基于混合勵磁型電機構(gòu)造的車載集成式充電系統(tǒng)研究

基于混合勵磁型電機構(gòu)造的車載集成式充電系統(tǒng)研究

0集成式車載充電機拓?fù)浜涂刂品椒ǜ攀鼋陙?，隨著能源危機和環(huán)境問題的日益突出，國內(nèi)和科學(xué)研究部門高度重視電動汽車的開發(fā)，促進(jìn)了世界電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展。電動汽車充電機可分為車載充電機和非車載獨立充電機。對于非車載獨立充電機，公共大型充電站可以滿足電動汽車大功率快充需求，但存在建設(shè)成本高、周期長等問題，在中大型城市還存在建設(shè)用地緊張等問題；另一方面，私人充電樁也存在線路改造復(fù)雜、車位空間限制等局限基于以上情況，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，其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有以下特點與優(yōu)勢(1）該類系統(tǒng)的一般原理：停車時，將電動汽車中電機驅(qū)動系統(tǒng)重構(gòu)為充電機，由市電對電池進(jìn)行充電，實現(xiàn)了驅(qū)動電機和功率器件的分時復(fù)用，僅需少量增加或不增加額外功率器件，在成本、質(zhì)量和體積方面具備明顯優(yōu)勢。(2）在重構(gòu)而成的集成式車載充電機中，電機繞組一般作為電網(wǎng)側(cè)線電感使用；驅(qū)動逆變器則通常被重構(gòu)為全控型整流器或直流變換器，完成電能轉(zhuǎn)換并給車輛動力電池充電。(3）一般而言，電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)在功率等級方面要遠(yuǎn)大于其充電系統(tǒng)，因此，該類集成式車載充電機在理論上可以實現(xiàn)大功率快速充電。鑒于以上優(yōu)勢，自1985年集成式充電系統(tǒng)思路出現(xiàn)以來，各國學(xué)者對該類系統(tǒng)展開了全方位的研究。特別是近年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和電機驅(qū)動控制技術(shù)的高速發(fā)展，相應(yīng)地，基于不同類型電機和不同拓?fù)潋?qū)動器的集成式充電系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，它們各具特點、性能各異。因此，有必要對現(xiàn)有集成式車載充電機拓?fù)浜涂刂品椒ㄟM(jìn)行總結(jié)歸納，以對后續(xù)研究工作提供指導(dǎo)和幫助。另一方面，電動汽車領(lǐng)域?qū)﹄姍C及其驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速范圍和容錯能力都提出了更高要求，因此，繼承了傳統(tǒng)永磁電機高效率、高功率密度特點，同時又兼具電勵磁電機磁場直接調(diào)節(jié)能力的混合勵磁型電機，在電動汽車領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注綜上所述，本文將首先綜述現(xiàn)有的各類集成式車載充電系統(tǒng)拓?fù)?。區(qū)別于目前已發(fā)表的多篇關(guān)于該類系統(tǒng)的綜述文獻(xiàn)（大多從電機數(shù)量、電機類型、系統(tǒng)集成度等角度進(jìn)行歸類介紹），本文首先，將詳細(xì)分析集成式充電系統(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)及其控制方法對以上問題的解決方案；其次，深入分析混合勵磁電機在構(gòu)建該類型系統(tǒng)中的特點與優(yōu)勢，并以一臺五相混合勵磁型磁通切換電機為例，驗證所提出觀點的正確性；最后，總結(jié)全文，并對集成式車載充電系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展進(jìn)行展望。1存在的關(guān)鍵技術(shù)問題本節(jié)將首先介紹可以完成集成式充電基本功能的早期原始拓?fù)?，并分析和總結(jié)出該類系統(tǒng)中存在的四個關(guān)鍵技術(shù)問題。進(jìn)而，將分別從解決以上四個問題的角度，對該類系統(tǒng)的各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行較為清晰的梳理和綜述。1.