDRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)通過共用一套三相功率變換器及感應(yīng)電機(jī)三相繞組實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)及充電功能總集成，完成了從大型模塊堆疊轉(zhuǎn)換為完全模塊集成的創(chuàng)新技術(shù)，有效降低了系統(tǒng)成本。該輔助式EDRC系統(tǒng)在電機(jī)繞組中性點(diǎn)接有一個(gè)模式選擇開關(guān)K，通過切換模式后可使系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)模式下電機(jī)按三相Y型繞組接線方式運(yùn)行，在充電模式下電機(jī)繞組的自感作為充電時(shí)三相交錯(cuò)DC/DC變流器的儲(chǔ)能電感。上述方法雖然實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車充電機(jī)的集成，但仍需配置一套額外的AC/DC整流器+LC濾波器。文獻(xiàn)[9]在上述具有功率因數(shù)校正的輔助式EDRC拓?fù)涞幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了電動(dòng)機(jī)車用基于內(nèi)置式永磁電機(jī)的輔助式EDRC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并通過交錯(cuò)脈寬調(diào)制(PWM)方案有效省去了網(wǎng)側(cè)LC濾波裝置，同時(shí)該系統(tǒng)從電機(jī)磁鏈模型本質(zhì)出發(fā)準(zhǔn)確建立了電感數(shù)學(xué)模型，分別由漏感Ll、磁化電感Lm(θ)及零序電感L0三部分組成，得到的等效電路如附錄中圖A2所示，并通過共模與差模方案驗(yàn)證了電機(jī)各向異性并不影響重構(gòu)型直流變換器的動(dòng)態(tài)性能。為解決因電機(jī)繞組共模電壓過小引起的電流斷續(xù)問題，文獻(xiàn)[10]在附錄中圖A2的基礎(chǔ)上通過在三相繞組中性點(diǎn)處增設(shè)一個(gè)串聯(lián)附加電感Ladd，以實(shí)現(xiàn)直流斬波器工作在連續(xù)電流模式(CCM)，并通過交錯(cuò)PWM和同步PWM 2種方案的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了同步PWM方案在功率因數(shù)調(diào)整、相電流紋波方面具有更佳的充電特性。

圖1 基于6 kW軸向磁通永磁電機(jī)的EDRC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of EDRC system based on 6 kW axial flux permanent magnet motor

1.2 機(jī)械式EDRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

機(jī)械式EDRC拓?fù)湫柚秒x合器于分離狀態(tài)或利用機(jī)械裝置強(qiáng)行固定住轉(zhuǎn)子，使其在充電時(shí)保持靜止，稱此方式為機(jī)械式EDRC系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于6 kW感應(yīng)電機(jī)的工業(yè)卡車用機(jī)械式EDRC系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如附錄中圖A3所示。該系統(tǒng)將繞線式感應(yīng)電機(jī)重構(gòu)為工頻變壓器，并利用機(jī)械方法將轉(zhuǎn)子鎖住。充電時(shí)，電網(wǎng)三相電流流入被鎖住的轉(zhuǎn)子上的三相繞組，氣隙內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)而會(huì)在定子三相繞組上感生出三相電動(dòng)勢(shì)，再經(jīng)過整流橋變換為直流電為蓄電池充電，可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行、能量雙向流動(dòng)，其顯著優(yōu)點(diǎn)是通過感應(yīng)電機(jī)的氣隙形成網(wǎng)側(cè)與整流橋側(cè)的隔離，充電安全性更好。但該EDRC系統(tǒng)也存在明顯的不足，由于氣隙的存在，需要較大的勵(lì)磁電流，這會(huì)降低充電效率，此外充電時(shí)還需要額外的機(jī)械裝置鎖住轉(zhuǎn)子。文獻(xiàn)[12]分析了機(jī)械式EDRC系統(tǒng)充電過程中電磁轉(zhuǎn)矩的構(gòu)成機(jī)理，其大小主要取決于充電功率、電網(wǎng)電壓幅值、永磁磁鏈、極對(duì)數(shù)及永磁同步電機(jī)2次諧波電感，然后建立了充電電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型，并通過Maxwell & Simplorer聯(lián)合仿真驗(yàn)證，通過合理設(shè)計(jì)極對(duì)數(shù)、2次諧波電感和永磁磁鏈可有效降低充電電磁轉(zhuǎn)矩。為解決內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)因凸極效應(yīng)引起繞組等效阻抗激勵(lì)不平衡的問題，文獻(xiàn)[13]提出了一種基于帶阻尼條轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)的機(jī)械式EDRC系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如附錄中圖A4所示，定子繞組作為AC/DC網(wǎng)側(cè)濾波電感，轉(zhuǎn)子通過機(jī)械裝置固定，并根據(jù)電機(jī)磁路本征特性提出了一種新型參數(shù)辨識(shí)方案用于建立dq坐標(biāo)系下的等效電路。

