0引言

近年來，隨著能源危機和環境問題的日益突出，產業界和科研界都對電動汽車的研發投入了極大關注，也帶來了全球范圍內電動汽車產業的高速發展，使得目前電動汽車產品在驅動性能等方面取得了長足進步。然而，受制于電池技術，“里程焦慮”仍是困擾消費者購置電動汽車的主要瓶頸。因此，研發便捷、快速、低成本的電動汽車用充電機，具有重要的現實意義。

電動汽車充電機可分為車載充電機和非車載獨立充電機。對于非車載獨立充電機，公共大型充電站可以滿足電動汽車大功率快充需求，但存在建設成本高、周期長等問題，在中大型城市還存在建設用地緊張等問題；另一方面，私人充電樁也存在線路改造復雜、車位空間限制等局限。因此，從便利性角度，車載充電機因其不依賴充電樁的特性而得到了日益廣泛的應用。然而，對于整車廠而言，傳統中功率等級車載充電機會顯著增加整車成本和質量，擠占車內有限空間，與目前整車輕量化的趨勢不符，也限制了車載充電機在電動汽車中的大規模推廣。

基于以上情況，近十年，一種集成式車載充電系統引起了學界和產業界的持續關注，其一般結構如圖1所示，具有以下特點與優勢：

（1）該類系統的一般原理：停車時，將電動汽車中電機驅動系統重構為充電機，由市電對電池進行充電，實現了驅動電機和功率器件的分時復用，僅需少量增加或不增加額外功率器件，在成本、質量和體積方面具備明顯優勢。

（2）在重構而成的集成式車載充電機中，電機繞組一般作為電網側線電感使用；驅動逆變器則通常被重構為全控型整流器或直流變換器，完成電能轉換并給車輛動力電池充電。

（3）一般而言，電動汽車電驅系統在功率等級方面要遠大于其充電系統，因此，該類集成式車載充電機在理論上可以實現大功率快速充電。

鑒于以上優勢，自1985年集成式充電系統思路出現以來，各國學者對該類系統展開了全方位的研究。特別是近年來，隨著現代電力電子技術和電機驅動控制技術的高速發展，相應地，基于不同類型電機和不同拓撲驅動器的集成式充電系統相繼出現，它們各具特點、性能各異。因此，有必要對現有集成式車載充電機拓撲和控制方法進行總結歸納，以對后續研究工作提供指導和幫助。

另一方面，電動汽車領域對電機及其驅動系統的調速范圍和容錯能力都提出了更高要求，因此，繼承了傳統永磁電機高效率、高功率密度特點，同時又兼具電勵磁電機磁場直接調節能力的混合勵磁型電機，在電動汽車領域受到了越來越多的關注。而混合勵磁型電機在構造集成式充電系統時，因其特殊的電機結構和電磁特性，會具有多種優勢，為集成充電系統的發展提供了新的技術方案。

綜上所述，本文將首先綜述現有的各類集成式車載充電系統拓撲。區別于目前已發表的多篇關于該類系統的綜述文獻（大多從電機數量、電機類型、系統集成度等角度進行歸類介紹），本文將詳細分析集成式充電系統在拓撲結構和控制方法兩方面存在的多個關鍵技術問題，以問題為導向，綜述現有各類集成式車載充電系統及其控制方法對以上問題的解決方案；其次，深入分析混合勵磁電機在構建該類型系統中的特點與優勢，并以一臺五相混合勵磁型磁通切換電機為例，驗證所提出觀點的正確性。最后，總結全文，并對集成式車載充電系統的后續發展進行展望。

1集成式車載充電系統綜述

本節將首先介紹可以完成集成式充電基本功能的早期原始拓撲，并分析和總結出該類系統中存在的四個關鍵技術問題。進而，將分別從解決以上四個問題的角度，對該類系統的各類拓撲結構進行較為清晰的梳理和綜述。

1.1原始拓撲

通過復用車內電機驅動系統構造的集成式車載充電系統始于1985年，但受限于當時電力電子器件的發展水平，其主電路由晶閘管構成，對現代的集成式車載充電系統設計已不具備指導意義。

進入20世紀90年代，伴隨著大功率IGBT器件的大規模商用，基于全控型變換器的電機驅動系統日趨成熟，與其相對應的集成式車載充電系統也相繼出現。圖2所示為文獻[15]首次提出的基于三相電機的單相集成式車載充電機拓撲結構。由圖可知，該結構首先通過額外增加的不可控整流器，將單相交流電源變換為直流，并接入電機中性點；此時，電機繞組及其逆變器橋臂構成了3個完全相同且直接并聯的Boost變換器，完成給電池組的充電操作。該結構完成了單相集成式車載充電機的基本功能，后續多篇文獻也針對該結構進行了詳細分析和報道。

