华中科技大学蒋栋教授团队发表电动汽车电机驱动系统零转矩充电复用技术的研究成果

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在电动汽车应用中，车载储能电池的充电一般通过充电桩或者车载充电机实现。利用电动汽车的驱动电机及逆变器与电网连接，实现从电网交流电到直流电的电能变换，最终完成对车载储能电池进行充电，可以有效节省硬件和装置建设成本，还能有效提升车载充电容量。但相关策略在实现时，存在的最大挑战是如何抑制由绕组交流电流引起的电机转矩和振动。 华中科技大学电气与电子工程学院的蒋栋、高加楼、李柏杨、孙伟、周敏，在2022年第19期《电工技术学报》上撰文，着眼于并网过程中电机的转矩问题，对实现驱动电机逆变器与电网之间可靠电能变换的方法进行了介绍。该零转矩并网方法，其核心是结合电机绕组的型式和逆变器的电流控制来调整定子磁动势，从而合理布控电枢反应磁场与永磁磁场的空间关系使其满足零转矩条件。相关工作旨在为电动汽车传导式车载充电提供一种可行的硬件复用方案。

新能源汽车结合了能源技术、电气技术和信息技术，具有低碳排放、高效和智能的特点，未来将逐步取代燃油车。同时，新能源汽车的车载储能电池作为广域移动储能装备，还可支撑电网运行和协助消纳可再生能源，而这也可能成为一种能源套利方式，对于用户而言极具吸引力。

车载储能电池与电网间的电能变换，一般采用非车载的充电桩和车载充电机（On-Board Charger, OBC）。这两种技术各有优劣，直流充电桩充电速度快但依赖特定场地且成本较高；车载充电机在使用上十分便捷但容量受限。因而，车载充电机一般作为充电桩的补充，比如应急充电或居家充电。

受限于车内有限的空间，目前市面上的车载充电机功率等级通常不超过11kW，而这尚未达到用户需求。为提升车载充电机的充电容量，有两种可行思路：①提高车载充电机自身的功率密度，如采用宽禁带功率器件，通过提升开关频率，从而减小无源元件的体积；②利用系统集成的方法，如将车载充电机和车载DC-DC变换器等装置多合一组装，缩短装置间的电气连接线，共用散热器和支撑件，从而减小系统的体积。

系统集成的方法目前已被大多数整车企业所采纳，集成度基本已达上限；而基于宽禁带功率器件的车载充电机方案由于成本的原因尚未成熟。在该背景下，20世纪90年代就被提出的驱动-充电复用（integrated motor drive and charger）的概念成为可进一步减小车载充电机体积以及提升充电容量的“新”思路。

集成充电器的概念如图1所示，即利用复用驱动电机及其逆变器构建车载充电机的前端脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）整流器，逆变器作为双向变流器，而驱动电机绕组将作为交流侧滤波电感。由于前端整流环节已由驱动电机系统构成，故车载充电机只需一套独立的隔离DC-DC变换环节即可，在相同的成本和可用空间下，隔离DC-DC变换器的功率等级可成倍地增加。同时，还可结合宽禁带功率器件和系统集成的方法，为大容量车载充电机的实现提供可能。

图1 集成充电器的概念图

在驱动-充电复用技术中，电机作为充（放）电回路的一部分，绕组中的交变电流产生旋转磁场将在充电过程中产生转矩和振动，带来车体不希望看到的运动，这是复用充电功能最大的困难之一。具备实用化的驱动-充电复用技术的一个主要挑战就是如何实现充（放）电过程中电机的零转矩。

华中科技大学电气与电子工程学院的蒋栋教授团队探索了具有实用价值的单相和三相并网的驱动-充电复用技术，重点分析和设计具有零转矩并网运行特性的方案。该方案具有以下特点：①根据转子d轴位置合理选择电流分配方式，保证单相并网的驱动-充电复用电路可靠零转矩并网运行；②利用三相逆变器与新型变绕组结构永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）构建三相并网集成充电器，易实施于现有电驱系统中，在零转矩并网运行的同时，电路的等效电感为电机主电感，从而提升并网电能质量。

研究团队在论文中介绍了单相并网的驱动-充电复用技术，包括电路结构及其零转矩并网运行原理、并网电流控制策略以及方案验证；其次介绍了三相并网的驱动-充电复用技术，包括基于双模块电机的复用结构、并网电流控制策略以及方案验证；并对电动汽车驱动-复用技术作扩展讨论与展望。

他们表示，电动汽车驱动-充电复用技术是一种有效利用电动汽车已有的电机-驱动系统实现充电功能的新技术。在这一技术中，如何保证充电过程电机转矩为零是其实用化的一个关键。

研究人员分析认为，对于单相驱动-充电复用技术，其优点为成本低、体积小、重量轻，且对于驱动电机不需要进行任何重新设计，复用了电机以及电机驱动变流器实现单相并网充电功能。实际应用中，单相充电应用场景多为家庭或工作时间充电，充电时间较长，且受限于单相电网的功率限制，单相驱动-充电复用技术方案的充电功率提升空间也较为有限。因此该方案的主要目标在于取代车载充电器。

对于三相驱动-充电复用技术，可以突破单相电网的功率限制，实现大功率快速充电，同时可以提升充电灵活性，节省了地面快速充电桩的建设成本，且避免了不同电动汽车厂商充电标准的不一致，仅需将电动汽车连接至三相电网接口，方便快捷。该技术的主要目标是简化充电桩的建设，但该技术需要对电机进行改造才能有效地实现零转矩。

他们最后表示，综合分析成果，结合单相和三相集成充电技术的特点，该驱动-充电复用技术在成本、重量、体积、充电功率以及灵活性上都具有一定优势，且二者器件与结构均具备支持能量双向流动运行的条件，在未来V2G（vehicle-to-grid）技术得到推广后也可以满足相关需求，具有较好的应用推广前景。

但是，他们还指出，未来广泛应用电动汽车驱动-充电复用技术，除了所提技术解决方案外，还需要考虑包括用户体验、产业链布局调整以及新行业标准制定等问题。

本文编自2022年第19期《电工技术学报》，论文标题为“电动汽车电机驱动系统零转矩充电复用技术简介”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。

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