為進(jìn)一步提高充電可靠性，瑞典學(xué)者S. Haghbin等設(shè)計(jì)了一種新型雙繞組機(jī)械式EDRC系統(tǒng)[14-16]，該系統(tǒng)完全共用電動(dòng)汽車原有電驅(qū)用電機(jī)繞組、逆變器及控制單元等，其結(jié)構(gòu)如附錄中圖A5所示。充電時(shí)通過接觸器將電機(jī)定子繞組轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)采用Y型接法的繞組，整個(gè)充電過程分為3步：預(yù)驅(qū)動(dòng)，即蓄電池給電機(jī)供電，使逆變器側(cè)繞組等效成一臺(tái)隔離型永磁交流發(fā)電機(jī)；電網(wǎng)頻率跟蹤，即網(wǎng)側(cè)繞組感生出的電壓頻率與電網(wǎng)頻率一致；充電，即閉合接觸器，此時(shí)電網(wǎng)電壓作用于網(wǎng)側(cè)繞組，逆變器側(cè)繞組感生電壓經(jīng)逆變器控制后為蓄電池充電。為防止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)引起電動(dòng)汽車移動(dòng)，整個(gè)充電過程中離合器處于分離狀態(tài)。該機(jī)械式EDRC系統(tǒng)通過完全共用電驅(qū)系統(tǒng)，有效提高了能源存儲(chǔ)空間。缺點(diǎn)是：充電運(yùn)行時(shí)，永磁電機(jī)一直處于旋轉(zhuǎn)工況，存在機(jī)械磨損，影響電機(jī)壽命，同時(shí)電機(jī)損耗相對(duì)較大。

1.3 插入式EDRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

插入式EDRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)型式完全復(fù)用電動(dòng)汽車原有的電驅(qū)逆變器、電機(jī)繞組以及控制單元等，無需增設(shè)額外開關(guān)、電力電子器件等，稱此類方式為插入式EDRC系統(tǒng)。法國學(xué)者A. Bruyere等在文獻(xiàn)[17]中提出了一種基于4極/64槽永磁同步電機(jī)的重構(gòu)化方案，將三相電機(jī)繞組設(shè)計(jì)成開繞組狀態(tài)，且每個(gè)繞組都引出了中間抽頭，其結(jié)構(gòu)如附錄中圖A6所示。充電運(yùn)行時(shí)，三相電網(wǎng)連接在中間抽頭上，2個(gè)并聯(lián)的半繞組連接在一個(gè)H橋變換器上。通過一定的控制策略，電網(wǎng)可以運(yùn)行在單位功率因數(shù)模式下。同時(shí)，只要每個(gè)半繞組流過平衡電流，電機(jī)定子就不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上沒有電磁轉(zhuǎn)矩輸出。充電過程中，即使不加人為抱閘，電動(dòng)汽車也不會(huì)移動(dòng)。本文以8極/48槽表貼式永磁電機(jī)為例，定子繞組接線如附錄中圖A7所示，充電模式下電機(jī)磁通密度分布及輸出轉(zhuǎn)矩的有限元仿真結(jié)果如附錄中圖A8所示，可以看出電機(jī)磁力線沿氣隙圓呈對(duì)稱分布，雖然分裂相之間產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相互抵消，實(shí)現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩輸出平均值為0，但存在一定量的鐵耗[18]。文獻(xiàn)[19]采用有限元模擬法，推導(dǎo)了轉(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，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[20]進(jìn)一步引入了零序分量作為控制自由度，通過改進(jìn)型弱磁調(diào)速方案擴(kuò)大了插入式EDRC做電驅(qū)運(yùn)行時(shí)的調(diào)速范圍。

