王曉姬 王道涵 王柄東 王秀和

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)/充電一體化系統(tǒng)及其控制策略綜述

王曉姬 王道涵 王柄東 王秀和

（山東大學(xué)電氣工程學(xué)院 濟(jì)南 250061）

傳統(tǒng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)和充電系統(tǒng)相互獨(dú)立工作，存在充電容量小、質(zhì)量體積大、成本高等問(wèn)題。而驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)通過(guò)將電機(jī)繞組和逆變器進(jìn)行合理重構(gòu)，復(fù)用于充電系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化和高度集成化，進(jìn)一步提高系統(tǒng)功率密度。該文首先對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外提出的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納總結(jié)分類，論述各類型一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理、優(yōu)點(diǎn)以及存在的主要問(wèn)題；然后，針對(duì)目前驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題對(duì)電動(dòng)汽車不同運(yùn)行模式下的控制策略進(jìn)行綜述；最后，對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

驅(qū)動(dòng)充電系統(tǒng) 一體化拓?fù)?電動(dòng)汽車 控制策略

0 引言

近年來(lái)，能源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，新能源汽車作為一種清潔能源交通工具得到快速發(fā)展，并獲得廣泛關(guān)注[1-2]。純電動(dòng)汽車以蓄電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)動(dòng)力來(lái)源，技術(shù)成熟且成本低，擁有巨大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。然而，作為電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中提供能量補(bǔ)給的重要環(huán)節(jié)，充電系統(tǒng)是其重要的基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)[3-4]。能否方便、高效地為車載電源充電，成為制約電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

目前，電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)主要有兩類：一類是非車載充電系統(tǒng)；另一類是車載充電系統(tǒng)。非車載充電系統(tǒng)通常集成在充電樁及大型充電機(jī)內(nèi)，安裝在停車場(chǎng)、車庫(kù)等固定場(chǎng)所，其充電功率一般在50 kW以上，以直流電輸出方式為主，充電速度快，但存在基礎(chǔ)設(shè)施投資大和需要特別維護(hù)等問(wèn)題，并且由于需要較大充電功率，還需要重視對(duì)電網(wǎng)的保護(hù)[5]。車載充電系統(tǒng)通常直接安裝在電動(dòng)汽車上，當(dāng)電動(dòng)汽車接入三相或者單相交流電后，借助車載充電系統(tǒng)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，充電功率等級(jí)較低，但其充電所需時(shí)間較長(zhǎng)，一般適用于汽車閑置狀態(tài)下充電[6]。并且由于車載充電系統(tǒng)內(nèi)部存在大量電力電子器件，容易造成電網(wǎng)輸入電流波形畸變、功率因數(shù)降低等問(wèn)題，需要加入功率因數(shù)校正（Power Factor Correction, PFC）模塊。

隨著電動(dòng)汽車電池技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程不斷增加，對(duì)公共充電樁的依賴已顯著降低，而對(duì)更加便利的私人充電樁需求日益增加[7-8]。采用直流快充方式需要建造大量充電樁，占用大量土地面積且造價(jià)昂貴。同時(shí)，大規(guī)模直流充電站對(duì)充電技術(shù)和充電安全性要求相對(duì)較高，大多在白天運(yùn)行，進(jìn)一步加重了電網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。而交流慢充式的私人充電樁一般在夜間充電，一定程度上緩解了電網(wǎng)壓力。此外，采用車載充電系統(tǒng)可以針對(duì)車載電源特性進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)，充電功率和充電電流小，減小對(duì)車載電源的損耗，可以很好地完善能源管理系統(tǒng)。因此，交流慢充式的車載充電系統(tǒng)是緩解電動(dòng)汽車充電問(wèn)題的有效解決方案[9]。

雖然車載充電系統(tǒng)能夠使電動(dòng)汽車不再依賴充電樁，充電更加方便，但是目前大多數(shù)電動(dòng)汽車中驅(qū)動(dòng)和充電系統(tǒng)是相互獨(dú)立分別運(yùn)行的，會(huì)造成電動(dòng)汽車體積與質(zhì)量的增加，使得車載充電系統(tǒng)容量受到限制[10]。為了解決這一問(wèn)題，有關(guān)研究將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)集成，提出“驅(qū)動(dòng)充電一體化”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中部分器件復(fù)用于充電系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率變換器功能高度集成化，以提高車載設(shè)備的利用率并有效降低成本。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員已提出了不同類型的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)車載充電系統(tǒng)性能方面各有差異。本文介紹了驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其發(fā)展歷程，在已有研究的基礎(chǔ)上，梳理了近年來(lái)各文獻(xiàn)中提出的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行分類和總結(jié)，針對(duì)當(dāng)前一體化系統(tǒng)存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題對(duì)相關(guān)控制策略進(jìn)行詳細(xì)分析。最后，對(duì)驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)及其控制策略的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)發(fā)展概述

近年來(lái)，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，傳統(tǒng)電動(dòng)汽車中電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和充放電系統(tǒng)是相互獨(dú)立的。汽車中變換器、電機(jī)和控制器等組件通常僅用于驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)電池能量不足時(shí)，通過(guò)另外一套車載充電系統(tǒng)為電池充電。典型的車載充電系統(tǒng)通常由AC- DC變換器、PFC模塊和DC-DC變換器構(gòu)成，如圖1a所示。由于車載充電系統(tǒng)中存在大量電力電子器件，容易造成電網(wǎng)輸入電流波形畸變、功率因數(shù)降低等問(wèn)題，需要加入PFC模塊以減小電路中的諧波損耗。然而，這種相互獨(dú)立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不可避免地增加了汽車的體積和質(zhì)量，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)的集成可以解決這一問(wèn)題。

圖1 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中變換器部分器件、電機(jī)繞組加以重構(gòu)，結(jié)合相關(guān)控制器復(fù)用于充電系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和充電功能的集成化，如圖1b所示。驅(qū)動(dòng)模式下，電動(dòng)汽車通過(guò)功率變換器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)切換至充電模式時(shí)，電機(jī)繞組和變換器開(kāi)關(guān)器件復(fù)用于充電系統(tǒng)為電池充電。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化概念最早在1985年由D. Thimmesch提出，將電動(dòng)乘用車中的電池充電器集成到逆變器電路組件中，在34 kW功率等級(jí)的驅(qū)動(dòng)變換器基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了3.6 kW的車載充電功能[11]。W. E. Ripple于1990年申請(qǐng)了一種將三相逆變器組件和交流電源供電的直流電源充電器組件集成的專利，設(shè)計(jì)了通過(guò)單相交流電網(wǎng)給車載電源充電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)方案，節(jié)省了設(shè)備組件的成本和質(zhì)量以及所需的空間[12]。至此，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

法國(guó)法雷奧發(fā)動(dòng)機(jī)和電氣系統(tǒng)公司對(duì)電動(dòng)汽車多相電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提出能量宏觀表示法，可大大降低電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制性能[13]。奧地利應(yīng)用科學(xué)大學(xué)為降低消費(fèi)者和汽車制造商成本開(kāi)展雙向集成車載充電器的研究，通過(guò)仿真模擬驗(yàn)證了電壓定向控制的可行性[14]。韓國(guó)現(xiàn)代起亞汽車公司對(duì)比分析了不同集成電池充電器案例，驗(yàn)證了使用兩個(gè)逆變器的交錯(cuò)控制方法為最佳，可大幅降低輸入電流紋波[15]。美國(guó)馬里蘭大學(xué)研究了用于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的集成車載充電器，經(jīng)測(cè)試在電動(dòng)和再生制動(dòng)模式下均可達(dá)到復(fù)合諧波標(biāo)準(zhǔn)并且能以高功率因數(shù)運(yùn)行，但需要增加額外的AC-DC變換單元[16]。瑞典查爾姆斯理工大學(xué)從永磁電機(jī)繞組入手對(duì)用于混合動(dòng)力汽車的集成充電器展開(kāi)研究，建立有限元模型來(lái)模擬系統(tǒng)瞬態(tài)性能[17]；并綜述了不同類型的隔離與非隔離集成充電器，提出一種基于裂相永磁電機(jī)的隔離型高功率雙向集成充電器，但仍需要離合器等少量額外部件并缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[18]。加拿大溫莎大學(xué)致力于研究?jī)?nèi)置阻尼桿永磁電機(jī)在電動(dòng)汽車集成充放電中的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁電機(jī)繞組用作交流充電電感在靜止條件下產(chǎn)生不平衡阻抗的問(wèn)題[19]。國(guó)內(nèi)比亞迪公司將逆變器復(fù)用于充電系統(tǒng)中，提出了一種電動(dòng)汽車集成控制系統(tǒng)，需要額外的LC濾波器參與充電[20]。河北工業(yè)大學(xué)提出將電機(jī)繞組中心抽頭引出，可以很好地解決充電模式繞組電流平衡問(wèn)題，但增加了系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量[21]。南京航天航空大學(xué)針對(duì)功率等級(jí)較高的電動(dòng)汽車提出了一種驅(qū)動(dòng)充電集成拓?fù)?，?shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)、電氣隔離、較強(qiáng)容錯(cuò)能力等功能[22]。

2 驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電系統(tǒng)改進(jìn)的思路有以下兩點(diǎn)：①驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)元器件復(fù)用于充電系統(tǒng)；②復(fù)用電機(jī)繞組或者改變電機(jī)結(jié)構(gòu)重構(gòu)驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)。