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演化的關(guān)鍵問題通過復(fù)用車內(nèi)電機驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)造的集成式車載充電系統(tǒng)始于1985年進(jìn)入20世紀(jì)90年代，伴隨著大功率IGBT器件的大規(guī)模商用，基于全控型變換器的電機驅(qū)動系統(tǒng)日趨成熟，與其相對應(yīng)的集成式車載充電系統(tǒng)也相繼出現(xiàn)。圖2所示為文獻(xiàn)基于三相電機的三相集成式充電機拓?fù)淙鐖D3所示，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則是最早提出的三相集成式車載充電機以上單相和三相集成式車載充電系統(tǒng)均為早期提出的可以完成基本充電功能的原始拓?fù)?，雖然科研工作者進(jìn)行了一系列后續(xù)研究工作，仍能從以上兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中提煉出集成式車載充電系統(tǒng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面亟待解決的幾個共性技術(shù)問題：(1）單相集成式系統(tǒng)中增加額外功率器件的問題。如圖2所示結(jié)構(gòu)中額外增加的整流器。(2）三相集成式系統(tǒng)中，充電時產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩的問題。如圖3所示的三相充電拓?fù)渲?，?dāng)三相對稱電流通入驅(qū)動電機的三相對稱繞組時，必然會在電機氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，從而在電機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生持續(xù)的轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)動或振動，這是集成式系統(tǒng)在充電模式下必須要避免的情況。(3）充電系統(tǒng)的電氣隔離問題。在車載充電系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)電氣隔離雖不是強制性要求，但考慮到充電安全性，具有電氣隔離能力的充電系統(tǒng)總是更優(yōu)的選擇(4）電網(wǎng)電壓與車載電池組電壓的電壓匹配問題。以上原始結(jié)構(gòu)存在一個共同問題，即圖2所示結(jié)構(gòu)中的DC-DC變換器與圖3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某一特定值，則變換器無法輸出滿足電池充電要求的工作電壓，現(xiàn)有的多種集成式系統(tǒng)則是通過在母線與電池之間增加額外DC-DC變換器來解決這一問題的其中，問題（1）、問題（2）、問題（4）是必須解決的，否則系統(tǒng)無法完成基本功能的主要問題，而解決問題（3）則可以為系統(tǒng)提供更高的安全性（雖然現(xiàn)有充電機標(biāo)準(zhǔn)中均不做強制性要求）。以上為本文總結(jié)出的集成式車載充電系統(tǒng)中廣泛存在的四個關(guān)鍵技術(shù)問題，下面將以這四個問題為導(dǎo)向，綜述各類集成式車載充電系統(tǒng)。1.2式充電機中電機充電機中問題的解決方法在構(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中。針對問題，目前主要通過打開電機繞組連接和利用雙電機驅(qū)動系統(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。1.2.1改變電機連接方式文獻(xiàn)1.2.2雙電驅(qū)動器系統(tǒng)：用于車輛的輔助電驅(qū)動器當(dāng)電動汽車由雙電機系統(tǒng)驅(qū)動，或車內(nèi)存在另一套輔助電驅(qū)系統(tǒng)時，則可以采用如圖5所示基于雙電機系統(tǒng)的單相集成式車載充電機的方案1.3相集成式充電機集成式系統(tǒng)在充電過程中產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，主要發(fā)生在三相集成式充電機中。目前，解決該問題的本質(zhì)目標(biāo)和思路都是對充電時的氣隙磁場進(jìn)行控制，保證充電時網(wǎng)側(cè)三相對稱電流流入電機繞組后，在氣隙中不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。