知识贴：什么是电动汽车驱动充电一体化系统？

近年来，电动汽车产业发展迅速，传统电动汽车中电机驱动系统和充放电系统是相互独立的。汽车中变换器、电机和控制器等组件通常仅用于驱动运行，当电池能量不足时，通过另外一套车载充电系统为电池充电。典型的车载充电系统通常由AC- DC变换器、功率因数校正（PFC）模块和DC-DC变换器构成，如图1a所示。 由于车载充电系统中存在大量电力电子器件，容易造成电网输入电流波形畸变、功率因数降低等问题，需要加入功率因数校正模块以减小电路中的谐波损耗。然而，这种相互独立的系统结构不可避免地增加了汽车的体积和质量，驱动系统和充电系统的集成可以解决这一问题。 将电动汽车驱动系统中变换器部分器件、电机绕组加以重构，结合相关控制器复用于充电系统中，可以实现驱动和充电功能的集成化，如图1b所示。驱动模式下，电动汽车通过功率变换器驱动电机运行，当切换至充电模式时，电机绕组和变换器开关器件复用于充电系统为电池充电。 电动汽车驱动充电一体化概念最早在1985年由D. Thimmesch提出，将电动乘用车中的电池充电器集成到逆变器电路组件中，在34 kW功率等级的驱动变换器基础上实现了3.6 kW的车载充电功能。W. E. Ripple于1990年申请了一种将三相逆变器组件和交流电源供电的直流电源充电器组件集成的专利，设计了通过单相交流电网给车载电源充电的拓扑结构和系统方案，节省了设备组件的成本和质量以及所需的空间[12]。至此，电动汽车驱动充电一体化系统成为一个研究热点。 法国法雷奥发动机和电气系统公司对电动汽车多相电机集成驱动充电拓扑结构进行研究，提出能量宏观表示法，可大大降低电流和转矩脉动等电机驱动控制性能。 奥地利应用科学大学为降低消费者和汽车制造商成本开展双向集成车载充电器的研究，通过仿真模拟验证了电压定向控制的可行性。 韩国现代起亚汽车公司对比分析了不同集成电池充电器案例，验证了使用两个逆变器的交错控制方法为最佳，可大幅降低输入电流纹波。 美国马里兰大学研究了用于电动汽车和混合动力汽车的集成车载充电器，经测试在电动和再生制动模式下均可达到复合谐波标准并且能以高功率因数运行，但需要增加额外的AC-DC变换单元。 瑞典查尔姆斯理工大学从永磁电机绕组入手对用于混合动力汽车的集成充电器展开研究，建立有限元模型来模拟系统瞬态性能，并综述了不同类型的隔离与非隔离集成充电器，提出一种基于裂相永磁电机的隔离型高功率双向集成充电器，但仍需要离合器等少量额外部件并缺少实验验证。 加拿大温莎大学致力于研究内置阻尼杆永磁电机在电动汽车集成充放电中的应用，解决了传统内置式永磁电机绕组用作交流充电电感在静止条件下产生不平衡阻抗的问题。 国内比亚迪公司将逆变器复用于充电系统中，提出了一种电动汽车集成控制系统，需要额外的LC滤波器参与充电。河北工业大学提出将电机绕组中心抽头引出，可以很好地解决充电模式绕组电流平衡问题，但增加了系统中的开关器件数量。 南京航天航空大学针对功率等级较高的电动汽车提出了一种驱动充电集成拓扑，实现了高功率因数、电气隔离、较强容错能力等功能。 本文摘编自2023年第22期电工技术学报，论文标题为“电动汽车驱动/充电一体化系统及其控制策略综述”。