隨著對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)的深入研究，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合已提出不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，根據(jù)電機(jī)類型可以分為基于永磁電機(jī)和基于無(wú)永磁體電機(jī)的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)；根據(jù)充電并網(wǎng)類型可以分為基于單相并網(wǎng)和基于三相并網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)；根據(jù)是否存在電氣隔離可以分為隔離型和非隔離型驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)；其他特殊驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)是基于特殊電機(jī)或改變電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括多相電機(jī)、分裂繞組電機(jī)和開(kāi)路繞組電機(jī)等[23-27]。

2.1 基于永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/h3>

永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）、無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless DC motor, BLDC）、感應(yīng)電機(jī)（Induction Motor, IM）和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor, SRM）是大多數(shù)電動(dòng)汽車的首選驅(qū)動(dòng)電機(jī)[28-29]。其中，PMSM和BLDC為永磁電機(jī)（Permanent Motor, PM），IM和SRM為無(wú)永磁體電機(jī)。PMSM功率密度、功率因數(shù)和效率高，但成本也相對(duì)較高；BLDC調(diào)速范圍廣、轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異、效率高，但其恒功率范圍有限，適用于功率等級(jí)在300 W以下的單一速度和穩(wěn)定速度運(yùn)行的場(chǎng)合；IM的控制技術(shù)成熟，調(diào)速性能較好，多用于高速大功率電動(dòng)汽車，但其在小負(fù)荷范圍內(nèi)效率較低；SRM相對(duì)成本較低，具有轉(zhuǎn)速范圍寬、散熱能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但其存在噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等問(wèn)題。針對(duì)這些類型電機(jī)，研究人員提出了各種集成驅(qū)動(dòng)充電方案。

文獻(xiàn)[30]提出基于PMSM定子繞組開(kāi)路的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的逆變器被復(fù)用于充電系統(tǒng)中，PMSM定子繞組被重構(gòu)為充電系統(tǒng)中的網(wǎng)側(cè)濾波電感，集成的驅(qū)動(dòng)充電系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)車載充電器大大減小了所占電動(dòng)汽車的體積與質(zhì)量。在驅(qū)動(dòng)模式下，通過(guò)數(shù)字信號(hào)控制開(kāi)關(guān)S1、S2、S3，使電機(jī)繞組呈星形聯(lián)結(jié)；當(dāng)系統(tǒng)處于充電模式時(shí)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)使電機(jī)定子繞組開(kāi)路并與電網(wǎng)連接構(gòu)成電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，定子繞組用作網(wǎng)側(cè)濾波電感可以濾除網(wǎng)側(cè)電流諧波，在實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能元件與電網(wǎng)能量雙向流動(dòng)的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)車與網(wǎng)互聯(lián)（Vehicle-to-Grid, V2G）功能。

圖2 基于PMSM定子繞組開(kāi)路的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/p>

與傳統(tǒng)相互獨(dú)立的車載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)相比，基于PMSM定子繞組開(kāi)路的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)在集成度方面具有明顯的經(jīng)濟(jì)型優(yōu)勢(shì)，但仍存在以下問(wèn)題：

（1）充電模式下，交流電網(wǎng)與車載電源之間缺少電氣隔離，存在一定的安全隱患，不利于內(nèi)部電力電子器件的可靠運(yùn)行。

（2）電機(jī)定子繞組開(kāi)路重構(gòu)為充電系統(tǒng)，當(dāng)電機(jī)繞組中流過(guò)交流電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或者振顫時(shí)，會(huì)造成一定的旋轉(zhuǎn)損耗。

文獻(xiàn)[30]對(duì)驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)存在的電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行研究與改進(jìn)，分析對(duì)比了單相全橋變換模式、三相全橋變換模式和三相四橋臂變換模式下電磁轉(zhuǎn)矩、系統(tǒng)重構(gòu)復(fù)雜程度和濾波特性等方面的優(yōu)缺點(diǎn)。這些模式下，系統(tǒng)在充電狀態(tài)中均可解決電磁轉(zhuǎn)矩問(wèn)題，單相全橋變換模式下電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，電機(jī)重構(gòu)復(fù)雜程度小。然而，改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)只能接單相電網(wǎng)充電，由于電源受容量限制，充電功率有限，充電時(shí)間長(zhǎng)。

2.2 基于無(wú)永磁體電機(jī)的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/h3>

針對(duì)PMSM繞組電感值低，充電過(guò)程容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，以及IM和SRM兩種無(wú)永磁體電機(jī)存在效率低等問(wèn)題，文獻(xiàn)[31]設(shè)計(jì)了一種新型的雙凸極電磁電機(jī)（Doubly Salient Electromagnetic Machine, DSEM）。DSEM是一種非永磁電機(jī)，分離的勵(lì)磁繞組和電樞繞組使其可以被很好地應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)中，如圖3所示。電動(dòng)模式下，開(kāi)關(guān)Q1、Q2關(guān)閉，蓄電池經(jīng)前級(jí)DC-DC變換器和逆變器驅(qū)動(dòng)DSEM工作；充電模式下，開(kāi)關(guān)Q1、Q2打開(kāi)，DSEM的電樞繞組用作三相脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）整流器的濾波繞組，三相電網(wǎng)經(jīng)整流器再反向使用DC-DC變換器為蓄電池充電。

圖3 基于DSEM的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/p>

當(dāng)系統(tǒng)工作在充電模式下時(shí)，電網(wǎng)輸出的三相交流電經(jīng)過(guò)電樞繞組將產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，因此，DSEM的輸出轉(zhuǎn)矩需要保持為零以減少轉(zhuǎn)子振動(dòng)。文獻(xiàn)[31]提出的一體化拓?fù)湓陔妱?dòng)模式下兩組勵(lì)磁繞組F1、F2流過(guò)的電流方向相同，電機(jī)正常驅(qū)動(dòng)工作；在充電模式下，兩組勵(lì)磁繞組F1、F2中流過(guò)的電流方向相反，電機(jī)整體去磁，此時(shí)電樞繞組中通入三相電流也不會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩。在此結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)可以獲得更好的充電性能并減小系統(tǒng)電流紋波，但充電系統(tǒng)中缺少電氣隔離，并且由于其反電動(dòng)勢(shì)呈非正弦性，可能導(dǎo)致磁場(chǎng)畸變，引發(fā)較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

文獻(xiàn)[32]提出了一種基于四相八槽六極（8/6）SRM的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，如圖4所示。圖中，a14、a23、b14、b23、c14、c23、d14、d23分別為電機(jī)A、B、C、D四相繞組電感，NA、NB、NC、ND為四相的中心抽頭節(jié)點(diǎn)。所研究的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用分體式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并與中心抽頭SRM繞組相結(jié)合，四相功率變換器分為兩個(gè)雙相變換器，電池E1經(jīng)兩相變換器Ⅰ為SRM的A、B相供電，電池E2經(jīng)兩相變換器Ⅱ?yàn)镾RM的C、D相供電。在驅(qū)動(dòng)模式下，變換器拓?fù)湎喈?dāng)于傳統(tǒng)非對(duì)稱半橋拓?fù)?，具有較好的容錯(cuò)能力并能提高系統(tǒng)可靠性。并且兩個(gè)變換器均可以工作在再生制動(dòng)模式下回收制動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模式下電池荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）平衡。靜止模式下可以通過(guò)改變接線方式平衡電池E1和電池E2之間的電壓。充電模式下，該系統(tǒng)支持車載動(dòng)力電池直流和交流充電，具有多電平變換器的特點(diǎn)。然而，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)繞組需要分開(kāi)，中心抽頭節(jié)點(diǎn)需要被包含在變換器中，并且充電過(guò)程中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中每個(gè)相位電感會(huì)隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化。

圖4 基于SRM的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/p>

同步磁阻電機(jī)（Synchronous Reluctance Motor, SynRM）具有高可靠性、高效率和低成本等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上沒(méi)有永磁體，相比于PMSM制造成本相對(duì)較低，同時(shí)避免了SRM運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲大的問(wèn)題。文獻(xiàn)[33]針對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種六相同步磁阻電機(jī)，電機(jī)采用繞組冗余設(shè)計(jì)，使其在充電時(shí)可用作變壓器。充電模式下，SynRM的一組繞組連接至逆變器，另一組連接至交流電網(wǎng)，如圖5所示。對(duì)充電模式下轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和鎖定兩種情況下系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，與三相電網(wǎng)連接時(shí)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子充電性能最佳，而與單相電網(wǎng)連接時(shí)鎖定轉(zhuǎn)子充電性能最佳。但同樣需要考慮繞組電感受轉(zhuǎn)子位置影響的問(wèn)題。另一方面，這種電機(jī)類型目前在電動(dòng)汽車牽引中應(yīng)用較少，因?yàn)樗诠β拭芏?、比轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)方面的性能較弱[34]。

圖5 基于SynRM的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/p>

2.3 基于單相并網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/h3>

電動(dòng)汽車充電技術(shù)的發(fā)展使得對(duì)便捷的私人充電樁需求日益增加，私人充電樁大多配置在居民小區(qū)或者室內(nèi)停車場(chǎng)內(nèi)，所用電源主要以單相或者三相交流電為主。單相電源插座的廣泛使用促進(jìn)了具有單相充電能力的電動(dòng)汽車的發(fā)展，并且單相交流充電可以減小充電時(shí)脈動(dòng)功率對(duì)車載電池壽命的影響。然而，單相充電只能提供緩慢的充電水平。

