电动汽车集成车载充电器研究综述

1引言

随着环境污染和能源短缺问题愈演愈烈,电动汽车的研究也受到了极大关注｡最近的一项研究显示,电动汽车的销量将在2030年占到全球汽车市场的30%左右｡虽然交通电气化的发展已经取得一定进步,但“充电不便”和“里程焦虑”仍被认为是阻碍电动汽车发展的重要因素｡而改善这些问题的一个重要途径就是开发IOBC,传统的车载充电器安装在电动汽车内部,通过交流电源为电动汽车充电,其结构如图1所示｡

目前各个电动车汽车制造商都在扩大电池的功率密度,并提供方便可靠的充电基础设施｡通常电动汽车可在住宅区或者公共插座充电,根据充电功率等级和充电时间可分为三级,如表1所示｡

其中车载充电器的成本､空间和重量会根据充电功率等级的提升而增加,这与目前电动汽车轻量化发展的方向不符,为了克服车载充电器的局限,并提高充电功率,IOBC的概念被提出｡通过对电动汽车现有的电力电子器件进行整合,将驱动系统中的电机与变换器进行驱动-充电一体化结合,可以显著减少车载充电器的重量､尺寸和成本｡

本文根据驱动系统中集成部件的类型将IOBC分为三类,并对各类型的拓扑结构､工作原理以及面对集成过程中产生的问题进行论述与分析｡第二节介绍了利用电动汽车驱动电路附加额外功率器件实现充电功能的IOBC,第三节介绍了利用汽车驱动电路的功率器件和电机绕组(取代滤波电感)共同实现充电功能的IOBC,第四节对上述IOBC的特性进行比较,第五节结合电动汽车的发展前景,对本文的主要观点进行了总结｡

2集成DC/DC变换器

根据目前所提出的IOBC类型将其分为三类,如图2所示｡第一类集成DC/DC变换器是将图1中车载充电器的DC/DC环节与驱动系统的DC/DC环节进行集成,采用双向DC/DC环节来同时实现这两部分的功能;第二类集成单个电机的车载充电器是将驱动电路的功率器件和单个电机的定子绕组进行集成,共同实现充电功能;第三类集成多个电机的车载充电器则是将多个电机的定子绕组与驱动电路集成来实现充电功能,下面讨论集成DC/DC变换器的分类细节｡

2.1驱动电路集成DC/DC环节

图3给出了集成DC/DC环节充电系统的结构图,在该类方案中,不需要对驱动电路进行重构,通过增加一部分功率器件,将DC/DC变换器改造为双向变换器来实现驱动与充电功能,相比传统的车载充电器,系统的体积､重量､成本有所降低｡但是在充电模式下需要增加整流电路来实现交直流转换｡

文献将充电与驱动模式下的DC/DC环节进行集成,降低了所需的DC/DC变换器件,如图4所示｡该DC/DC环节由四个功率开关和一个电感组成｡在充电模式下,S1关断S2导通,构成BOOST升压电路对蓄电池充电｡在驱动模式下,S2关断S1和S3导通,蓄电池将能量传递给直流母线电容,通过驱动电路向电机供能｡然而该类方案需要额外的整流环节,导致损耗较大｡

2.2驱动电路集成Z源变换器

文献提出了一种改进的Z源IOBC,如图5所示｡当能量由电池侧通过准Z源网络流向电机时,准Z源网络可以实现升压功能,当能量由电机侧流向电池侧时,准Z源网络可实现降压功能｡在此基础上,文献利用了电机绕组充当滤波电感与准Z源变换器共同实现了车载充电功能｡由于Z源阻抗网络中使用的电容较大,功率开关管承受的电压应力也很大,因此该方案可以实现宽范围电压充电,但是对器件的要求较高｡