研究學(xué)者們認(rèn)為[4-5]，這種插入式EDRC系統(tǒng)存在3個(gè)問題：電機(jī)的6個(gè)繞組之間存在耦合，要想保持繞組中電流的平衡，控制策略比較復(fù)雜；在電機(jī)本體設(shè)計(jì)上，各相繞組的中點(diǎn)處需要安裝抽頭，并且充電模式下需要斷開三相繞組的中性點(diǎn)，使各相繞組獨(dú)立；實(shí)際應(yīng)用中如何精確確定轉(zhuǎn)子位置。

文獻(xiàn)[21]提出了一種適用于四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車插入式EDRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)如附錄中圖A9所示，包括4個(gè)感應(yīng)或永磁電機(jī)、4個(gè)三相電壓型逆變器、1個(gè)直流側(cè)蓄電池以及1個(gè)用于控制該電路在電驅(qū)模式和充電模式之間轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)電路工作在充電模式，即轉(zhuǎn)換開關(guān)位置時(shí)，三相交流電源連接到3個(gè)電機(jī)的中性點(diǎn)，令同一套三相電壓逆變器的上/下橋臂開關(guān)信號(hào)同步，便可使電路重構(gòu)成一套三相可控整流變換器且具備功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能，如附錄中圖A10所示。該結(jié)構(gòu)下每套三相組繞組所流過的相電流相等，故不存在電磁轉(zhuǎn)矩。通過控制PWM整流器，可控制零序電流分量實(shí)現(xiàn)蓄電池充電或車-網(wǎng)互聯(lián)(V2G)模式。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，有很大的局限性。

1.4 多相EDRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車因其特殊的性能要求與惡劣的運(yùn)行環(huán)境，對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)提出了苛刻的要求。與三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，如高效、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、容錯(cuò)能力強(qiáng)等，為電動(dòng)汽車的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了一種新的解決方案[22-24]。為尋求多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的車載充電系統(tǒng)方案，一系列多相EDRC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼被提出。文獻(xiàn)[25-26]提出了基于六相對(duì)稱/不對(duì)稱感應(yīng)電機(jī)的EDRC系統(tǒng)，在六相不對(duì)稱繞組EDRC系統(tǒng)中需配置1個(gè)Y/Y-△型雙二次繞組變壓器，其結(jié)構(gòu)如附錄中圖A11(a)所示；在六相對(duì)稱繞組EDRC系統(tǒng)中需增設(shè)1個(gè)Y/Y-Y型雙二次繞組變壓器，其結(jié)構(gòu)如附錄中圖A11(b)所示，并通過相電流變換矩陣對(duì)六相繞組電流進(jìn)行合理分配，以控制基波轉(zhuǎn)矩電流分量為0，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零平均轉(zhuǎn)矩輸出，防止電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[27]提出了一種基于雙三相移180°表貼式永磁同步電機(jī)的多相EDRC系統(tǒng)，通過增設(shè)一套額外接觸器完成了三相電網(wǎng)電流的分配，其結(jié)構(gòu)如附錄中圖A12所示，并通過有效調(diào)節(jié)兩并聯(lián)變換器交錯(cuò)角度實(shí)現(xiàn)了不連續(xù)PWM控制方式下的環(huán)流抑制。