文獻(xiàn)[35]提出的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。在驅(qū)動(dòng)模式下，車載儲(chǔ)能電源通過(guò)雙向DC-DC變換器，經(jīng)三相橋式變換器為電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)功率，如圖6a所示。在充電模式下，單相交流電網(wǎng)經(jīng)二極管橋和電機(jī)繞組以及雙通道交錯(cuò)升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行整流，再經(jīng)雙向DC-DC變換器為車載電源充電，如圖6b所示。

圖6 文獻(xiàn)[35]提出的單相并網(wǎng)驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/p>

文獻(xiàn)[35]所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外附加大的電感或者電容，在額定功率下只需要附加一個(gè)二極管橋。充電模式下，電機(jī)的三相繞組被復(fù)用于雙通道交錯(cuò)升壓轉(zhuǎn)換器中，可以有效消除電流紋波，且只需要連接三相交流電機(jī)的相端，不需要連接繞組中性點(diǎn)或者繞組中點(diǎn)。同時(shí)，采用單相交流充電可以防止充電期間電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

文獻(xiàn)[36]提出一種用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，如圖7所示。該系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換器由雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC變換器和三相四橋臂DC-AC變換器構(gòu)成。為減小直流母線上的電容尺寸，采用有源緩沖器和一個(gè)小的薄膜電容器代替?zhèn)鹘y(tǒng)大電容，來(lái)抑制直流母線電壓波動(dòng)，提高系統(tǒng)效率。系統(tǒng)采用單相電網(wǎng)接口，充電過(guò)程中電機(jī)繞組被重新用作網(wǎng)側(cè)濾波器，可以減少驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)所占體積，同時(shí)，相同的基頻電流流過(guò)電機(jī)三相繞組，可以抵消電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。DAB變換器可以將車載儲(chǔ)能電源和交流電網(wǎng)隔離，避免電網(wǎng)充放電時(shí)對(duì)電池或者電網(wǎng)造成沖擊。但采用隔離式DC-DC變換器會(huì)增加電路所占電動(dòng)汽車內(nèi)體積與質(zhì)量，并且相較于非隔離式DC-DC變換器效率較低。

圖7 文獻(xiàn)[36]提出的單相并網(wǎng)驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/p>

2.4 基于三相并網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/h3>

由于單相充電的功率水平受充電電源容量限制，采用三相電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)快速電池充電。文獻(xiàn)[37]提出的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)如圖8所示，變換器部分由電流源轉(zhuǎn)換器和三相橋式逆變器組成。充電模式下，此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不需要對(duì)原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做任何調(diào)整，也不需要設(shè)計(jì)額外的開(kāi)關(guān)元件改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者重新配置系統(tǒng)拓?fù)?，即可?shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率相當(dāng)?shù)母吖β嗜嗉沙潆?。文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)子內(nèi)裝阻尼桿的內(nèi)置式PMSM用于驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，解決了轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下各電樞等效電感值不相等的問(wèn)題，在充電狀態(tài)下轉(zhuǎn)子需要機(jī)械堵轉(zhuǎn)，避免不必要的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，然而這樣會(huì)增加磨損，降低系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)[37]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比于文獻(xiàn)[19]中提出的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以防止充電期間電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，減少不必要的系統(tǒng)磨損。然而，需要將額外的三相接口變換器接入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中來(lái)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，電氣隔離需要由車外三相供電變壓器實(shí)現(xiàn)。

圖8 基于電流源變換器的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/p>

目前，對(duì)于大多數(shù)三相充電的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電機(jī)繞組作為充電/V2G模式下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的一部分，繞組中通入交變電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將使系統(tǒng)在充電過(guò)程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和振動(dòng)[38]。一些三相充電的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)中，建議采用轉(zhuǎn)子機(jī)械閉鎖裝置、離合器等以及通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)使定子繞組重新排布，以避免電動(dòng)汽車充電過(guò)程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和振動(dòng)[39-41]。然而，這些方法會(huì)降低系統(tǒng)性能，增加系統(tǒng)磨損。因此，實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程中電機(jī)零轉(zhuǎn)矩在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)研究過(guò)程中具有較大挑戰(zhàn)性。

2.5 隔離型驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/h3>

文獻(xiàn)[36]提出的一體化系統(tǒng)拓?fù)渲邪珼AB變換器，可以滿足系統(tǒng)對(duì)大功率密度和高安全性能的要求，控制策略簡(jiǎn)單，可以消除充電轉(zhuǎn)矩，但只能用于單相電網(wǎng)集成充電。文獻(xiàn)[42]在文獻(xiàn)[36]的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，通過(guò)繼電器可以改變系統(tǒng)拓?fù)涔ぷ髟诓煌哪Ｊ较拢囕d電源既可以連接至單相電網(wǎng)充電也可以連接至三相電網(wǎng)充電。文獻(xiàn)[43]提出了一種采用耦合磁性器件（Coupled Magnetic Device, CMD）的隔離型驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，如圖9所示。通過(guò)調(diào)整升壓轉(zhuǎn)換器中開(kāi)關(guān)器件的相位，CMD可分別用作驅(qū)動(dòng)模式下DC-DC變換器的升壓電感器和充電模式下AC-DC變換器的隔離變壓器。驅(qū)動(dòng)模式下，低壓電池經(jīng)DC-DC變換器再經(jīng)逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，直流母線電壓可以根據(jù)負(fù)載情況實(shí)時(shí)調(diào)整以提高系統(tǒng)效率；充電模式下，電網(wǎng)電壓經(jīng)隔離型AC-DC變換器和矩陣變換器為低壓電池充電。提出的新型耦合磁性器件可以增強(qiáng)電路中的電感，同時(shí)降低開(kāi)關(guān)頻率，但需要增加額外的矩陣變換器。

圖9 采用耦合磁性器件的隔離型驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/p>

在已有的研究中，電機(jī)繞組復(fù)用于充電系統(tǒng)中通常作為充電模式下變換器中的電感，其還可以用作充電系統(tǒng)中的隔離變壓器。當(dāng)電機(jī)繞組在充電模式下被復(fù)用作隔離變壓器時(shí)，其可以在靜止?fàn)顟B(tài)下運(yùn)行，也可以在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下運(yùn)行。

文獻(xiàn)[44]提出一種驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，在充電模式下，繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)用作降壓變壓器，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)滑環(huán)和接觸器連接至三相電網(wǎng)，定子繞組仍然連接到逆變器。采用機(jī)械鎖避免在充電期間轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且由于系統(tǒng)工作效率與定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙長(zhǎng)度相關(guān)，造成較大的磁化電流，影響系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)[45]提出了一種基于雙定子繞組PMSM的隔離式驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)淙鐖D10所示，驅(qū)動(dòng)模式下兩組獨(dú)立繞組互相串聯(lián)；充電模式下，逆變器側(cè)繞組（繞組1）用于使轉(zhuǎn)子與三相電網(wǎng)同步，電網(wǎng)側(cè)繞組（繞組2）在同步時(shí)與三相電網(wǎng)連接，在充電期間電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，兩組三相繞組在充電模式下充當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器。根據(jù)繞組1上感應(yīng)的三相電壓，由三相逆變器控制電池充電。由于與驅(qū)動(dòng)模式相比，電壓減半，因此最大充電功率也被限制在額定電機(jī)功率的一半。并且實(shí)際應(yīng)用中，在轉(zhuǎn)子軸和車輪之間需要一個(gè)離合器避免充電時(shí)電動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在20 kW的六繞組分相永磁電機(jī)系統(tǒng)中也得到了驗(yàn)證，系統(tǒng)在充電模式下具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，可以以單位功率因數(shù)運(yùn)行，但電池充電效率有待提高且電機(jī)諧波方面需要改進(jìn)[46]。

圖10 基于雙定子繞組PMSM的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/p>

2.6 基于多相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/h3>

多相電機(jī)具有容錯(cuò)運(yùn)行能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、可復(fù)用繞組相數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)中[47]。文獻(xiàn)[48]提出了一種基于六相開(kāi)放式繞組電機(jī)的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，如圖11所示。由帶有開(kāi)放式繞組的對(duì)稱六相電機(jī)、十二支路雙向轉(zhuǎn)換器和雙向DC-DC變換器組成。三相電網(wǎng)的每一相都直接連接到定子繞組的兩個(gè)中間相，因此，在進(jìn)行模式切換時(shí)，無(wú)需額外的機(jī)械開(kāi)關(guān)。

圖11 基于六相開(kāi)放式繞組電機(jī)的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/p>

文獻(xiàn)[48]提出的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)可以直接將六相電機(jī)連接到三相電網(wǎng)，充電模式下不需要額外的機(jī)械開(kāi)關(guān)，也不會(huì)產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩，并且在提出的控制策略下以低總諧波畸變率和單位功率因數(shù)工作。同時(shí)，提出的系統(tǒng)拓?fù)渑c傳統(tǒng)六相電機(jī)相比具有較高的容錯(cuò)能力。但拓?fù)渲行枰捎檬冯p向轉(zhuǎn)換器，增加了一體化系統(tǒng)的質(zhì)量與體積。

