1、第卷第期 年月电力电子技术，电动汽车用 电驱重构型双向车载充电机孙庆国二，谢瀚统（河北工业大学，省部共建电工装备可靠 性与 智能化国家重点实验室，天津；河北工业大学，河北省电磁场 与电器可靠性重点实验室，天津）摘要：为解决现有电驱重构型（）双向车载充电机（）系统 仍存在周期性 充馈电转矩脉动的问题，此处基于绕组分裂 式开关磁阻电机（）提出一种新型的集 成 式系统。首先，完全复用传 统的不对 称半桥变换器（）组件，在不增加额外储能变换单元的条件下，结合特殊位置点定位法，实现零转矩 充馈电。其 次，分析了充电情况下无桥变换器的输入电流畸变成因，通过改进开关管控制策 略，进一步改 善输入电流波形。最
2、后，基于一台三相极实验样机进行了相关实验，结果证明了所提系统的可行性。关键词：充电机；电驱 重 构型；电动 汽车；开关磁阻电机中图分类号：文献标识码：文章编号：（），）：（）（），（），？（）？，：；引言电动汽车因其 优越的行 驶 性能及环境友好型特性而成为我国重要的战略发 展 方向。随着智能电网和电动 汽 车 技 术的发展，为 有效地应对新能源高 渗透率下的发电侧功率波动，电动汽车到电网技术正受到 相关 学 者的研宄关注。其中，电动汽车储能源依据配电 网需求，通过双向变换器调节功 率流动方向。在此过程中，双向车 载变换器受到了广泛关注，其通过共用、重构电机驱动变换器的电力电子变换装置及电机绕
3、组等完成电能的双向变换，在降低 成本与体积的同时，实现了电动汽车快速充电因具有 无稀土、启动转矩 大、调速范围广、环境适 应性强等优点，越来 越广泛应用于电动汽 车的电驱系统开发中。定稿日期：作者 简介：孙庆国（），男，副教授，研究方向为电机系统与电力 电子变流技术。文献基于传统提出了用双向电能变 换系统。然而，在电能双向变换过程中，由各相产 生的 周期性 瞬时总转 矩 会随着绕组通流量的增加而增 大，系统需配置额外的箝 位装置以避免电动汽 车振动。文献通过二极管 整流桥与 改进的电容转储型变换器相级联实现了驱动、充电功 能的集成。其中，在特殊的转 子位置点处实施的静止充电方 案 有效地避免了
4、箝位装置的使用。然而，由于二极管整流桥的引入，电动汽车到电 网技术难以实施。同时，在文献中所提的系统中，电机电感常用作网侧电感，由其重构而成的前 级 充电变 换器均 为升 压型变换器。为 实现母线与电池电压的 匹配，基于原理的变换器被额外引入，这进一步增加了系统体积和成本。针对以上研宄存在的问题，此处基于绕组分裂式，提出了一种新型的车载双向变换器；通过在特殊的转子位置点处实施的 电能双电动汽 车用 电驱重 构型双向 车栽充电机向变 换 策略，避免了周期性瞬时 总转矩的产生；通过将电驱系统重构为两级双向变换器，避免了额外储能变换单元的引入。同时，在车 载 充电情 况下，分 析了无桥变换器的输入电
5、流过零点畸变原因，通过改进的开关管控制策 略，改善了输入电流波形；最后，利用实验验证了所 提变换器及控制策略的可行性。所提双向车载变换器系统所提拓 扑及工作模式所提 双向拓扑 如图所示，其主要由传 统三相、带中间抽头的三相绕组分裂式、动力电池及 额外增 设的两个模式 切换开关构成。当接至端口，断 开 时，变换器处于电机驱动模式。当接至端口，闭合时，变换器处于双向充馈电模 式。其中，带中间抽头的三相开绕组分裂式接线端子有个，分别为入，人，（：，（：，入（：，入，其各相包 含的裂相绕组电感与，）匝数相同，电感量相等，在此充当两级双向变 换器的滤波电感。这里主要对处于双向充馈电模式下的变换器的具体工
6、作方 式 进 行 分 析，其等 效电路图如图所示。带中间抽 头的三相开绕组电 机 合？，？曰孤曰；电机 绕组 抽头中点引：决疋疋驱动还疋充放电出线：，图所提 集成变 换器拓扑？，：图等 效电路图当电 网向动力 电池充电时，拓扑结 构 为无 桥 变换器与变 换器相级联。在 交 流输入的正、负半周期内，前 级无桥变换器 可以等效为 两个电源电压相反的 电路的组合，并 分别 实施对开 关管和的斩 波控制来调 节 直流母线电压匕。变换器由开关管、二极 管和构 成，用以实现匕到动力电池端电压的 降压变换。当动力电池向电 网馈电时，拓 扑 结 构为变换器与双变 换器相 级联。变换器由，和构 成，用以实现到
7、的升压变换。在交流输出正、负半周期内，前级双变换器 可以等效为两个电源电压相反的电路的组合，并分别通 过控制常开、斩波和常开、斩波实现降压输出。零转矩静止充馈电策略的运行遵循“磁阻 最小 原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路 径闭合。为避免磁路 饱和造成的繁琐数据推导，在此基于线性模型，对所 提静止充馈电策略进行定性分析。其中，的 电磁 转 矩可表示为：）（）式中：，和 分 别为 磁共能、相绕组电流、转子位置角和 相绕组电感。进一步可得三相绕组在 任一运行点产生的瞬时性总转矩为：命士卜令冷峰）根据式（）可得，在 基于电机 绕组复用 的充馈电模式下，仅通 过控制相绕组电流幅值不 能实现瞬时性总转矩