近年來，隨著研究的深入，國外研究人員已提出不同類型的多相電驅(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)EDRC系統(tǒng)的功能，并對(duì)EDRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索性的研究。如英國利物浦大學(xué)的Ivan Subotic和Emil Levi等學(xué)者在英國工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)的資助下相繼研制了基于五相、六相對(duì)稱/不對(duì)稱、九相不對(duì)稱感應(yīng)電機(jī)的多相EDRC系統(tǒng)[28-30]，并采用諧振式矢量比例控制器對(duì)充電諧波電流進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)了良好的控制效果，其中五相EDRC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該EDRC系統(tǒng)均采用電機(jī)繞組作為濾波電感，充電時(shí)輸入的三相交流電從兩相組繞組(六相系統(tǒng))或三相組繞組(九相系統(tǒng))的中性點(diǎn)流入，此時(shí)各相繞組相當(dāng)于2個(gè)或3個(gè)并聯(lián)的濾波電感，各相繞組內(nèi)流過的是大小、方向相同的零序電流，故電機(jī)內(nèi)部無任何旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，充電時(shí)轉(zhuǎn)子可保持靜止，該特性非常適合應(yīng)用于EDRC系統(tǒng)。需要注意的是，在五相EDRC系統(tǒng)的充電過程中，三相交流電會(huì)在多相電機(jī)基波子空間α軸上激勵(lì)轉(zhuǎn)矩分量(而β軸分量恒為0)，因此會(huì)引起脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但并不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上不會(huì)輸出電磁轉(zhuǎn)矩。

圖2 五相EDRC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of five-phase EDRC system

圖3 基于九開關(guān)變流器的六相EDRC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of six-phase EDRC system based on nine-switch converter

為進(jìn)一步減小系統(tǒng)成本，文獻(xiàn)[31]提出了一種采用九開關(guān)變流器供電的六相EDRC系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，充電時(shí)同樣具有無旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)特性。文獻(xiàn)[6]從轉(zhuǎn)矩電流分量及控制自由度角度透析了正弦波多相電機(jī)用于多相EDRC系統(tǒng)的本質(zhì)，將潛在轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生問題簡(jiǎn)化為激勵(lì)源從基波子空間轉(zhuǎn)移到諧波子空間的映射過程。為了便于工程實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[32]對(duì)九相永磁/感應(yīng)電機(jī)的EDRC系統(tǒng)整機(jī)效率和損耗進(jìn)行了測(cè)定，得到永磁和感應(yīng)電機(jī)的EDRC系統(tǒng)整機(jī)效率最高時(shí)可分別達(dá)92%和92.5%。

1.5 拓?fù)浔容^

由于上述的EDRC三相大功率充電系統(tǒng)有著不同的硬件拓?fù)?，?dǎo)致其具有不同的性能和特點(diǎn)。比如，輔助式EDRC系統(tǒng)一般工作于直流變換模式，有著較高的直流調(diào)節(jié)能力，但需額外配置整流裝置，其功率等級(jí)也相對(duì)較低；多相EDRC解決了傳統(tǒng)機(jī)械式EDRC充電轉(zhuǎn)矩及插入式EDRC繞組均流等帶來的問題，并且其功率等級(jí)較高。此外，它們的工作模式也不同，輔助式EDRC的電機(jī)繞組作用于直流側(cè)，更適合采用DC/DC運(yùn)行模式，而機(jī)械式EDRC、插入式EDRC及多相EDRC的電機(jī)繞組大多重構(gòu)為交流電感，更適合采用AC/DC運(yùn)行模式。為了便于深入理解，針對(duì)上述EDRC系統(tǒng)，從有無轉(zhuǎn)矩充電運(yùn)行、硬件重構(gòu)復(fù)雜度、電機(jī)繞組及逆變器作用方面進(jìn)行綜合比較，見表1。

表1 技術(shù)性能比較Table 1 Comparison of technical characteristics

目前市場(chǎng)上，輔助式EDRC系統(tǒng)已成功應(yīng)用于雷諾公司推出的商業(yè)純電動(dòng)車型Renault ZOE，該車配置的43 kW Chameleon充電機(jī)采用如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具備30 min充電80%的優(yōu)越性能。由于EDRC系統(tǒng)具有較高的能源存儲(chǔ)空間和更低的成本，相信在未來電動(dòng)汽車車載充電市場(chǎng)中必定占據(jù)一定份額。