上述电路拓扑相较于传统的车载充电器可以节省一部分的元器件,但是电路的集成度较低｡

3集成单个电机的车载充电器

3.1基于三相电机集成的车载充电器

3.1.1电机绕组和驱动电路实现DC/DC功能

文献中提出的IOBC将单相电压整流成直流电压后,再增加一级由三相永磁同步电机定子绕组和驱动电路桥臂,构成双通道交错升压DC/DC变换器,如图6所示｡在驱动模式下,电池通过驱动变换器为电机提供电压,此时附加的二极管桥并不会对驱动模式的运行产生影响｡在充电模式下,交流电压由二极管桥整流后,通过电机绕组与驱动变换器一起构成的DC/DC变换器为电池充电,其中永磁同步电机的定子绕组充当滤波电感｡在这种情况下,流经电机定子绕组的电流关系为ia=-2ib=–2ic,当转子的d轴与a轴重合,此时定子合成磁场与转子磁场方向一致,转子受到的电磁力位于a轴方向,保证其在充电过程中不会产生电磁转矩｡其中输入电流总谐波失真率为3.96%,两级结构的存在导致充电效率不高,最大效率为93.1%｡文献在此基础上提出的单相集成充电器可以实现降压DC/DC和升压DC/DC功能｡但同时增加三个继电器,导致系统可靠性降低｡

文献提出的三相IOBC如图7所示｡通过附加三相接口直接连接到电动汽车驱动系统,集成方法简单,无需对驱动变换器进行任何调整｡相比较于图6的结构,图7的充电功率更高｡但输入电流质量不高,THD高达4.77%,同样两级结构的存在导致充电效率不高,最大效率为92.6%｡

3.1.2电机绕组和驱动电路实现AC/DC功能

相比上一小节提出的IOBC,电机绕组和驱动电路实现AC/DC功能的车载充电器无需额外的整流环节,所需要的功率器件更少,集成度更高｡文献研究了三相永磁同步电机定子绕组与驱动变换器集成时的绕组配置方案,分析了不同转子位置下电流与转矩的关系,通过控制流经绕组的电流,实现充电时的零转矩保持｡文献将三相永磁同步电机定子绕组分别与驱动电路三个桥臂中点和单相电源相连,如图8所示｡充电期间,K1断开,K2闭合,永磁同步电机的a相绕组连接到单相电网的一侧,而逆变器的a相支路连接到另一侧,在充电过程中保持电机零转矩的控制方法与图6一致,这里不再赘述｡此外还研究了三相永磁同步电机定子绕组作为滤波电感充电时电感值变化所带来的输入电流谐波增大和系统相位裕度下降的问题,并针对这两个问题提出了P-DR控制器和自适应P参数的控制策略｡

文献提出了一种基于中心抽头绕组开关磁阻电机的车载集成电池充电器,如图9所示｡在充电模式中,单相交流电源连接在开关磁阻电机的A相绕组和B相绕组的中点,与驱动变换器桥臂组成了单相全桥整流器,实现整流功能,同时C相绕组与变换器的桥臂组成DC/DC变换器,因此该方案可以实现宽范围电压充电,但是需要对电机绕组进行重新配置｡

3.2基于多相电机集成的车载充电器

文献将五相电机定子绕组重新配置后与三相电网和驱动变换器进行集成,其充电模式下的等效电路如图9所示｡对流经定子绕组上的电流进行解耦变换后,在第一(产生扭矩)平面上只存在α分量,而β分量为零,说明充电过程中只会产生脉动转矩,而不会产生起动转矩,因此充电时转子能够保持静止｡而基于五相混合励磁电机的IOBC更具有优势,由于流过电机绕组的充电电流具有良好的磁通调节能力,因此如果选择合适的电流方向,充电电流本身就可以给电机提供弱磁操作,从而进一步降低充电时的峰值转矩,经过测试其效率最高可以分别达到94.56%和95.08%｡文献将六相不对称电机定子绕组和六相驱动变换器进行集成｡除了驱动和充电模式,也能够进行(VehicletoGrid)V2G操作,但输入电流质量较差｡文献提出的IOBC有一个DC/DC变换器和一个3H桥式转换器,电网的三相电源分别连接到六相电机绕组的中点｡在充电模式下,三相电源的每一相都会从一个绕组的中点流过并分流至两端,产生两个大小相等方向相反的电流,这两个电流在同一个绕组中产生两个作用相反且能够互相抵消的磁场,从而实现了电机的去磁效果,进而防止在充电过程中产生旋转磁场｡但由于3H桥结构的存在,会对开关管的电压应力有所要求,且电路的控制更为复杂｡文献提出了一种九开关驱动变换器与六相电机定子绕组进行集成,相比于前者降低了成本但为了达到同样的功率则需要更高的额定电流,因此开关管所承受的应力随之提升｡文献提出了基于九相电机的IOBC不需要重构电机绕组,同时也能实现单相充电功能｡文献采用非对称九相电机进行集成,虽然可以实现V2G的功能,但输入电流谐波较高｡