文獻(xiàn)[49]提出一種基于對(duì)稱六相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖12所示。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的九開(kāi)關(guān)變換器以及對(duì)稱六相電機(jī)繞組被復(fù)用于充電系統(tǒng)中。驅(qū)動(dòng)模式下，Q1、Q2閉合，Q3打開(kāi)，六相電機(jī)作為具有孤立中性點(diǎn)的電機(jī)工作；充電模式下，Q1、Q2打開(kāi)，Q3閉合，九開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)三相脈寬調(diào)制整流器，并經(jīng)過(guò)電機(jī)繞組連接至三相電源。相較于傳統(tǒng)車載充電系統(tǒng)減少了器件數(shù)量，并且可以避免充電模式下電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。但模式切換過(guò)程中需要額外的機(jī)械開(kāi)關(guān)（繼電器）來(lái)重新配置硬件結(jié)構(gòu)，并且提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中沒(méi)有電氣隔離，需要外加三相變壓器。相比于文獻(xiàn)[49]中傳統(tǒng)的12相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量，但需要更高的額定電壓和額定電流。

圖12 基于對(duì)稱六相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/p>

文獻(xiàn)[50]提出一種基于五相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，適用于多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)模式下的逆變器和電機(jī)繞組同樣被復(fù)用于充電模式中，在進(jìn)行模式切換時(shí)不需要對(duì)系統(tǒng)中的元器件進(jìn)行重新配置，只需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)模式切換。并且由于多相電機(jī)中存在額外的自由度，可以避免充電模式下電流流過(guò)定子繞組產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)子不需要被機(jī)械鎖定。此系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在七相電機(jī)中也得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明此拓?fù)淇梢员粩U(kuò)展至更高相數(shù)的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)中[51-52]。

2.7 基于雙逆變器驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/h3>

文獻(xiàn)[53]提出的集成雙逆變器驅(qū)動(dòng)和三相充電的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)在文獻(xiàn)[37]的基礎(chǔ)上作出改進(jìn)，提出的一體化系統(tǒng)由一個(gè)三相LC濾波器、一個(gè)三相電流源轉(zhuǎn)換器、一個(gè)雙逆變器和兩個(gè)儲(chǔ)能單元組成，如圖13所示。在驅(qū)動(dòng)模式下，雙逆變器驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行，并且在系統(tǒng)中器件發(fā)生故障的情況下也可以依靠單個(gè)逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。充電模式下，采用雙逆變器可以降低充電系統(tǒng)中的電流紋波，提高開(kāi)關(guān)頻率，減少所需的電機(jī)繞組漏感，網(wǎng)側(cè)采用較小的LC濾波器即可。同時(shí)，通過(guò)雙逆變器驅(qū)動(dòng)器電機(jī)繞組保持相等的電流，可以平衡電機(jī)繞組電流，確保電機(jī)不會(huì)在充電模式下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)。

圖13 基于雙逆變器的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/p>

在充電過(guò)程中，除了直接連接三相交流電網(wǎng)對(duì)車載儲(chǔ)能電源進(jìn)行快速充電，還可以采用直流電源接LC濾波器或者直接連接直流電源為車載儲(chǔ)能電源充電，此外，通過(guò)將單相電網(wǎng)端子連接到三相電流源轉(zhuǎn)換器輸入中的兩個(gè)，也可以實(shí)現(xiàn)低功率的單相交流充電。

2.8 基于特殊電機(jī)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?/h3>

為了進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)和充電系統(tǒng)的耦合程度，通過(guò)改變電機(jī)結(jié)構(gòu)或者設(shè)計(jì)特種電機(jī)，使得電機(jī)不僅能用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力源，還可以用于在充電模式下實(shí)現(xiàn)電氣隔離功能。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)用于驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)的特殊電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。

文獻(xiàn)[54]設(shè)計(jì)了一種具有隔離充電和非隔離充電功能的分段式雙定子SRM驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，如圖14所示，可以減少功率開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量，同時(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、非隔離充電和隔離充電等多種工作模式。驅(qū)動(dòng)模式下，繼電器K1、K2打開(kāi)，蓄電池經(jīng)兩套逆變器對(duì)內(nèi)外定子供電，整流橋處于空閑狀態(tài)。非隔離充電模式下，繼電器K1打開(kāi)，繼電器K2關(guān)閉，構(gòu)成集成整流橋變換器、內(nèi)定子繞組及其功率變換器的非隔離充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且選擇合適的轉(zhuǎn)子位置可以實(shí)現(xiàn)無(wú)轉(zhuǎn)矩控制。隔離充電模式下，繼電器K1關(guān)閉、繼電器K2打開(kāi)，外定子作為電動(dòng)機(jī)由交流電網(wǎng)供電，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，內(nèi)定子作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)控制內(nèi)定子轉(zhuǎn)換器對(duì)蓄電池充電。隔離充電模式下，雙定子SRM可以作為旋轉(zhuǎn)變壓器傳輸具有電隔離功能，并且內(nèi)外定子之間幾乎沒(méi)有磁場(chǎng)耦合。

文獻(xiàn)[54]中提出的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)在非隔離充電模式下，將電機(jī)繞組復(fù)用于儲(chǔ)能電感，充電效率高，但交流電網(wǎng)與電池存在直接的電氣連接，充電安全性能較低。而在隔離充電模式下，電池與電網(wǎng)之間存在電氣隔離，但在此模式下電機(jī)損耗較大，充電效率低于非隔離充電模式。

2.9 驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)鋮?shù)對(duì)比

本節(jié)對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)在選用電機(jī)類型、是否采用電氣隔離和零轉(zhuǎn)矩控制以及額外設(shè)備等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表1。其中，一體化系統(tǒng)的部分參數(shù)在文獻(xiàn)中未提及，在表中已用“—”標(biāo)注。

表1 驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比

通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)文獻(xiàn)綜述，能夠提煉出以下關(guān)于一體化系統(tǒng)拓?fù)溲芯窟^(guò)程中仍存在的亟待解決的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

（1）系統(tǒng)電氣隔離問(wèn)題?？紤]到電動(dòng)汽車工作在充電和V2G模式下的系統(tǒng)運(yùn)行安全性，電網(wǎng)與車載電池之間通常需要進(jìn)行電氣隔離。一些文獻(xiàn)通過(guò)加入隔離變壓器或者采用隔離式DC-DC變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣隔離，但會(huì)增加一體化系統(tǒng)體積和成本；另一些文獻(xiàn)中將電機(jī)繞組重構(gòu)為旋轉(zhuǎn)變壓器，可以節(jié)約成本并提高系統(tǒng)安全性，但充電/V2G模式下需要采用合適的控制策略進(jìn)行充電與電網(wǎng)同步控制，同時(shí)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)損耗也是需要關(guān)注的問(wèn)題。

（2）電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)噪聲問(wèn)題。大多數(shù)電動(dòng)汽車中采用IM和PMSM，當(dāng)電機(jī)繞組在充電時(shí)復(fù)用為濾波電感，流經(jīng)電機(jī)繞組的三相交流電流會(huì)引起電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，采用機(jī)械鎖定方法可以避免充電期間轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，但存在效率降低、噪聲和磨損增加等缺點(diǎn)，并且PMSM長(zhǎng)期工作在交流磁場(chǎng)，渦流損耗和磁滯損耗會(huì)增大，導(dǎo)致磁鋼發(fā)熱問(wèn)題；另外，若電機(jī)繞組復(fù)用于高頻電力電子電路中，其渦流損耗和磁滯損耗也會(huì)增加，進(jìn)一步惡化磁鋼發(fā)熱問(wèn)題；采用單相交流充電可以防止充電期間電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，但充電功率較小，并且對(duì)充電接口有一定局限性；將繞組中點(diǎn)抽頭引出并通入相同的電流，也可以解決旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，但增加了開(kāi)關(guān)器件，提高了電機(jī)制造成本和難度，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的零轉(zhuǎn)矩控制策略；將電機(jī)繞組重構(gòu)為旋轉(zhuǎn)變壓器，增加了電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制策略設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并且?guī)?lái)了旋轉(zhuǎn)損耗問(wèn)題。

（3）車載電池電壓與直流母線電壓、電網(wǎng)電壓匹配問(wèn)題。傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用單級(jí)變換器結(jié)構(gòu)，然而車載電池一般為低壓電池系統(tǒng)，并且AC-DC變換器對(duì)直流側(cè)電壓也有一定限制。因此，通常在系統(tǒng)中加入雙向DC-DC變換器構(gòu)成雙極變換器拓?fù)?，雖然會(huì)造成額外的變換器功率損耗，但是可以更好地匹配車載電池電壓與直流母線電壓、電網(wǎng)電壓，另外，需要采用合適的驅(qū)動(dòng)充電控制策略來(lái)動(dòng)態(tài)控制直流母線電壓，提高整個(gè)系統(tǒng)效率。

3 驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)控制策略

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)具有多功能運(yùn)行模式，包括驅(qū)動(dòng)模式、制動(dòng)模式、充電模式和V2G模式，不同的運(yùn)行模式都需要相應(yīng)的控制策略進(jìn)行調(diào)控。因此，針對(duì)不同運(yùn)行模式下的一體化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究者們對(duì)其控制策略進(jìn)行了分析研究。