2 永磁EDRC系統(tǒng)電磁分析

通過系統(tǒng)地文獻(xiàn)及產(chǎn)品調(diào)研，總結(jié)發(fā)現(xiàn)目前EDRC技術(shù)主要掌握在美國、法國、瑞典、英國等歐美汽車強(qiáng)國手里，且研究成果大多集中在感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)，而對(duì)于永磁EDRC系統(tǒng)特別是在EDRC系統(tǒng)接入三相電網(wǎng)后電機(jī)繞組通電對(duì)永磁電機(jī)電磁性能的影響方面研究較少，且存在如下問題：未考慮停止轉(zhuǎn)動(dòng)的永磁電機(jī)由于永磁磁場(chǎng)撤不掉，存在磁場(chǎng)回路，會(huì)造成一定的電機(jī)鐵耗；不同永磁電機(jī)存在不同電感值，且繞組重構(gòu)對(duì)EDRC系統(tǒng)的穩(wěn)定性有影響；凸極性永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置會(huì)對(duì)繞組等效電感有影響，不同轉(zhuǎn)子位置對(duì)應(yīng)不同等效電感，導(dǎo)致流過的正弦電流大小和相位不一致，轉(zhuǎn)子上會(huì)有轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生；對(duì)于諸如六相EDRC系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩電流有2個(gè)方向激勵(lì)，會(huì)影響電機(jī)中的振蕩轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩值大小是隨著時(shí)間和轉(zhuǎn)子位置變化而變化的，如何準(zhǔn)確建立該脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型需展開進(jìn)一步的研究。

2.1 對(duì)電機(jī)損耗的影響

由于永磁電機(jī)的功率密度大、定子散熱面積小、損耗密度高，在利用永磁電機(jī)繞組做EDRC濾波電感或儲(chǔ)能電感時(shí)，不能忽略繞組通電所產(chǎn)生的損耗。實(shí)質(zhì)上，EDRC模式下永磁電機(jī)是停止轉(zhuǎn)動(dòng)的，電機(jī)內(nèi)的交變磁場(chǎng)只由電樞電流產(chǎn)生；當(dāng)永磁電機(jī)做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)內(nèi)的交變磁場(chǎng)由永磁體和電樞電流共同產(chǎn)生，因此可以推測(cè)永磁電機(jī)做EDRC系統(tǒng)使用時(shí)的鐵耗是低于電機(jī)做電動(dòng)機(jī)時(shí)的情況。具體的情況有待結(jié)合真實(shí)的工況進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，即使是普通充電機(jī)，在電感的鐵芯中同樣會(huì)存在鐵耗，但是只要電機(jī)鐵耗不超過一定的范圍，所產(chǎn)生的溫升在可以接受的范圍之內(nèi)，就能保證電機(jī)運(yùn)行的安全性。圖4為電驅(qū)及充電工況下三相永磁電機(jī)的鐵耗有限元分析，可以看出，永磁電機(jī)在充電時(shí)的鐵耗與電驅(qū)工況相當(dāng)。

圖4 鐵耗有限元分析Fig.4 Finite element analysis of core loss

2.2 對(duì)電機(jī)電感的影響

不同電動(dòng)汽車的電機(jī)功率不同，繞組的電感值也不同，在利用電機(jī)繞組做AC/DC濾波電感時(shí)，會(huì)影響充電機(jī)的輸入電流動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，這就要求AC/DC環(huán)節(jié)有較高的動(dòng)態(tài)電流調(diào)節(jié)能力且具備優(yōu)良的濾波效果；在利用電機(jī)繞組做DC/DC變換儲(chǔ)能電感時(shí)，會(huì)影響充電器的輸出電壓范圍，這就要求DC/DC環(huán)節(jié)有較高的輸出電壓范圍且能工作在CCM。然而不同電動(dòng)汽車所用永磁電機(jī)繞組電感并不相同，一般在1～200 mH范圍內(nèi)[33]。為驗(yàn)證不同電感對(duì)系統(tǒng)性能的影響，本文以永磁電驅(qū)重構(gòu)為三相交錯(cuò)Buck電路為例[34]，特別地，若因電機(jī)繞組電感量過小引起電流斷續(xù)問題，可在三相繞組中性點(diǎn)處增設(shè)一個(gè)串聯(lián)附加電感Ladd。其等效電壓外環(huán)小信號(hào)模型傳遞函數(shù)可表示為：

(1)

其中，Rser為輸出電容C的等效串聯(lián)電阻；R為負(fù)載電阻；L為電機(jī)繞組電感；Ui為輸入電壓。繪出其Bode圖如圖5所示。

圖5 不同L值下電壓外環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖Fig.5 Bode diagram of voltage outer-loop transfer function under different values of L

