在電動(dòng)汽車應(yīng)用中，車載儲(chǔ)能電池的充電一般通過(guò)充電樁或者車載充電機(jī)實(shí)現(xiàn)。利用電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及逆變器與電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)交流電到直流電的電能變換，最終完成對(duì)車載儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電，可以有效節(jié)省硬件和裝置建設(shè)成本，還能有效提升車載充電容量。但相關(guān)策略在實(shí)現(xiàn)時(shí)，存在的最大挑戰(zhàn)是如何抑制由繞組交流電流引起的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和振動(dòng)。
華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的蔣棟、高加樓、李柏楊、孫偉、周敏，在2022年第19期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，著眼于并網(wǎng)過(guò)程中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆變器與電網(wǎng)之間可靠電能變換的方法進(jìn)行了介紹。該零轉(zhuǎn)矩并網(wǎng)方法，其核心是結(jié)合電機(jī)繞組的型式和逆變器的電流控制來(lái)調(diào)整定子磁動(dòng)勢(shì)，從而合理布控電樞反應(yīng)磁場(chǎng)與永磁磁場(chǎng)的空間關(guān)系使其滿足零轉(zhuǎn)矩條件。相關(guān)工作旨在為電動(dòng)汽車傳導(dǎo)式車載充電提供一種可行的硬件復(fù)用方案。
新能源汽車結(jié)合了能源技術(shù)、電氣技術(shù)和信息技術(shù)，具有低碳排放、高效和智能的特點(diǎn)，未來(lái)將逐步取代燃油車。同時(shí)，新能源汽車的車載儲(chǔ)能電池作為廣域移動(dòng)儲(chǔ)能裝備，還可支撐電網(wǎng)運(yùn)行和協(xié)助消納可再生能源，而這也可能成為一種能源套利方式，對(duì)于用戶而言極具吸引力。
車載儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)間的電能變換，一般采用非車載的充電樁和車載充電機(jī)（On-Board Charger, OBC）。這兩種技術(shù)各有優(yōu)劣，直流充電樁充電速度快但依賴特定場(chǎng)地且成本較高；車載充電機(jī)在使用上十分便捷但容量受限。因而，車載充電機(jī)一般作為充電樁的補(bǔ)充，比如應(yīng)急充電或居家充電。
受限于車內(nèi)有限的空間，目前市面上的車載充電機(jī)功率等級(jí)通常不超過(guò)11kW，而這尚未達(dá)到用戶需求。為提升車載充電機(jī)的充電容量，有兩種可行思路：①提高車載充電機(jī)自身的功率密度，如采用寬禁帶功率器件，通過(guò)提升開(kāi)關(guān)頻率，從而減小無(wú)源元件的體積；②利用系統(tǒng)集成的方法，如將車載充電機(jī)和車載DC-DC變換器等裝置多合一組裝，縮短裝置間的電氣連接線，共用散熱器和支撐件，從而減小系統(tǒng)的體積。
系統(tǒng)集成的方法目前已被大多數(shù)整車企業(yè)所采納，集成度基本已達(dá)上限；而基于寬禁帶功率器件的車載充電機(jī)方案由于成本的原因尚未成熟。在該背景下，20世紀(jì)90年代就被提出的驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用（integrated motor drive and charger）的概念成為可進(jìn)一步減小車載充電機(jī)體積以及提升充電容量的“新”思路。
集成充電器的概念如圖1所示，即利用復(fù)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其逆變器構(gòu)建車載充電機(jī)的前端脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）整流器，逆變器作為雙向變流器，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組將作為交流側(cè)濾波電感。由于前端整流環(huán)節(jié)已由驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，故車載充電機(jī)只需一套獨(dú)立的隔離DC-DC變換環(huán)節(jié)即可，在相同的成本和可用空間下，隔離DC-DC變換器的功率等級(jí)可成倍地增加。同時(shí)，還可結(jié)合寬禁帶功率器件和系統(tǒng)集成的方法，為大容量車載充電機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供可能。
圖1 集成充電器的概念圖
在驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用技術(shù)中，電機(jī)作為充（放）電回路的一部分，繞組中的交變電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將在充電過(guò)程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和振動(dòng)，帶來(lái)車體不希望看到的運(yùn)動(dòng)，這是復(fù)用充電功能最大的困難之一。具備實(shí)用化的驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用技術(shù)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)就是如何實(shí)現(xiàn)充（放）電過(guò)程中電機(jī)的零轉(zhuǎn)矩。