3.1 驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模式下控制策略

文獻(xiàn)[55]設(shè)計(jì)了一種基于SRM的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，采用電流滯環(huán)控制方法控制系統(tǒng)運(yùn)行在牽引電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、發(fā)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、牽引電池和發(fā)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)以及退磁能量回收四種驅(qū)動(dòng)模式，并將直流母線側(cè)電容3電壓u3和轉(zhuǎn)速的關(guān)系查找表加入電壓控制閉環(huán)中，如圖15所示，根據(jù)轉(zhuǎn)速值選擇電壓給定值控制雙向DC-DC變換器。該驅(qū)動(dòng)控制策略下系統(tǒng)具有較好的高速運(yùn)行性能，但當(dāng)電動(dòng)汽車運(yùn)行工況復(fù)雜多變時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式下無(wú)法動(dòng)態(tài)跟蹤負(fù)載變化。

圖15 驅(qū)動(dòng)模式下電流滯環(huán)控制策略

文獻(xiàn)[56]針對(duì)文獻(xiàn)[31]中所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，提出了一種用于驅(qū)動(dòng)模式的電流協(xié)調(diào)控制策略，能夠顯著降低系統(tǒng)銅損，提高系統(tǒng)效率和動(dòng)態(tài)性能，如圖16所示?？刂品桨钢袑⒆钚°~損（Minimum Copper Loss, MCL）法和最大勵(lì)磁電流（Maximum Field Current, MFC）法相結(jié)合，將參考轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速之間的誤差值作為判斷條件，當(dāng)轉(zhuǎn)速誤差超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，采用MFC法并將其最大勵(lì)磁電流設(shè)定為額定值的1.5倍以提高加速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩性能；當(dāng)轉(zhuǎn)速誤差小于閾值時(shí)，根據(jù)MCL法得到勵(lì)磁電流參考值。為了防止動(dòng)態(tài)過(guò)程中直流母線電壓波動(dòng)，將直流母線電壓閉環(huán)加入控制環(huán)中，最終可以得到q軸電流參考值，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)電流協(xié)調(diào)控制。該控制方法可以有效降低系統(tǒng)銅損，提高系統(tǒng)承載能力和運(yùn)行效率，并且在動(dòng)態(tài)加速過(guò)程中能夠消除直流母線電壓波動(dòng)，大大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖16 驅(qū)動(dòng)模式下電流協(xié)調(diào)控制策略

圖17 文獻(xiàn)[32]提出的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)模式下控制框圖

文獻(xiàn)[57]提出了一種用于無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)的再生充電控制方案，如圖18所示。針對(duì)電動(dòng)汽車在負(fù)載突變情況下控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤性能較差的問(wèn)題，結(jié)合模糊控制和滑?？刂萍夹g(shù)提出了基于Tagaki-Sugeno的模糊滑?？刂朴糜谠偕潆娍刂?，建立了表征變換器非線性動(dòng)態(tài)性能的線性小信號(hào)模型，能夠更好地跟蹤系統(tǒng)中的電壓電流時(shí)變信號(hào)，提高系統(tǒng)充電效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。但制動(dòng)模式下采用恒壓充電方式，充電初期電流較大，對(duì)電池壽命影響較大，并且無(wú)法實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載功率快速回收直流母線側(cè)再生能量。

傳統(tǒng)電動(dòng)汽車將單一蓄電池用作系統(tǒng)動(dòng)力來(lái)源，當(dāng)負(fù)載側(cè)突增大功率需求或者直流母線有大量再生能量集聚時(shí)，由于蓄電池功率密度低無(wú)法快速匹配負(fù)載功率需求，并且大電流充放電也會(huì)縮短電池壽命。而超級(jí)電容具有高功率密度、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，通常與蓄電池結(jié)合構(gòu)成混合電源系統(tǒng)，兼顧高能量密度和高功率密度，還可以延長(zhǎng)動(dòng)力電池使用壽命[58-60]。并且，V2G模式下超級(jí)電容還可以及時(shí)有效參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷變化快速切換，提供瞬時(shí)功率。因此，蓄電池-超級(jí)電容混合電源系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車中，為了能夠充分發(fā)揮儲(chǔ)能元件各自的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)性能最優(yōu)，需要研究合適的功率控制策略用于混合電源系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件之間的功率分配[61-63]。

圖18 基于Tagaki-Sugeno的模糊滑模再生充電控制

文獻(xiàn)[64]針對(duì)電動(dòng)汽車電池/超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配問(wèn)題，提出了一種多目標(biāo)優(yōu)化功率控制策略，如圖19所示，以延長(zhǎng)電池壽命和減小混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率損耗。利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃對(duì)不同驅(qū)動(dòng)周期數(shù)據(jù)集進(jìn)行優(yōu)化求解，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)動(dòng)態(tài)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)在線功率最優(yōu)分配。然而，提出的控制策略仍然依賴已知的駕駛周期和高計(jì)算負(fù)擔(dān)，不確定的復(fù)雜變化工況下的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性能有待提高。

圖19 電動(dòng)汽車混合儲(chǔ)能系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化功率控制策略

3.2 充電/V2G模式下控制策略

目前，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)中電機(jī)繞組復(fù)用于充電拓?fù)鋵?huì)引入一些新的問(wèn)題：①引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩和噪聲問(wèn)題；②電機(jī)繞組用于濾波器電感值難以評(píng)估。2.6節(jié)中介紹的基于多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)?，雖然可以避免充電模式下電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，但部分拓?fù)涑潆娔Ｊ较码姍C(jī)仍會(huì)不斷振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。并且，充電模式下同一轉(zhuǎn)子位置處各相氣隙長(zhǎng)度不同，導(dǎo)致電機(jī)各相繞組參數(shù)也不同，充電時(shí)各相電流不平衡，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者從控制策略角度對(duì)比進(jìn)行了研究[65-66]。

文獻(xiàn)[67]針對(duì)五相混合勵(lì)磁磁通開(kāi)關(guān)電機(jī)提出了一種充電模式電流控制方法。為了保證多相電機(jī)繞組并聯(lián)式一體化系統(tǒng)充電時(shí)各相繞組中電流平衡，文獻(xiàn)[67]提出了電流滯環(huán)控制和電流矢量控制兩種繞組電流平衡算法，如圖20所示。電流滯環(huán)控制方法直接將四相繞組給定電流與實(shí)際電流值作差，再經(jīng)比例諧振控制器后由PWM發(fā)生器生成占空比信號(hào)。電流矢量控制方法是將實(shí)際電流值經(jīng)坐標(biāo)變換后與電流給定值作差，經(jīng)比例諧振控制器后得到靜止兩相電壓矢量，再經(jīng)坐標(biāo)變換得到五相電壓矢量通過(guò)PWM發(fā)生器生成占空比信號(hào)。

圖20 基于五相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)電流平衡控制方法

文獻(xiàn)[68]針對(duì)電動(dòng)汽車六相驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)，提出了一種脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)子定位方法來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)零轉(zhuǎn)矩充電。此方法同樣需要在電動(dòng)汽車充電之前根據(jù)提出的位置法將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)矩消除位置，當(dāng)充電開(kāi)始后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩在0附近仍有微小波動(dòng)。并且，為了實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程電氣隔離，需要額外的隔離變壓器。

圖21 基于雙模塊三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)電流控制策略

圖21b為接三相電網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)充電切換拓?fù)?，?dāng)電機(jī)工作在驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，K1繼電器閉合，K2繼電器斷開(kāi)；當(dāng)電機(jī)工作在充電模式時(shí)，K1繼電器斷開(kāi)，K2繼電器閉合。當(dāng)電機(jī)接三相電并網(wǎng)時(shí)，兩套繞組的電流矢量1、2幅值相等，旋轉(zhuǎn)方向相反，電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩相互抵消。三相并網(wǎng)控制過(guò)程中需要確定充電功率，經(jīng)鎖相環(huán)、電流環(huán)，最后經(jīng)空間矢量調(diào)制得到變換器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因此，三相并網(wǎng)情況下可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)零轉(zhuǎn)矩控制。

然而，上述一體化系統(tǒng)在每次充電前都需要對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位，以確保d軸位置與一相繞組對(duì)齊；提出的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)淝袚Q時(shí)需要經(jīng)繼電器切換，較為復(fù)雜，并且電路中缺少電氣隔離裝置，系統(tǒng)安全性能較低。

文獻(xiàn)[70]提出了基于零轉(zhuǎn)矩充電運(yùn)行的統(tǒng)一判據(jù)，對(duì)等效濾波器電感進(jìn)行了分析，為不同類型的電動(dòng)汽車提供了通用的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)豐田普銳斯汽車一體化系統(tǒng)，驗(yàn)證了統(tǒng)一判據(jù)與提出的高性能控制策略的可行性。充電模式下控制框圖由電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)、相電流均衡補(bǔ)償以及交錯(cuò)脈寬調(diào)制構(gòu)成，如圖22所示。采用陷波濾波器濾除直流母線電壓外環(huán)中較大的紋波分量；采用比例諧振控制器實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)；通過(guò)交錯(cuò)脈寬調(diào)制提高等效開(kāi)關(guān)頻率，降低輸入電流開(kāi)關(guān)紋波；經(jīng)相電流均衡補(bǔ)償以保證相電流平衡。