從圖5中可看出，隨著電機(jī)繞組電感L的增大，電壓環(huán)的帶寬會(huì)有所減小。圖6為不同電感情況下的主導(dǎo)極點(diǎn)分布圖?？梢钥闯?，極點(diǎn)關(guān)于實(shí)軸對(duì)稱分布在左半平面，隨著L的增大，極點(diǎn)向原點(diǎn)趨近，系統(tǒng)衰減振蕩后趨于穩(wěn)定，這與Bode圖分析結(jié)果一致。由以上分析可知，電機(jī)電感并不會(huì)影響EDRC的穩(wěn)定性，且對(duì)控制環(huán)的帶寬影響甚微，因此，EDRC系統(tǒng)思想可應(yīng)用于不同電動(dòng)汽車電驅(qū)方案。

圖6 不同L值下電壓外環(huán)傳遞函數(shù)極點(diǎn)分布Fig.6 Root locus distribution of voltage outer-loop transfer function with different values of L

2.3 對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

由第1節(jié)的EDRC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)討論可知，在三相充電系統(tǒng)中利用電機(jī)繞組作為濾波電感主要應(yīng)用于多電機(jī)或多相EDRC系統(tǒng)，會(huì)存在電機(jī)旋轉(zhuǎn)的問題，這在充電過程中是絕對(duì)不允許發(fā)生的。學(xué)者們從電機(jī)本體考慮，外加一定的電流控制策略，在理論上可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)靜止，但并沒有研發(fā)出實(shí)際工程樣機(jī)。且未集中考慮永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩輸出的影響，主要體現(xiàn)在每相繞組的等效電感與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，并聯(lián)的繞組等效電感不同，導(dǎo)致流過的正弦電流大小和相位不一致。在開始充電時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子是緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的，就會(huì)在繞組中產(chǎn)生激勵(lì)電動(dòng)勢(shì)，引起支路電流的不均流，進(jìn)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的氣隙磁場(chǎng)。本文從合成氣隙磁動(dòng)勢(shì)角度綜合研究轉(zhuǎn)子位置對(duì)平均轉(zhuǎn)矩輸出的影響，同時(shí)結(jié)合多相EDRC多控制自由度，最終將電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理問題簡(jiǎn)化為激勵(lì)源從基波子空間轉(zhuǎn)移到諧波子空間的映射過程。

以基于繞組對(duì)稱分布的六相永磁電機(jī)EDRC系統(tǒng)為例，按照空間矢量解耦及幅值不變?cè)瓌t，可得六相對(duì)稱系統(tǒng)自然坐標(biāo)系到靜止坐標(biāo)系的擴(kuò)展派克變換形式如下：

(2)

假定電網(wǎng)三相平衡，則輸出電流為：

(3)

其中，Im為電流有效值。

結(jié)合相繞組電流分配原則，即：

(4)

將式(3)代入式(4)，結(jié)合式(2)可得電機(jī)六相繞組系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩平面(α-β)及諧波平面(x-y)電流分量為：

(5)

可以看出，充電時(shí)三相交流電會(huì)在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩平面的α和β軸上均激勵(lì)轉(zhuǎn)矩分量，如圖7所示，因此會(huì)在繞組中產(chǎn)生激勵(lì)電動(dòng)勢(shì)，在開始充電時(shí)，轉(zhuǎn)子上會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，就有可能導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)，這與文獻(xiàn)[35]的分析不一致。

圖7 平面α-β及x-y電流軌跡Fig.7 Current locus on plane α- β and x- y

由電機(jī)學(xué)原理知，電磁轉(zhuǎn)矩等于電流不變時(shí)磁共能Wco對(duì)機(jī)械角位移的偏導(dǎo)數(shù)，則電磁轉(zhuǎn)矩推導(dǎo)為：

(6)