1.3.1重建脈相軸的電機矩陣圖6給出基于裂相三相異步電機的三相集成式充電機1.3.2啟動組合電機多篇文獻(xiàn)都報道了基于開繞組電機的三相集成式充電系統(tǒng)1.3.3多相功率設(shè)備隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，多相電機驅(qū)動系統(tǒng)因其低轉(zhuǎn)矩脈動、高可靠性等優(yōu)勢，在電動汽車等高功率驅(qū)動領(lǐng)域日益受到關(guān)注1.3.4在充電期間關(guān)閉電機旋轉(zhuǎn)與上述幾種解決方案不同，一種令電機在充電期間保持旋轉(zhuǎn)的集成式充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示1.4充電機的選擇在各國的充電機標(biāo)準(zhǔn)中，電氣隔離均不作為強制性要求，但出于安全性考慮，具備這一功能的充電機總是更優(yōu)的選擇。目前，在集成式車載充電系統(tǒng)中添加電氣隔離功能的主要思路為在功率級中增加或構(gòu)造出隔離變壓器。1.4.1將電機重構(gòu)為變壓器與電力變壓器類似，電機同樣由線圈繞組和導(dǎo)磁鐵心等構(gòu)成，因此，通過改造電機繞組的連接方式，即可將電機重構(gòu)為一臺變壓器。第1.3.4節(jié)介紹過的集成式充電機即為該類型結(jié)構(gòu)（見圖9），此處不再贅述。另外，文獻(xiàn)1.4.2將其放置于車輛內(nèi)和集成式輕量化的目標(biāo)另外一種較為普遍的方法是在車內(nèi)或車外增加額外的工頻隔離變壓器，如圖11所示。文獻(xiàn)一般而言，由于工頻變壓器體積和質(zhì)量均較大，將其放置于車內(nèi)與集成式充電機輕量化的目標(biāo)相矛盾，而放置于車外又增加了網(wǎng)側(cè)充電接口的復(fù)雜度，與集成式充電機的便捷性和高集成度特性不符，因此該方案很少被采用。1.4.3新型能源電子投影考慮到工頻變壓器在體積和質(zhì)量方面的劣勢，多種基于新型隔離型電力電子拓?fù)涞募墒匠潆姍C相繼問世1.5電壓履行問題在集成式充電系統(tǒng)中，電機電感通常作為網(wǎng)側(cè)線電感使用，其重構(gòu)而成的變換器均基于升壓原理，將導(dǎo)致直流母線電壓必然高于某一特定值（隨電網(wǎng)電壓變化），若電池所需充電電壓低于該值，則充電機無法工作。目前，已有多種解決該問題的方案，其本質(zhì)均為將充電過程分解為兩個功率級完成。一般而言，第一級完成電能的交直流轉(zhuǎn)換；第二級則完成充電電壓的匹配。1.5.1基于四個獨立驅(qū)動系統(tǒng)的集群充電機文獻(xiàn)1.5.2集成式變換器結(jié)構(gòu)在單電機驅(qū)動系統(tǒng)中，多篇文獻(xiàn)提出了將電驅(qū)系統(tǒng)重構(gòu)為Buck-Boost變換器的集成式充電機分析可知，該類型結(jié)構(gòu)實際上是1.2.1節(jié)所介紹結(jié)構(gòu)的一個變種，雖然在功能上解決了集成式系統(tǒng)電壓匹配的問題，但重構(gòu)得到的Buck-Boost變換器只能對直流電進(jìn)行整定，所以需要增加額外的不可控整流器來完成交直流轉(zhuǎn)換工作。1.5.3電壓匹配問題的缺陷文獻(xiàn)以基于開關(guān)磁阻電機（SwitchedReluctanceMachine,SRM）的集成式充電機為例該系統(tǒng)在不增加額外功率器件的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了集成式充電機的基本功能，且解決了電壓匹配問題，但仍存在一些缺陷：首先，由于三相驅(qū)動系統(tǒng)電機繞組有限，當(dāng)部分繞組被用作構(gòu)建第二級變換器后，剩余繞組無法實現(xiàn)三相充電；其次，對于電機本身而言，其三相繞組阻感參數(shù)基本一致，而當(dāng)電機繞組作為功率變換器中的無源器件使用時，其所在的不同功率級對于電感參數(shù)的要求并不一致。因此，使用三相繞組作為不同功率級中的無源器件，無法保證系統(tǒng)輸出電流紋波等指標(biāo)的要求。另一方面，基于分裂勵磁繞組雙凸極電機（SplitField-WindingDoublySalientMachine,SFW-DSM）的集成式充電系統(tǒng)則給出了更好的解決方案2雙閉環(huán)控制方法集成式充電系統(tǒng)通常由單相/三相全橋整流器和基于升壓或降壓原理的直流變換器構(gòu)成，因此在控制方法上采用一般電力電子變換器的電壓電流雙閉環(huán)控制即可。而對于運行模式，文獻(xiàn)與此同時，與傳統(tǒng)充電機相比，由于集成式充電系統(tǒng)將電機繞組作為電力電子變換器中的無源器件使用，因此需要采用一些特殊方法來解決其在控制過程中存在的一些固有問題。