圖22 文獻(xiàn)[70]提出的零轉(zhuǎn)矩充電運(yùn)行控制策略

3.3 不同運(yùn)行模式下控制策略對(duì)比

本節(jié)針對(duì)電動(dòng)汽車不同運(yùn)行模式下提出的相關(guān)控制策略進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)控制策略相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，對(duì)一體化系統(tǒng)不同運(yùn)行模式控制過(guò)程中仍待解決的核心問(wèn)題總結(jié)如下：

（1）驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)運(yùn)行模式下需要考慮采用優(yōu)化控制策略實(shí)現(xiàn)電機(jī)高輸出轉(zhuǎn)矩和高功率密度，提高系統(tǒng)的功率輸出能力。考慮采用雙極式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并對(duì)其中的雙向DC-DC變換器進(jìn)行控制，快速跟蹤負(fù)載功率，優(yōu)化電池放電過(guò)程，減少電流紋波和直流母線波動(dòng)，并能夠?qū)崿F(xiàn)能量回收再利用，提高系統(tǒng)能量利用率。

表2 不同運(yùn)行模式下控制策略對(duì)比

（2）現(xiàn)有文獻(xiàn)在充電/V2G模式下相關(guān)控制策略主要針對(duì)零轉(zhuǎn)矩與充電各相電流平衡控制，需要尋求相關(guān)優(yōu)化控制策略以提高充電效率，改善電源系統(tǒng)充電性能，能夠在快速充電的同時(shí)減小電池?fù)p耗，并且可以根據(jù)電網(wǎng)需求，實(shí)現(xiàn)任意功率因數(shù)運(yùn)行，輔助電網(wǎng)進(jìn)行電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。

4 驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)研究展望

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)將傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中變換器和電機(jī)繞組等部件在充電系統(tǒng)中重新使用，可以節(jié)省成本，減輕汽車體積與質(zhì)量，是提高電動(dòng)汽車功率密度的主要趨勢(shì)之一。目前，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)作為一項(xiàng)前瞻性的創(chuàng)新技術(shù)，仍有許多關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。未來(lái)，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)依舊是一大研究熱點(diǎn)，本文對(duì)其后續(xù)的研究與發(fā)展方向展望如下：

（1）由于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)在使用周期上是獨(dú)立的，并且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常是針對(duì)高功率設(shè)計(jì)的，復(fù)用于充電系統(tǒng)可以增加充電功率。為了滿足便攜性及經(jīng)濟(jì)性的要求，需盡量減少附件元器件與部件的數(shù)量，降低系統(tǒng)制造成本。同時(shí)，一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，避免系統(tǒng)中機(jī)械開(kāi)關(guān)失靈造成的設(shè)備故障及損耗問(wèn)題，以提高系統(tǒng)可靠性。

（2）傳統(tǒng)充電系統(tǒng)采用單級(jí)式拓?fù)?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需要并聯(lián)大電容在AC-DC變換器直流側(cè)，對(duì)保護(hù)電路要求較高。為了更好地處理車載電池與直流母線電壓匹配問(wèn)題，需要構(gòu)建雙級(jí)式拓?fù)?，第一?jí)為AC-DC變換器負(fù)責(zé)整流和功率因數(shù)校正，第二級(jí)為DC-DC變換器負(fù)責(zé)電壓匹配。因此，挖掘新的電機(jī)結(jié)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)文獻(xiàn)[31]中具有兩套獨(dú)立繞組的雙凸極電磁電機(jī)或者混合勵(lì)磁電機(jī)等，將成為一個(gè)持續(xù)發(fā)展的研究方向。

（3）為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車安全、可靠充電運(yùn)行，往往需要在車載電源與交流電網(wǎng)之間加入電氣隔離，加入額外的設(shè)備如隔離式DC-DC變換器或隔離變壓器均會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)體積成本增加的問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)特殊電機(jī)結(jié)構(gòu)并將電機(jī)繞組進(jìn)行重構(gòu)成為旋轉(zhuǎn)變壓器同樣可以實(shí)現(xiàn)充電系統(tǒng)中電氣隔離，但充電模式下系統(tǒng)的可靠性與電氣隔離部分的能量轉(zhuǎn)換效率及損耗問(wèn)題，都將是一體化系統(tǒng)未來(lái)的研究熱點(diǎn)。

（4）電動(dòng)汽車一體化系統(tǒng)充電過(guò)程中流經(jīng)電機(jī)繞組的電流會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此，充電模式下需要將電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械固定，使其停轉(zhuǎn)，而磁場(chǎng)在帶有凸極性的轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)作用下易產(chǎn)生感生電壓畸變，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，同時(shí)渦流損耗和磁滯損耗也會(huì)增大，引發(fā)磁鋼發(fā)熱問(wèn)題。目前，大多數(shù)學(xué)者針對(duì)一體化系統(tǒng)充電模式下零轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)充電模式下電機(jī)繞組電感值不等問(wèn)題進(jìn)行電流均衡控制；另外，采用特殊電機(jī)結(jié)構(gòu)在充電模式下，將電機(jī)繞組復(fù)用于起電氣隔離作用的旋轉(zhuǎn)變壓器時(shí)，通過(guò)保證電機(jī)轉(zhuǎn)子與兩套繞組電氣量同步，即始終保持同步旋轉(zhuǎn)，也可以減少電機(jī)振動(dòng)噪聲。上述兩種一體化系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)與控制研究也是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

（5）目前，對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)的研究大多停留在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)，以及驅(qū)動(dòng)模式下電機(jī)性能、充電/V2G模式下零轉(zhuǎn)矩控制和單位功率因數(shù)控制等相關(guān)控制策略的設(shè)計(jì)等方面。而對(duì)電動(dòng)汽車制動(dòng)模式下一體化系統(tǒng)進(jìn)行能量回收再利用的相關(guān)研究較少。此外，由于電動(dòng)汽車運(yùn)行工況復(fù)雜多變，系統(tǒng)運(yùn)行模式隨機(jī)切換，研究其在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的系統(tǒng)運(yùn)行效率也是一種研究方向。電動(dòng)汽車電動(dòng)和驅(qū)動(dòng)模式下，對(duì)負(fù)載能量進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、儲(chǔ)能元件能量檢測(cè)以及采用混合能源系統(tǒng)進(jìn)行能量動(dòng)態(tài)分配研究，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量利用效率提升；充電和V2G模式下，根據(jù)混合能源系統(tǒng)充放電效率進(jìn)行控制優(yōu)化，輔助電網(wǎng)進(jìn)行電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，但需要注意的問(wèn)題是，在實(shí)現(xiàn)充電/V2G模式下效率最優(yōu)控制的同時(shí)還需保證驅(qū)動(dòng)模式下電機(jī)性能。另外，還可通過(guò)設(shè)計(jì)多目標(biāo)能量效率優(yōu)化控制策略，以電動(dòng)汽車多種運(yùn)行模式下系統(tǒng)運(yùn)行效率為優(yōu)化目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整運(yùn)行周期內(nèi)的電源系統(tǒng)能量利用效率最優(yōu)。

5 結(jié)論

為了解決傳統(tǒng)車載充電系統(tǒng)質(zhì)量體積大、充電容量受限等問(wèn)題，有關(guān)研究提出了“驅(qū)動(dòng)充電一體化”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中部分器件復(fù)用于充電系統(tǒng)中，并采取相應(yīng)控制策略實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)充電一體化，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車中功率變換系統(tǒng)輕量化和高度集成化。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)電動(dòng)汽車不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)近年來(lái)各文獻(xiàn)提出的各類驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)進(jìn)行分類梳理，詳細(xì)闡述了各類型一體化系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)。然后，對(duì)目前驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)中存在的問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)，并針對(duì)這些問(wèn)題對(duì)電動(dòng)汽車不同運(yùn)行模式下的控制策略進(jìn)行了綜述。最后，展望了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)可能的研究方向，為后續(xù)進(jìn)一步研究一體化系統(tǒng)提供了借鑒。

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為必然趨勢(shì)，未來(lái)的研究工作中，在充分考慮器件高效復(fù)用功能的同時(shí)，考慮整個(gè)系統(tǒng)能量利用效率的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)也將成為該研究領(lǐng)域進(jìn)一步突破與發(fā)展的關(guān)鍵。

[1] Su Yiyan, Liang Deliang, Kou Peng. MPC-based torque distribution for planar motion of four-wheel independently driven electric vehicles: considering motor models and iron losses[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2023, 7(1): 45-53.

[2] 姚一鳴, 趙溶生, 李春燕, 等. 面向電力系統(tǒng)靈活性的電動(dòng)汽車控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(11): 2813-2824.

Yao Yiming, Zhao Rongsheng, Li Chunyan, et al. Control strategy of electric vehicles oriented to power system flexibility[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2022, 37(11): 2813-2824.

[3] Yu Zhiyue, Gan Chun, Ni Kai, et al. Dual-electric- port bidirectional flux-modulated switched reluctance machine drive with multiple charging functions for electric vehicle applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(5): 5818-5831.

[4] Gao Jialou, Sun Wei, Jiang Dong, et al. Improved operation and control of single-phase integrated on- board charger system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(4): 4752-4765.