其中，is=[iaibic]；Ls為電感矩陣；θ為轉(zhuǎn)子電角度；np為極對(duì)數(shù)；ψfd為永磁磁鏈的幅值；ξ=[cosθcos(θ-2π/n) … cos[θ-2(n-1)π/n]]T。可以看出，永磁電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是關(guān)于轉(zhuǎn)子電角度θ的函數(shù)，且主要包括以下2個(gè)部分：永磁磁鏈與電樞電流作用產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩，由電感變化引起的磁阻轉(zhuǎn)矩。因此，求得平均轉(zhuǎn)矩為0時(shí)轉(zhuǎn)子位置解為：

θ=30° 或θ=210°

(7)

為避免開始充電時(shí)繞組中產(chǎn)生的激勵(lì)電動(dòng)勢(shì)，必須對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行重新定義和限制，本文將2套三相繞組的第1相繞組中心軸的轉(zhuǎn)子位置定義為轉(zhuǎn)子初始位置角度，即θ=30°。參照矢量空間解耦方法中坐標(biāo)變換的選取，將變換矩陣式(2)改寫為：

(8)

其中，δ=60°。

同理推得轉(zhuǎn)矩平面和諧波平面的電流分量為：

(9)

由轉(zhuǎn)矩平面的電流表達(dá)式可知，轉(zhuǎn)矩平面α軸上會(huì)激勵(lì)轉(zhuǎn)矩分量，但β軸分量恒為0，這會(huì)引起脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但并不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。圖8為充電過程中九相永磁電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩分析結(jié)果，可見電機(jī)輸出平均轉(zhuǎn)矩為0，并且幅值很低(電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為110 N·m)，不足以產(chǎn)生電機(jī)旋轉(zhuǎn)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

圖8 電磁轉(zhuǎn)矩分析結(jié)果Fig.8 Results of electromagnetic torque analysis

因此，可以考慮電機(jī)設(shè)計(jì)方面，只要充電電流均衡，并控制轉(zhuǎn)子初始位置于定子極對(duì)稱位置時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

3 EDRC系統(tǒng)控制方法

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)用了不同的方法實(shí)現(xiàn)蓄電池充電控制，其中最常用的是比例-積分-微分(PID)控制。文獻(xiàn)[32,36]將EDRC系統(tǒng)的充電過程分為恒壓、恒流、恒功率3種充電模式，并揭示了不同充電模式下均可采用基于3個(gè)PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象跟蹤及單位功率運(yùn)行的功能。同時(shí)，為消除繞組電感耦合的影響，可在電流內(nèi)環(huán)加入耦合分量的前饋解耦控制，以實(shí)現(xiàn)dq軸電流的全解耦，采用前饋解耦的雙閉環(huán)控制框圖如圖9所示。

圖9 采用前饋解耦的雙閉環(huán)控制框圖Fig.9 Control block diagram of double closed-loop with decoupled feedforward

但是，電動(dòng)汽車EDRC拓?fù)涫堑湫偷姆蔷€性系統(tǒng)，因此PID控制器無法滿足其多目標(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 基于功率因數(shù)校正的交錯(cuò)PWM控制

功率因數(shù)校正功能是現(xiàn)代電動(dòng)汽車充電技術(shù)的標(biāo)配，易實(shí)現(xiàn)小電流及低損耗充電功能。文獻(xiàn)[9]提出一種輔助式EDRC系統(tǒng)用功率因數(shù)校正和相電流均衡控制的方案，如附錄中圖A13所示。該方案通過電池管理系統(tǒng)得到充電電流參考值，并與實(shí)際電流比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到占空比。在固定轉(zhuǎn)子角位置的基礎(chǔ)上，通過閉環(huán)控制得到交直軸電流分量的占空比補(bǔ)償項(xiàng)，以保證各相電流均衡。同時(shí)，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，并對(duì)這2種模型下的電流控制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究發(fā)現(xiàn)共模模型下由于轉(zhuǎn)子各向異性對(duì)交錯(cuò)控制下的充電電流沒有影響，控制效果較佳。采用交錯(cuò)PWM控制算法后，輸入/輸出電流的調(diào)制頻率為開關(guān)頻率的3倍，電流波動(dòng)明顯減少，并有效提高了轉(zhuǎn)換效率和動(dòng)態(tài)性能。