基于三相電機的三相集成式充電機拓撲如圖3所示，其拓撲結構則是最早提出的三相集成式車載充電機。該結構中，電機中性點被打開，電機繞組被重構為三相網側電感，驅動逆變器則作為全控型三相全橋整流器使用。同樣有多篇文獻對該拓撲做出了后續研究和報道。

以上單相和三相集成式車載充電系統均為早期提出的可以完成基本充電功能的原始拓撲，雖然科研工作者進行了一系列后續研究工作，仍能從以上兩種拓撲結構中提煉出集成式車載充電系統在拓撲結構方面亟待解決的幾個共性技術問題，即：

（1）單相集成式系統中增加額外功率器件的問題。如圖2所示結構中額外增加的整流器。

（2）三相集成式系統中，充電時產生起動轉矩的問題。如圖3所示的三相充電拓撲中，當三相對稱電流通入驅動電機的三相對稱繞組時，必然會在電機氣隙中產生旋轉磁場，從而在電機轉子上產生持續的轉矩，導致電機轉動或振動，這是集成式系統在充電模式下必須要避免的情況。

（3）充電系統的電氣隔離問題。在車載充電系統中，網側電氣隔離雖不是強制性要求，但考慮到充電安全性，具有電氣隔離能力的充電系統總是更優的選擇。

（4）電網電壓與車載電池組電壓的電壓匹配問題。以上原始結構存在一個共同問題，即圖2所示結構中的DC-DC變換器與圖3所示結構中的AC-DC變換器均基于升壓原理，因此，若車載電池組的電壓小于某一特定值，則變換器無法輸出滿足電池充電要求的工作電壓，現有的多種集成式系統則是通過在母線與電池之間增加額外DC-DC變換器來解決這一問題的。

其中，問題（1）、問題（2）、問題（4）是必須解決的、否則系統無法完成基本功能的主要問題，而解決問題（3）則可以為系統提供更高的安全性（雖然現有充電機標準中均不做強制性要求）。以上為本文總結出的集成式車載充電系統中廣泛存在的四個關鍵技術問題，下面將以這四個問題為導向，綜述各類集成式車載充電系統。

1.2額外增加功率器件的問題

在構造集成式車載充電系統過程中，增加額外功率器件的問題主要發生在單相集成式充電機中。針對問題，目前主要通過打開電機繞組連接和利用雙電機驅動系統兩種方式來解決。這兩種解決方案，其本質思路都是通過一定的方法，令網側電源可以接入全橋整流器，從而實現電能的交直流轉換，而不需要增加額外的不可控整流器。

1.2.1更改電機繞組連接方式

文獻提出的單相集成式車載充電機如圖4所示。在充電模式下，該結構通過打開Q1、閉合Q2和Q3，將L3繞組與其逆變器橋臂斷開，并連接到電網側。通過以上變換，L1與L2并聯后與L3串聯，與其逆變器橋臂共同構成了基于Boost的單相全橋整流電路，從而在不增加額外功率器件的前提下實現了單相充電。

1.2.2雙電機驅動系統/利用車內輔助電驅系統

當電動汽車由雙電機系統驅動，或車內存在另一套輔助電驅系統時，則可以采用如圖5所示基于雙電機系統的單相集成式車載充電機的方案。如圖5a所示，兩臺電機繞組分別并聯作為網側電感，而兩臺逆變器分別共享相同驅動信號，其等效電路如圖5b所示。從等效電路可以看到，雙電機驅動系統同樣被重構為一個單相全橋全控型整流器，從而不再需要額外的不可控整流電路來完成充電工作。

1.3充電時產生起動轉矩的問題

集成式系統在充電過程中產生起動轉矩，主要發生在三相集成式充電機中。目前，解決該問題的本質目標和思路都是對充電時的氣隙磁場進行控制，保證充電時網側三相對稱電流流入電機繞組后，在氣隙中不產生旋轉磁場。

1.3.1重構裂相電機繞組

圖6給出基于裂相三相異步電機的三相集成式充電機[26]。當切換到充電模式時，S1將三相電源接入，S2切換至b1和b2，令兩套電機繞組產生幅值相等且旋轉方向相反的氣隙磁場，從而保證氣隙總磁鏈為零，消除充電過程中產生的轉矩。然而，更改繞組連接無疑增加了系統的復雜性、降低了可靠性。

1.3.2開繞組電機

多篇文獻都報道了基于開繞組電機的三相集成式充電系統，其結構如圖7所示。在該類結構中，各相繞組中點與三相交流電源相連，得益于開繞組電機的逆變器結構，繞組支路具備可控的電流流通能力，當每相繞組的H橋分別共享驅動信號時，流過各繞組支路的電流相等，即每相繞組中的總電流保持為零，因此不會產生起動轉矩。