[5] Raherimihaja H J, Zhang Qianfan, Xu Guoqiang, et al. Integration of battery charging process for EVs into segmented three-phase motor drive with V2G-mode capability[J]. IEEE Transactions on Industrial Elec- tronics, 2021, 68(4): 2834-2844.

[6] 佟明昊, 程明, 許芷源, 等. 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(wèn)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, et al. Key issues and solutions of integrated on-board chargers for electric vehicles[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2021, 36(24): 5125-5142.

[7] Tong Minghao, Cheng Ming, Wang Sasa, et al. An on-board two-stage integrated fast battery charger for EVs based on a five-phase hybrid-excitation flux- switching machine[J]. IEEE Transactions on Indu- strial Electronics, 2021, 68(2): 1780-1790.

[8] 劉瑩, 王輝, 漆文龍. 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與蓄電池充電一體化混合拓?fù)溲芯烤C述[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2013, 33(10): 143-149, 156.

Liu Ying, Wang Hui, Qi Wenlong. Summary of integrated topology of EV traction system and battery charging system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33(10): 143-149, 156.

[9] Mukundan S, Dhulipati H, Lai Chunyan, et al. Design and optimization of traction IPMSM with asymmet- rical damper bars for integrated charging capability using evolutionary algorithm[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2018, 33(4): 2060-2069.

[10] Li Xianglin, Shen Fawen, Yu Shiyang, et al. Flux- regulation principle and performance analysis of a novel axial partitioned stator hybrid-excitation flux- switching machine using parallel magnetic circuit[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(8): 6560-6573.

[11] Thimmesch D. An SCR inverter with an integral battery charger for electric vehicles[J]. IEEE Transa- ctions on Industry Applications, 1985, IA-21(4): 1023-1029.

[12] Ripple W E. Integrated traction inverter and battery charger apparatus: U.S. Patent 4920475[P]. 1990- 04-24.

[13] Bruyère A, De Sousa L, Bouchez B, et al. A multiphase traction/fast-battery-charger drive for electric or plug-in hybrid vehicles: solutions for control in traction mode[C]//2010 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Lille, France, 2011: 1-7.

[14] Glanzer G, Sivaraman T, Buffalo J I, et al. Cost- efficient integration of electric vehicles with the power grid by means of smart charging strategies and integrated on-board chargers[C]//2011 10th Inter- national Conference on Environment and Electrical Engineering, Rome, Italy, 2011: 1-4.

[15] Woo D G, Choe G Y, Kim J S, et al. Comparison of integrated battery chargers for plug-in hybrid electric vehicles: Topology and control[C]//2011 IEEE Inter- national Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), Niagara Falls, ON, Canada, 2011: 1294- 1299.

[16] Dusmez S, Khaligh A. A novel low cost integrated on-board charger topology for electric vehicles and plug-in hybrid electric vehicles[C]//2012 Twenty- Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Orlando, FL, USA, 2012: 2611-2616.

[17] Zhao Shuang, Haghbin S, Wallmark O, et al. Transient modeling of an integrated charger for a plug-in hybrid electric vehicle[C]//Proceedings of the 2011 14th European Conference on Power Electronics and Applications, Birmingham, UK, 2011: 1-10.

[18] Haghbin S, Lundmark S, Alakula M, et al. Grid- connected integrated battery chargers in vehicle applications: review and new solution[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(2): 459-473.

[19] Lu Xiaomin, Iyer K L V, Mukherjee K, et al. Investigation of integrated charging and discharging incorporating interior permanent magnet machine with damper bars for electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2016, 31(1): 260-269.

[20] 魏維, 王洪軍, 周偉. 電動(dòng)汽車及其集成控制系統(tǒng): CN103182951A[P]. 2015-11-25.

[21] 孫鶴旭, 張厚升. 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)一體化系統(tǒng)牽引模式下逆變器的開(kāi)路容錯(cuò)控制策略[J]. 電測(cè)與儀表, 2016, 53(17): 34-38, 43.

Sun Hexu, Zhang Housheng. A novel tolerant control strategy for the inverter of the EV integrated traction system[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2016, 53(17): 34-38, 43.

[22] 李春杰, 黃文新, 卜飛飛, 等. 電動(dòng)汽車充電與驅(qū)動(dòng)集成化拓?fù)鋄J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(12): 138-145.

Li Chunjie, Huang Wenxin, Bu Feifei, et al. The integrated topology of charging and drive for electric vehicles[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(12): 138-145.

[23] Abdel-Majeed M S, Eldeeb H M, Metwly M Y, et al. Postfault operation of onboard integrated battery charger via a nine-phase EV-drive train[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(7): 5626-5637.

[24] Yu Feng, Zhang Wei, Shen Yanchi, et al. A nine- phase permanent magnet electric-drive-reconstructed onboard charger for electric vehicle[J]. IEEE Transa- ctions on Energy Conversion, 2018, 33(4): 2091- 2101.

[25] Vidya V, Kaarthik R S. Modeling and control of an integrated battery charger with split-phase machine[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, 57(2): 1588-1597.

[26] Zhang Qianfan, Raherimihaja H J, Xu Guoqiang, et al. Design and performance analysis of segmented three-phase IPMSM for EVs integrated battery charger[J]. IEEE Transactions on Industrial Elec- tronics, 2021, 68(10): 9114-9124.

[27] Semsar S, Soong T, Lehn P W. On-board single-phase integrated electric vehicle charger with V2G fun- ctionality[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(11): 12072-12084.

[28] Yang Zhi, Shang Fei, Brown I P, et al. Comparative study of interior permanent magnet, induction, and switched reluctance motor drives for EV and HEV applications[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2015, 1(3): 245-254.

[29] 閆文舉, 陳昊, 劉永強(qiáng), 等. 一種用于電動(dòng)汽車磁場(chǎng)解耦型雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的新型功率變換器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(24): 5081-5091.

Yan Wenju, Chen Hao, Liu Yongqiang, et al. A novel power converter on magnetic field decoupling double stator switched reluctance machine for electric vehicles[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(24): 5081-5091.

[30] 張飛龍, 王曉琳, 顧聰, 等. 基于電機(jī)定子繞組開(kāi)路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和充放電集成系統(tǒng)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(18): 3778-3787.

Zhang Feilong, Wang Xiaolin, Gu Cong, et al. Research on integrated system of motor drive and charging/discharging based on open motor stator winding[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(18): 3778-3787.

[31] Wei Jiadan, Chen Jinchun, Liu Peng, et al. The optimized triloop control strategy of integrated motor- drive and battery-charging system based on the split- field-winding doubly salient electromagnetic machine in driving mode[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(2): 1769-1779.

[32] Hu Yihua, Gan Chun, Cao Wenping, et al. Split converter-fed SRM drive for flexible charging in EV/HEV applications[J]. IEEE Transactions on Indu- strial Electronics, 2015, 62(10): 6085-6095.

[33] Herrera D, Villegas J, Galván E, et al. Synchronous reluctance six-phase motor proved based EV power- train as charger/discharger with redundant topology and ORS control[J]. IET Electric Power Applications, 2019, 13(11): 1857-1870.

[34] Credo A, Villani M, Fabri G, et al. Adoption of the synchronous reluctance motor in electric vehicles: a focus on the flux weakening capability[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2022, 9(1): 805-818.

[35] Shi Chuan, Tang Yichao, Khaligh A. A single-phase integrated onboard battery charger using propulsion system for plug-in electric vehicles[J]. IEEE Transa- ctions on Vehicular Technology, 2017, 66(12): 10899-10910.

[36] Wang Zheng, Zhang Yue, You Shuai, et al. An integrated power conversion system for electric traction and V2G operation in electric vehicles with a small film capacitor[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(5): 5066-5077.

[37] Shi Chuan, Tang Yichao, Khaligh A. A three-phase integrated onboard charger for plug-In electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(6): 4716-4725.

[38] Gao Jialou, Jiang Dong, Sun Wei, et al. Zero torque three phase integrated on-board charger by multi- elements motor torque cancellation[C]//2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Baltimore, MD, USA, 2019: 563-568.

[39] De Sousa L, Silvestre B, Bouchez B. A combined multiphase electric drive and fast battery charger for Electric Vehicles[C]//2010 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Lille, France, 2011: 1-6.

[40] Subotic I, Bodo N, Levi E. Integration of six-phase EV drivetrains into battery charging process with direct grid connection[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2017, 32(3): 1012-1022.

[41] Abdel-Khalik A S, Massoud A, Ahmed S. Interior permanent magnet motor-based isolated on-board integrated battery charger for electric vehicles[J]. IET Electric Power Applications, 2018, 12(1): 124-134.

[42] Cheng He, Wang Wuhui, Liu Hailong, et al. Integrated multifunctional power converter for small electric vehicles[J]. Journal of Power Electronics, 2021, 21(11): 1633-1645.

[43] Chiang G T, Shuji T, Takahide S, et al. Coupled magnetic-based integrated isolated onboard battery charger and boost motor drive unit for electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2022, 8(1): 135-148.

[44] Lacressonniere F, Cassoret B. Converter used as a battery charger and a motor speed controller in an industrial truck[C]//2005 European Conference on Power Electronics and Applications, Dresden, Germany, 2006: 1-7

[45] Haghbin S, Lundmark S, Alakula M, et al. An isolated high-power integrated charger in electrified-vehicle applications[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2011, 60(9): 4115-4126.