3.2 基于宏觀能量表示法的控制

針對(duì)如附錄中圖A6所示的插入式EDRC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[17]采用多機(jī)理論和宏觀能量表示EMR(Energetic Macroscopic Representation)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，如附錄中圖A14所示。該方案定義了2個(gè)虛擬電機(jī)M0和M1，M1為基本虛擬電機(jī)，M0為零序虛擬電機(jī)。用作電驅(qū)時(shí)，可另設(shè)一個(gè)M0控制分支，抑制由3次諧波分量所激勵(lì)的零序分量繞組，以獲得較好的電流及轉(zhuǎn)矩輸出性能；用作充電時(shí)，利用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制技術(shù)對(duì)網(wǎng)側(cè)電流dq軸分量進(jìn)行獨(dú)立控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有功及無功功率的有效調(diào)節(jié)。

3.3 基于諧振式矢量比例控制器的雙閉環(huán)控制

針對(duì)多相EDRC系統(tǒng)，文獻(xiàn)[28-30]提出了基于諧振式矢量比例VPI(Vector Proportional-Integral)控制器的雙閉環(huán)控制策略，利用2個(gè)PI調(diào)節(jié)器并結(jié)合前饋解耦補(bǔ)償設(shè)計(jì)，通過獨(dú)立調(diào)節(jié)直、交軸電流分量實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)充電運(yùn)行，即控制電流分量iqg=0，僅調(diào)節(jié)電流分量idq完成恒流及恒壓充電模式。同時(shí)，為抑制由逆變器死區(qū)效應(yīng)和電網(wǎng)畸變引起的網(wǎng)側(cè)低次諧波電流，設(shè)計(jì)了6次和12次諧波的VPI諧振控制器，以消除5、7、11、13次諧波電流的影響。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[30]通過增設(shè)2次諧波電流的VPI諧振控制器，有效抑制了由電機(jī)參數(shù)不對(duì)稱引起的網(wǎng)側(cè)2次諧波電流，并獲得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，其控制框圖如附錄中圖A15所示。

3.4 環(huán)流抑制及諧波治理

EDRC系統(tǒng)大多采用模塊并聯(lián)技術(shù)，如附錄中圖A6、A9及A11等所示的結(jié)構(gòu)，通過功率器件并聯(lián)，可以大幅提高系統(tǒng)的功率等級(jí)、可靠性及效率。同時(shí)模塊并聯(lián)也給變換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、容量擴(kuò)展、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性等方面帶來了便利，但是模塊并聯(lián)同樣也帶來了環(huán)流的問題。共直流母線交流側(cè)直接并聯(lián)的三相PWM變換器或共直流母線直流側(cè)直接并聯(lián)的DC/DC變換器中會(huì)產(chǎn)生零序電流的環(huán)流通道。由于并聯(lián)模塊間的硬件參數(shù)不匹配及控制效果(如零序占空比)的不同，在并聯(lián)模塊間將會(huì)產(chǎn)生零序的環(huán)流。環(huán)流會(huì)使網(wǎng)側(cè)電流發(fā)生畸變，增加損耗，降低系統(tǒng)功率；同時(shí)會(huì)使電機(jī)繞組磁路飽和，產(chǎn)生電感損耗，并使電感發(fā)熱。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)會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。另外，EDRC系統(tǒng)拓?fù)渲袑?duì)蓄電池充電時(shí)若采用PWM整流方式，則整流電路不可避免地輸出固有的2次諧波，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，一般在直流側(cè)接上大電容或者LC濾波電路消除低頻紋波電壓。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題。

4 結(jié)論

本文介紹了電動(dòng)汽車用EDRC系統(tǒng)拓?fù)涞膰鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀，并舉例分析了幾種新型拓?fù)浞桨?，指出了各自的?yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)分析了充電過程中繞組通電對(duì)電機(jī)特別是永磁電機(jī)電磁特性的影響，闡述了相關(guān)控制方法，展望了該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。目前對(duì)EDRC系統(tǒng)拓?fù)涞难芯看蠖噙€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)研究是未來研究的重中之重。作為一種新興的電動(dòng)汽車充電技術(shù)，電動(dòng)汽車用EDRC系統(tǒng)最大限度地優(yōu)化了車載充電機(jī)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)汽車的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

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