2.1充電過程中脈振轉(zhuǎn)速的控制采用1.1節(jié)中介紹的集成式拓?fù)浞桨福梢员ＷC電機在充電模式下不產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，然而，在提出的部分結(jié)構(gòu)（如各類單相集成式充電機和基于五相、七相電機的三相集成式充電機）中，盡管轉(zhuǎn)子不會旋轉(zhuǎn)，但仍會產(chǎn)生工頻脈振轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機在充電過程中不斷振動，產(chǎn)生噪聲。為解決該問題，國內(nèi)外學(xué)者從控制角度做出了嘗試?；谝慌_表貼式永磁同步電機，文獻(xiàn)隨后，文獻(xiàn)2.2各相轉(zhuǎn)化中的電流不平衡和轉(zhuǎn)子在基于多相電機的集成式充電系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)線電感通常由多個電機相繞組并聯(lián)而成，如圖8中所示的集成式充電機。在這種情況下，由于相同轉(zhuǎn)子位置下不同相繞組的氣隙長度不一致，將導(dǎo)致并聯(lián)的各相繞組參數(shù)不盡相同。因此，如果各相繞組對應(yīng)的逆變器橋臂僅共用相同驅(qū)動信號，會導(dǎo)致各相繞組中的電流不平衡，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生不受控的轉(zhuǎn)矩。基于以上原因，采用電機相繞組并聯(lián)方式的集成式充電系統(tǒng)均需要采用繞組電流平衡算法，以保證充電模式下各相繞組電流的平衡。實際上，電流平衡算法的關(guān)鍵在于要對每個繞組的驅(qū)動器橋臂進(jìn)行獨立控制，因此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。圖18給出兩種電流平衡算法（基于五相電機的單相集成式充電系統(tǒng)）2.3pfc控制模型對于集成式充電系統(tǒng)，為了實現(xiàn)充電機的功率因數(shù)校正（PowerFactorCorrection,PFC）運行，通常需要采集電網(wǎng)電壓并利用鎖相環(huán)（Phase-LockLoop,PLL）電路跟蹤電網(wǎng)相位另一方面，集成式充電系統(tǒng)在PFC控制中所需的并非電網(wǎng)相位值而是其正弦或余弦值3多系統(tǒng)耦合電機動態(tài)特性基于第1.2節(jié)對傳統(tǒng)集成式車載充電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題和現(xiàn)有解決方案的綜述和梳理，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，雖然對于各個問題都進(jìn)行了一定程度的研究，但實際鮮有可以同時解決多個關(guān)鍵技術(shù)問題的方案。因此，基于第1節(jié)中各個關(guān)鍵問題中較為合理的解決方案，同時也考慮到混合勵磁型電機五相磁通切換型混合勵磁（Hybrid-ExcitationFlux-Switching,HEFS）電機結(jié)構(gòu)如圖20所示在該系統(tǒng)中，電機電樞繞組及其逆變器橋臂被重構(gòu)為第一級全橋整流變換器，而電機勵磁繞組和逆變器橋臂則組成了母線與電池之間的第二級DC-DC變換器。兩級變換器之間在控制上相互獨立，而無源器件（即電機電樞和勵磁繞組）在磁場上又相互耦合。下面將對該集成式充電系統(tǒng)的優(yōu)勢和特點進(jìn)行分析。3.1充電模式下的舉如1.3.3節(jié)所述，采用多相電機結(jié)構(gòu)并合理選擇充電模式下的繞組連接方式，可以有效解決集成式充電系統(tǒng)充電時產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩的問題，其具體的繞組配合方式的篩選方法參見文獻(xiàn)3.2在兩組功率級之間實現(xiàn)電壓匹配與1.5.3節(jié)所述結(jié)構(gòu)類似，基于多相混合勵磁電機的集成式充電系統(tǒng)可以采用兩級功率級充電的方式來解決電壓匹配問題。3.3兩級功率級可優(yōu)化電兩級變換器分別由相互獨立的電樞系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)重構(gòu)而成，因此可以方便地依據(jù)變換器需求對兩套繞組系統(tǒng)的電磁參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。若按照電機原設(shè)計，電機勵磁繞組的額定電流非常小（僅為3A)3.4提高氣隙磁場強度第2.1節(jié)提到，在采用零起動轉(zhuǎn)矩拓?fù)涞募墒匠潆姍C中，仍可能存在脈振轉(zhuǎn)矩，通過控制轉(zhuǎn)子位置的方法并不能完全解決問題。而對基于混合勵磁電機的集成式充電系統(tǒng)而言，其充電電流經(jīng)由勵磁繞組流通，可以對氣隙磁場產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。