3.3基于多电机集成的车载充电器

文献将四台电机与驱动器变换器进行,如图10所示｡在驱动模式下四个电机独立运行,由一个蓄电池通过四个驱动变换器向电机供电｡在充电模式下,三相电网直接连接到三个电机定子绕组的中点,通过同时驱动同一电机相连的驱动桥臂,可以保证每个电机内的三个绕组流过相同大小的电流,因此产生的旋转磁场相互抵消,从而保持电机零转矩充电｡该配置通过交错控制减少电流纹波,且能够实现V2G功能,然而,电机定子绕组构成的等效滤波器电感值较小,需要添加额外的滤波电感｡文献[36]提出了另一种基于四个电机的单相IOBC,其中两个电机定子绕组与驱动变换器两个桥臂共同构成整流器,另外两个绕组与两个驱动变换器共同构成DC/DC变换器,用于控制输出电压,具有很大的实际应用价值｡文献提出了一种基于双电机系统的IOBC,通过对驱动变换器的改造,使其在充电时电机保持零转矩｡但需要对电机绕组重新配置,且需要额外的功率开关｡

4对比分析

本节根据IOBC所集成电机的相数､电源的相数､功率开关管数量､是否需要额外的功率器件等八个方面对所列出的拓扑电路进行比较,结果如表2所示｡

从表2中可以看出,IOBC的充电功率大部分处于1~2级的水平,充电效率在90%以上,而在传统车载充电器中流行的双向功率流(V2G),目前在IOBC并不普及｡集成DC/DC变换器的IOBC需要添加额外的功率器件来实现充电与驱动的功能,导致其集成度较低,相比之下,将驱动变换器与电机定子绕组进行驱动-充电一体化集成的方案为当下研究的主流方案｡目前大多数研究的重点在于充电模式下对电机转矩的控制以及如何减少功率器件的使用,其中基于三相电机的IOBC的转矩控制方法较为简单,相比于多相电机的集成方案,三相电机绕组和驱动电路实现AC/DC功能的方案无论在功率开关数量和充电效率上都不处于下风,甚至在个别拓扑上的性能更为优秀,但是受限于电机的驱动功率,在与驱动变换器集成的过程中其充电功率成为瓶颈｡多相电机的集成方案在转矩控制上拥有着更高的自由度,无论是在驱动还是充电模式下都能提供更高功率｡

5结论

随着电动汽车的市场占有率逐年递增,传统车载充电器“充电不便”和“里程焦虑”的问题亟待解决,因此对于IOBC的研究越来越受到人们关注｡

本文对IOBC的拓扑结构进行了综述,并对不同类型的IOBC进行了详细的论述与总结,主要介绍了IOBC的拓扑结构､工作原理,并说明了各个类型的优点和局限性｡目前将驱动变换器与电机定子绕组进行驱动-充电一体化的集成方案为当下研究的热点,其中基于三相电机的IOBC发展较为成熟,同时基于多相电机和多电机的IOBC发展潜力巨大｡双向功率流(V2G)､高功率密度､高效率低成本等都是IOBC未来发展的新趋势｡

文章来源:福州大学福建省新能源发电与电能变换重点实验室