[46] Haghbin S, Khan K, Zhao Shuang, et al. An integrated 20-kW motor drive and isolated battery charger for plug-in vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(8): 4013-4029.

[47] 李永恒, 劉陵順. 基于九開(kāi)關(guān)變換器的對(duì)稱六相永磁同步電機(jī)集成車載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(增刊1): 30-38.

Li Yongheng, Liu Lingshun. The research of integrated vehicle drive system of symmetrical six- phase permanent magnet synchronous motor based on nine-switch converter[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2019, 34(S1): 30-38.

[48] Raherimihaja H J, Zhang Qianfan, Na Tuopu, et al. A three-phase integrated battery charger for EVs based on six-phase open-end winding machine[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(11): 12122-12132.

[49] Diab M S, Elserougi A A, Abdel-Khalik A S, et al. A nine-switch-converter-based integrated motor drive and battery charger system for EVs using symmetrical six-phase machines[J]. IEEE Transactions on Indu- strial Electronics, 2016, 63(9): 5326-5335.

[50] Subotic I, Bodo N, Levi E. An EV drive-train with integrated fast charging capability[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2015, 31(2): 1461-1471.

[51] Subotic I, Bodo N, Levi E. Single-phase on-board integrated battery chargers for EVs based on multi- phase machines[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 31(9): 6511-6523.

[52] Subotic I, Bodo N, Levi E. Integration of six-phase EV drivetrains into battery charging process with direct grid connection[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2017, 32(3): 1012-1022.

[53] Wang Sitan, Lehn P W. A three-phase electric vehicle charger integrated with dual-inverter drive[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2022, 8(1): 82-97.

[54] Cheng He, Zhang Dongbin, Liao Shuo, et al. Inte- grated drive converter of SDS-SRM with isolation and nonisolation charging capabilities for electric vehicle[J]. IEEE Transactions on Industrial Electro- nics, 2022, 69(9): 8679-8691.

[55] Cheng He, Wang Zelu, Yang Shiyang, et al. An integrated SRM powertrain topology for plug-In hybrid electric vehicles with multiple driving and onboard charging capabilities[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2020, 6(2): 578- 591.

[56] Chen Jinchun, Wei Jiadan, Zhai Xiangyu, et al. The currents coordinative control strategy for integrated motor-drive and battery-charging system based on the split-field-winding DSEM in driving mode[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2023, 70(5): 4505-4515.

[57] Zhang Xizheng, Wang Yaonan, Liu Guorong, et al. Robust regenerative charging control based on T-S fuzzy sliding-mode approach for advanced electric vehicle[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2016, 2(1): 52-65.

[58] 宋清超, 陳家偉, 蔡坤城, 等. 多電飛機(jī)用燃料電池-蓄電池-超級(jí)電容混合供電系統(tǒng)的高可靠動(dòng)態(tài)功率分配技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(2): 445- 458.

Song Qingchao, Chen Jiawei, Cai Kuncheng, et al. A highly reliable power allocation technology for the fuel cell-battery-supercapacitor hybrid power supply system of a more electric aircraft[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(2): 445-458.

[59] 袁佳歆, 曲鍇, 鄭先鋒, 等. 高速鐵路混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(19): 4161-4169, 4182.

Yuan Jiaxin, Qu Kai, Zheng Xianfeng, et al. Optimizing research on hybrid energy storage system of high speed railway[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(19): 4161-4169, 4182.

[60] 鄧文麗, 戴朝華, 韓春白雪, 等. 計(jì)及再生制動(dòng)能量回收和電能質(zhì)量改善的鐵路背靠背混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及其控制方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2019, 39(10): 2914-2924.

Deng Wenli, Dai Chaohua, Han Chunbaixue, et al. Back-to-back hybrid energy storage system of electric railway and its control method considering regen- erative braking energy recovery and power quality improvement[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(10): 2914-2924.

[61] Shen Di, Lim C C, Shi Peng. Fuzzy model based control for energy management and optimization in fuel cell vehicles[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2020, 69(12): 14674-14688.

[62] 耿安琪, 胡海濤, 張育維, 等. 基于階梯能量管理的電氣化鐵路混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(23): 4916-4925.

Geng Anqi, Hu Haitao, Zhang Yuwei, et al. Control strategy of hybrid energy storage system for elec- trified railway based on increment energy mana- gement[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(23): 4916-4925.

[63] 周美蘭, 馮繼峰, 張宇, 等. 純電動(dòng)客車復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配控制策略研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(23): 5001-5013.

Zhou Meilan, Feng Jifeng, Zhang Yu, et al. Research on power allocation control strategy for compound electric energy storage system of pure electric bus[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(23): 5001-5013.

[64] Shen Junyi, Khaligh A. A supervisory energy mana- gement control strategy in a battery/ultracapacitor hybrid energy storage system[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2015, 1(3): 223- 231.

[65] Pando-Acedo J, Milanés-Montero M I, Romero- Cadaval E, et al. Improved three-phase integrated charger converter connected to single-phase grid with torque cancellation[J]. IEEE Access, 2021, 9: 108266- 108275.

[66] Ali S Q, Mascarella D, Joos G, et al. Torque cancelation of integrated battery charger based on six-phase permanent magnet synchronous motor drives for electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2018, 4(2): 344-354.

[67] Tong Minghao, Cheng Ming, Hua Wei, et al. A single-phase on-board two-stage integrated battery charger for EVs based on a five-phase hybrid- excitation flux-switching machine[J]. IEEE Transa- ctions on Vehicular Technology, 2020, 69(4): 3793- 3804.

[68] Xiao Yang, Liu Chunhua, Yu Feng. An effective charging-torque elimination method for six-phase integrated on-board EV chargers[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2020, 35(3): 2776-2786.

[69] 蔣棟, 高加樓, 李柏楊, 等. 電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)零轉(zhuǎn)矩充電復(fù)用技術(shù)簡(jiǎn)介[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(19): 4862-4871.

Jiang Dong, Gao Jialou, Li Boyang, et al. Introduction of integrated motor drive-charger technologies for electric vehicle with zero torque[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(19): 4862- 4871.

[70] He Shaomin, Xu Zhiwei, Chen Min, et al. General derivation law with torque-free achieving of integral on-board charger on compact powertrains[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(2): 1791-1802.

A Review of Drive-Charging Integrated Systems and Control Strategies for Electric Vehicles

（School of Electrical Engineering Shandong University Jinan 250061 China）

As a clean energy transportation, electric vehicles have attracted more and more attention due to their mature technology and low cost. However, the ability to charge the on-board power supply easily and efficiently has become a key factor limiting the industrialization of electric vehicles. Currently, AC slow- charging on-board charging system is considered as an effective solution to alleviate the charging problem of electric vehicles.

The on-board charging system can make electric vehicles less dependent on charging posts and more convenient to charge. However, traditional drive and charging systems operate independently, which undoubtedly causes an increase in the size and weight of electric vehicles and limits the charging capacity. Therefore, the drive-charging integrated topology has been proposed to improve the utilization of on-board devices and effectively reduce costs.

At present, the proposed drive-charging integrated systems vary in terms of their on-board charging system performance. Based on the existing studies, the drive-charging integrated topologies proposed in literatures have been sorted out, classified, and summarized according to different applications. It can be found that voltage matching, fast energy matching, electrical isolation, and rotor vibration noise in charging mode are still the key technical issues that need to be solved. The control strategies used to optimize the system performance in different operation modes are reviewed.

The research on drive-charging integrated systems is one of the main trends to increase the power density of electric vehicles. There are still many problems. As a major research hotspot in the future, the following aspects related to the drive-charging integrated system should be considered:

(1) Minimizing the number of accessory components and simplifying the topology are essential for achieving portability and cost-effectiveness, thereby reducing manufacturing costs and enhancing system reliability by mitigating equipment failures and losses caused by switching devices.

(2) To better deal with the problem of matching the voltage between the on-board battery and the DC bus, a two-stage topology needs to be constructed. Tapping into new motor structure designs with two independent windings will be a continuous development research direction.

(3) In-depth studies are required to improve the system reliability in charging mode and to address issues of energy conversion efficiency and losses in the electrical isolation section.

(4) The current flowing through the motor winding during the charging mode can produce electromagnetic torque. The motor winding multiplexed as a charging inductor using current equalization control and multiplexed as a resolver to reduce motor vibration noise will be a hot spot for future research.

(5) For motoring and braking modes, the studies on real-time tracking of load energy, energy detection of energy storage elements, and dynamic energy distribution of hybrid power systems are conducted to improve energy utilization efficiency. In the charging and V2G modes, control optimization based on the charging and discharging efficiency of the hybrid power system and auxiliary power quality regulation of the grid are required. In addition, adopting a multi-objective optimal control strategy to achieve optimal energy utilization efficiency of the power system in a complete operating cycle will become a major focus in integrated system research.

Drive-charging system, integrated topology, electric vehicles, control strategy

王曉姬 女，1996年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)。E-mail: wangxiaoji@mail.sdu.edu.cn

王道涵 男，1980年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉雌囼?qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制。E-mail: dhwang@sdu.edu.cn（通信作者）

TM351

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230583

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51977125）和深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目（JCYJ20210324141409023, JCYJ20220530141007017）資助。

2023-05-01

2023-05-19

（編輯 崔文靜）