因此，只要合理配置充電電流的流通方向，即可在充電時減弱氣隙磁場強度，從而進(jìn)一步減小可能產(chǎn)生的脈振轉(zhuǎn)矩幅值。圖23給出額定勵磁電流對充電模式下最大脈振轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的削弱作用，可以看出，在弱磁情況下，脈振轉(zhuǎn)矩幅值被有效抑制，若配合2.1節(jié)介紹的脈振轉(zhuǎn)矩消除方法，則可以基本消除脈振轉(zhuǎn)矩帶來的不利影響。3.5集成式充電機三、四水三方面方案表2給出了本文中列舉的全部集成式車載系統(tǒng)拓?fù)湓诮鉀Q各個關(guān)鍵技術(shù)問題和使用全控型器件數(shù)量及其電壓電流應(yīng)力方面的對比?？梢钥闯?，現(xiàn)有各類集成式車載充電系統(tǒng)各具優(yōu)勢和特點。而僅有圖13、圖16和圖21所示的三類方案能夠同時解決該類系統(tǒng)的三個主要問題。在這三類方案中，圖13所示的基于四輪獨立驅(qū)動系統(tǒng)的集成式充電機雖然由于分布式驅(qū)動系統(tǒng)尚未大規(guī)模普及導(dǎo)致其應(yīng)用場景受限，但確實是具有良好前景的集成式充電機解決方案；圖16所示的基于SFW-DSM的集成式充電機方案，則由于其電機性能不具優(yōu)勢而限制了其應(yīng)用；而基于本文的綜述分析提出的基于五相HEFS電機的集成式車載充電機，除了不具備電氣隔離能力外，在多個方面均具有優(yōu)勢，而在功率器件數(shù)量、器件電壓電流應(yīng)力方面也不處于劣勢，因此是一種極具潛力的集成式車載充電系統(tǒng)解決方案。4未來的研究方向本文分別從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法兩方面，總結(jié)了電動汽車用車載集成式充電系統(tǒng)亟待解決的若干關(guān)鍵問題，并從解決問題的角度，對近年出現(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，以一臺五相HEFS電機為例，闡述了多相混合勵磁型電機在該領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢和前景，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，起動轉(zhuǎn)矩和電壓匹配兩個問題較為關(guān)鍵，直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作。2）對于起動轉(zhuǎn)矩問題，主要依賴于電機繞組連接方式的重構(gòu)，基本思路均為令電機的氣隙磁場軌跡為零或一條直線。與重新拆分三相電機繞組相比，直接使用多相電機來構(gòu)建集成式充電機是一種更好的選擇。3）對于電壓匹配問題，本質(zhì)上都需要構(gòu)建兩級變換器，第一級負(fù)責(zé)整流和PFC操作，第二級則負(fù)責(zé)電壓整定和匹配工作。對此，具備兩套獨立繞組的混合勵磁電機無疑更具優(yōu)勢。4）在控制方法方面，可以解決的問題主要包括充電時脈振轉(zhuǎn)矩、繞組電流不平衡以及盡量少增加傳感器而實現(xiàn)PFC運行的問題。5）多相混合勵磁型電機因其特殊的結(jié)構(gòu)特點，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解決起動轉(zhuǎn)矩、電壓匹配、轉(zhuǎn)矩脈動等問題，優(yōu)勢明顯。隨著電動汽車在全球范圍內(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，而滿足以上特點的車載集成式充電系統(tǒng)也將繼續(xù)成為研究熱點，其后續(xù)的發(fā)展和研究方向可以展望為：1）基于新型電機驅(qū)動系統(tǒng)（包含新型電機和新型逆變器拓?fù)鋬煞矫妫┑募墒杰囕d充電系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計。通過本文的梳理，可以發(fā)現(xiàn)多相混合勵磁型電機在集成式車載充電系統(tǒng)的應(yīng)用當(dāng)中頗具優(yōu)勢，而隨著近年來電機分析設(shè)計理論和控制理論的不斷發(fā)展，新的電機結(jié)構(gòu)、功率級拓?fù)浜涂刂品椒▽映霾桓F，挖掘新結(jié)構(gòu)電機、先進(jìn)電力電子拓?fù)浜蛯捊麕骷诩墒杰囕d充電系統(tǒng)中的作用和優(yōu)勢，如文獻(xiàn)2）基于新型電動汽車驅(qū)動模式的集成式充電系統(tǒng)設(shè)計。隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的不斷發(fā)展，近年