1.3.3多相電機

隨著現代電力電子技術的不斷發展，多相電機驅動系統因其低轉矩脈動、高可靠性等優勢，在電動汽車等高功率驅動領域日益受到關注[33]。而在集成式車載充電機領域，相比上文介紹的兩種解決方案，基于多相電機的集成式系統更具可行性，因此大量文獻報道了基于五相電機、六相電機、七相電機和九相電機的集成式充電系統，圖8給出了其一般拓撲結構。得益于多相電機在空間上豐富的繞組分布方式和可控逆變器橋臂，基于多相電機系統的集成式充電機，可以通過合理配置各相繞組連接方式，令系統在充電期間不產生起動轉矩。關于其具體實現方法，文獻以五相電機為例，進行了詳盡地介紹。

1.3.4充電期間保持電機旋轉

與上述幾種解決方案不同，一種令電機在充電期間保持旋轉的集成式充電系統結構如圖9所示[?？梢钥闯?，該類集成式系統同樣基于裂相電機進行構建。當系統切換為充電模式時，電機需保持同步速旋轉，并網后，電機被作為旋轉變壓器使用并將電能輸送給電池。該類結構不需要考慮轉矩產生的問題，不失為一種解決方案，且具備電氣隔離功能。但方案整體控制和并網操作復雜，要求電機反電動勢與電網電壓匹配，車輛靜止時電機保持旋轉也存在安全風險，且增加系統機械損耗。

1.4隔離充電問題

在各國的充電機標準中，電氣隔離均不作為強制性要求，但出于安全性考慮，具備這一功能的充電機總是更優的選擇。目前，在集成式車載充電系統中添加電氣隔離功能的主要思路為在功率級中增加或構造出隔離變壓器。

1.4.1將電機重構為變壓器

與電力變壓器類似，電機同樣由線圈繞組和導磁鐵心等構成，因此，通過改造電機繞組的連接方式，即可將電機重構為一臺變壓器。第1.3.4節介紹過的集成式充電機即為該類型結構（見圖9），此處不再贅述。

另外，文獻提出一種基于9槽/8極內嵌式永磁同步電機（InteriorPermanentMagnetMachine，IPMM）的集成式系統，其電機結構如圖10a所示。在該結構中，9個電樞線圈被連接為六端口模式，通過設置不同的線圈匝數，電機在驅動模式下可以等效為一臺六相電機進行控制（見圖10b）；而在充電模式下，電機被重構為一臺三相/六相旋轉變壓器（見圖10c），一次側三相繞組接入電網，二次側六相繞組則配合電機驅動逆變器為電池組充電。該結構同樣在網側與充電機之間構造了一臺旋轉變壓器，但考慮到該變壓器是一臺電壓比1∶2的升壓變壓器，而充電機整流器同樣基于升壓原理，導致最終充電電壓過高，可適用范圍較窄。

1.4.2增加額外工頻變壓器

另外一種較為普遍的方法是在車內或車外增加額外的工頻隔離變壓器如圖11所示。文分析了基于對稱六相電機或雙三相（非對稱六相）電機的集成式充電機在添加額外隔離變壓器時需要遵循的原則。研究結果表明，為了保證電機在充電時不產生起動轉矩，對于對稱六相電機，采用一臺雙邊均為單套繞組的變壓器即可（見圖11a）；而對于非對稱六相電機（即雙三相電機），則需采用二次側雙繞組結構的變壓器，且要求兩套繞組分別采用星形和三角形連接（見圖11b）。

一般而言，由于工頻變壓器體積和質量均較大，將其放置于車內與集成式充電機輕量化的目標相矛盾，而放置于車外又增加了網側充電接口的復雜度，與集成式充電機的便捷性和高集成度特性不符，因此該方案很少被采用。

1.4.3采用新型電力電子拓撲

考慮到工頻變壓器在體積和質量方面的劣勢，多種基于新型隔離型電力電子拓撲的集成式充電機相繼問世，其思路可以歸納為：首先，驅動電機及其逆變器重構為全橋整流器，將網側交流電整定為直流；然后，在母線與電池之間增加隔離型DC-DC變換器，從而實現電氣隔離。如圖12所示

為一種基于雙主動橋式（Dual-Active-Bridge,DAB）變換器和六相電驅系統的集成式充電系統。在該系統中，六相電驅系統組成單相（見圖12a）或三相（見圖12b）整流器，實現交直流轉換；一組DAB變換器被設置在母線與電池之間，完成電氣隔離。該結構的優勢在于直流側高頻變壓器體積小、質量輕，但增加了較多的功率器件，因而在成本上同樣不具優勢。

1.5電壓匹配問題

在集成式充電系統中，電機電感通常作為網側線電感使用，其重構而成的變換器均基于升壓原理，將導致直流母線電壓必然高于某一特定值（隨電網電壓變化），若電池所需充電電壓低于該值，則充電機無法工作。目前，已有多種解決該問題的方案，其本質均為將充電過程分解為兩個功率級完成。一般而言，第一級完成電能的交直流轉換，第二級則完成充電電壓的匹配。