華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的蔣棟教授團(tuán)隊(duì)探索了具有實(shí)用價(jià)值的單相和三相并網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用技術(shù)，重點(diǎn)分析和設(shè)計(jì)具有零轉(zhuǎn)矩并網(wǎng)運(yùn)行特性的方案。該方案具有以下特點(diǎn)：①根據(jù)轉(zhuǎn)子d軸位置合理選擇電流分配方式，保證單相并網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用電路可靠零轉(zhuǎn)矩并網(wǎng)運(yùn)行；②利用三相逆變器與新型變繞組結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）構(gòu)建三相并網(wǎng)集成充電器，易實(shí)施于現(xiàn)有電驅(qū)系統(tǒng)中，在零轉(zhuǎn)矩并網(wǎng)運(yùn)行的同時(shí)，電路的等效電感為電機(jī)主電感，從而提升并網(wǎng)電能質(zhì)量。
研究團(tuán)隊(duì)在論文中介紹了單相并網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用技術(shù)，包括電路結(jié)構(gòu)及其零轉(zhuǎn)矩并網(wǎng)運(yùn)行原理、并網(wǎng)電流控制策略以及方案驗(yàn)證；其次介紹了三相并網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用技術(shù)，包括基于雙模塊電機(jī)的復(fù)用結(jié)構(gòu)、并網(wǎng)電流控制策略以及方案驗(yàn)證；并對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)-復(fù)用技術(shù)作擴(kuò)展討論與展望。
他們表示，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用技術(shù)是一種有效利用電動(dòng)汽車已有的電機(jī)-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充電功能的新技術(shù)。在這一技術(shù)中，如何保證充電過(guò)程電機(jī)轉(zhuǎn)矩為零是其實(shí)用化的一個(gè)關(guān)鍵。
研究人員分析認(rèn)為，對(duì)于單相驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)為成本低、體積小、重量輕，且對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)不需要進(jìn)行任何重新設(shè)計(jì)，復(fù)用了電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)變流器實(shí)現(xiàn)單相并網(wǎng)充電功能。實(shí)際應(yīng)用中，單相充電應(yīng)用場(chǎng)景多為家庭或工作時(shí)間充電，充電時(shí)間較長(zhǎng)，且受限于單相電網(wǎng)的功率限制，單相驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用技術(shù)方案的充電功率提升空間也較為有限。因此該方案的主要目標(biāo)在于取代車載充電器。
對(duì)于三相驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用技術(shù)，可以突破單相電網(wǎng)的功率限制，實(shí)現(xiàn)大功率快速充電，同時(shí)可以提升充電靈活性，節(jié)省了地面快速充電樁的建設(shè)成本，且避免了不同電動(dòng)汽車廠商充電標(biāo)準(zhǔn)的不一致，僅需將電動(dòng)汽車連接至三相電網(wǎng)接口，方便快捷。該技術(shù)的主要目標(biāo)是簡(jiǎn)化充電樁的建設(shè)，但該技術(shù)需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行改造才能有效地實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)矩。
他們最后表示，綜合分析成果，結(jié)合單相和三相集成充電技術(shù)的特點(diǎn)，該驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用技術(shù)在成本、重量、體積、充電功率以及靈活性上都具有一定優(yōu)勢(shì)，且二者器件與結(jié)構(gòu)均具備支持能量雙向流動(dòng)運(yùn)行的條件，在未來(lái)V2G（vehicle-to-grid）技術(shù)得到推廣后也可以滿足相關(guān)需求，具有較好的應(yīng)用推廣前景。
但是，他們還指出，未來(lái)廣泛應(yīng)用電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)-充電復(fù)用技術(shù)，除了所提技術(shù)解決方案外，還需要考慮包括用戶體驗(yàn)、產(chǎn)業(yè)鏈布局調(diào)整以及新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定等問(wèn)題。
本文編自2022年第19期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“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”。本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目的支持。
（來(lái)源：能源新趨勢(shì)）