1.5.1基于四輪獨立驅動系統的集成式充電機

文獻提出一種基于四輪獨立驅動系統的集成式充電機，其系統拓撲如圖13a所示。該結構中，4臺電機的繞組均直接并聯使用，其在單相充電模式下（電池側開關置于位置2）的等效電路如圖13b所示，可以看出，此時1號和2號電機及其逆變器構成了單相全橋整流電路，3號和4號電機及其逆變器則在母線與電池之間構造了一個Buck變換器，實現母線電壓與電池電壓的匹配。雖然文獻中沒有提及，但很明顯，該系統同樣可以改造為如圖13c所示的三相充電系統，即1、2、3號電機及其逆變器組成三相全橋整流電路，4號電機及其逆變器作為Buck變換器使用，完成電壓匹配。因此，該結構可以有效解決集成式系統的電壓匹配問題，盡管由于四輪獨立驅動系統尚未大規模普及，導致其應用場景受限，但仍是具有良好前景的集成式充電機解決方案。

1.5.2電驅系統重構為Buck-Boost變換器

在單電機驅動系統中，多篇文獻提出了將電驅系統重構為Buck-Boost變換器的集成式充電機，雖然結構略有不同，但原理相似。第一種結構如圖14a所示，通過在電驅逆變器中增加開關Q1，即可在充電模式下將逆變器母線打開（Q1打開，Q2、Q3閉合），將逆變器重構為一個級聯型Buck-Boost變換器，居中的換能電感由電機中A、B相繞組并聯后與C相繞組串聯組成，其等效電路如圖14c所示。而圖14b所示的結構與上述結構功能相同，區別在于增加了與電機中性點相連的變換器橋臂，換能電感由三相電機繞組直接并聯組成，因而無需打開逆變器母線，其等效電路同樣如圖14c所示。

分析可知，該類型結構實際上是1.2.1節所介紹結構的一個變種，雖然在功能上解決了集成式系統電壓匹配的問題，但重構得到的Buck-Boost變換器只能對直流電進行整定，所以需要增加額外的不可控整流器來完成交直流轉換工作。

1.5.3重構電驅系統為兩級變換器

文獻提出將電驅系統重構為兩級變換器的集成式充電機拓撲，其基本思路為：將部分電機繞組及其逆變器橋臂構造為交流側基于Boost原理的AC-DC變換器，實現交直流轉換；然后將剩余電機繞組及其逆變器橋臂構造為基于Buck原理的DC-DC變換器，實現母線與電池的電壓匹配。

以基于開關磁阻電機（SwitchedReluctanceMachine,SRM）的集成式充電機為例，如圖15所示，在充電模式下（開關Q1打開），A、B相繞組及其逆變器橋臂構成了單相全橋整流器，完成電壓的交直流變換，同時，C相繞組及其逆變器橋臂則組成了一個Buck變換器，實現充電電壓匹配。

該系統在不增加額外功率器件的基礎上，實現了集成式充電機的基本功能，且解決了電壓匹配問題，但仍存在一些缺陷：首先，由于三相驅動系統電機繞組有限，當部分繞組被用作構建第二級變換器后，剩余繞組無法實現三相充電；其次，對于電機本身而言，其三相繞組阻感參數基本一致，而當電機繞組作為功率變換器中的無源器件使用時，其所在的不同功率級對于電感參數的要求并不一致，因此，使用三相繞組作為不同功率級中的無源器件，無法保證系統輸出電流紋波等指標的要求。

另一方面，基于分裂勵磁繞組雙凸極電機（Split-Field-WindingDoublySalientMachine,SFW-DSM）的集成式充電系統則給出了更好的解決方案，如圖16a所示，作為定子勵磁型電機的一種，該雙凸極電機在定子側同時具有一套兩相勵磁繞組和一套三相電樞繞組，兩套繞組相互獨立?；谠撾姍C構造的兩級集成式充電拓撲如圖16b所示，可以看到，電樞部分組成了第一級三相全橋整流器，而勵磁部分則構成了第二級DC-DC變換器。與1.5.2小節介紹的集成式系統相比，該結構可以進行單相和三相充電，且電樞繞組與勵磁繞組參數相互獨立，因此繞組參數可以根據其所在的功率級需求靈活設計。然而，雙凸極電機由于其反電動勢非正弦性和較大的轉矩脈動等劣勢，在電動汽車中應用較少，也限制了該類集成式系統的應用。盡管如此，該結構仍為集成式充電系統提供了一個較為合理的方案，也為多勵磁源電機在集成式系統中的應用帶來了啟示。

審核編輯：湯梓紅