8、为 零。因此，在各相绕组对 称的前提下，通过选取特 殊 位置点的方式实现零 转矩静止充馈电，如图所示。图特殊转 子 位置点选 取示意图当相 被预先通电处于定、转子凸极 对 齐位置处，即时，各相绕组电感 关于转子位置的变 化 率 满足：从二基于图所 示的充馈电等 效电路可得：第 卷第期年月电 力电子技术 ，？（）将式（），（）代入式（）可得：（）式（）表明，所提双向系统在特殊的转 子位置点处可实现静止充馈电，有效地避免电动汽车振 动。输入电流过零点畸变分析及优化在 充电模 式下，考虑到图所示的无桥等 效电路的运行对称性，在此仅对交流输入正半周期内的波形进行分析。当输入电流和输入电压同相 位时，电
9、感压降将导致交流 侧合成电压参考 值：滞后于输入电流参考值，因此在过零点后的范围内，与，的极性要保持 相反。然而，受制于二极管的单 方向传输特性，无桥变换器交流侧仅能输出正电平或者零电平，无法输出负 电平，进而导致输入电流实际值因等效励磁电压不足而难以跟踪如图所示。为求得输入电流波形畸 变的 角度 范围，假设电网电压、输入电流参考值和交 流侧合成电压参考值的表达式分别如下：？；（）式中：，分别为电网电压、输入电流参考值和交流侧 合 成电压参 考值的幅值为工频角频 率。图相 量图及波形图 在范围内，无桥电路的交流侧合成电压实际值因无法输出负电平被箝位为零。此时，即为，忽略电感 的等效串联电阻，则
10、输入电流实际值的表达式为：（），（）式中：为相 在定转子凸极 对 齐位置处时，两相的分裂绕组电感之和，即，（，、）。由式（）可知丄不再跟踪输入电流参考 值，电流波形产生了畸变。同时，在？范围内小于理论值（，使得当？时，必然有；。因此，在的一段时间内，仍需保持 为零，直至为止。假设 在时刻跟踪上，则有如下所示：）（）可解得：？（）对应到图中则有？。至此，电流过零点畸变 过程结束。结合以上分析及图所示的等 效电路可得，在范围内，可通过同时对，进行斩波 控制，使得交流侧桥臂电压在正、负电平间变化以合成所需励磁电压。同理，在 交流输入负半周期的畸变角度范围内，即时，同时对，进行斩 波控制。通过上述方式
11、 不仅消除了输入电流过零点畸 变 现 象，且避免了死区时间的设置。控制策 略考 虑到车载双向变 换器系统中电能双向流动的控制需求，前级变换器采用基于同步坐标系 的虚 拟 矢量控制策略以实现有 功 分量和无功分量的独立控制，如图所示。图前级变换器控制框图 利 用二阶 广 义积分器锁相环（）实现锁相及电网电压轴分量的获取；通过对电流信号进行四分之一周期的延时获 得电流 信号的轴分量；使用陷波器以避免 充馈电过程中直 流 母线电压的二次脉动 被引入控制 环节。其中，轴电流给定值因充馈电模式的选择而不同，在 充电模式下，其通过电压外环控制器获 得，在馈电模式下，其 通过并网功 率控制器获得，在此选择给
12、定常值指令。轴电流给定值设置为零，以实现单位功率因数运行 充馈电。同时，结合控制所得的，及电感测量值，利用式（）可得输入电流优化下相应开关管的动作范围。结合电 网 电压电动汽 车用电驱重构 型双向车 栽充电机丄：刀、（格）（）输入电流优化 后结果办办卜（格）（输入电流未优化结果，（格）（格）（稳态实验结 果图充电模式 实验结 果母线电压给定值为；通 过双向可编程直流电源设置动力电池的标 称电压为。此外，米样频 率 为，开关 频率 为。充馈电模 式下的实验结果见图。其中，和化分别 为网侧电压、网侧电流和直流 母线电压；和分别为动力电池的端电压和电流（充电电流为负值，馈电电流为正值）；和分别为电机
13、的瞬时性总转矩和相的角度位置。充电模式下电池端恒流充电的稳 态运行的实验结果见图。图为输入电流 未经优化的实验结果，可以看出，输入电流在过零点处存在明显畸变。图中输入电流畸变现象得到有效抑制。此时输入电流谐 波 畸变率由降低至。充电模式下电池端由切换至恒流充电的动态运行的实验结果见图，可见，系统运行于单位功率因数，稳定于。同时，稳态 和 动态充电实验下的心保持为 零处于位置处，表明充电过程中电机处于静止状态。图馈电模式实验 结果馈电模 式下并网 电流指令给定值为（有效图充电模式实验结果的实 际相位及调制输出的信号，前级变 换器的门极信 号生 成如表所 示。表门极 信号生成模式相位（？）（）充电
14、（），）（）（）馈电 后 级变换器的控制框图如图所示，其主要包括 充电模 式下 的电池恒压恒流充电控制 和馈电模式下的 电压电流双闭环控制。前 者 产 生门极驱动信 号以实现降压充电，后者产生门极 驱 动信号以实现直流母线电压稳定。图后级变 换器控制框图 实验为验证所提车 载双向变换器系统及控制策略的有效性，基 于一台带中 间抽头的额定功率为的三相极进行了相关的实验验证。其中，电机主要参 数：额定功 率，额定电压，额定电流，额定转矩，额定转速，相电阻，最 小相电感，处相电感，最 大相电感；所用不对称 半桥变 换器由个型绝缘 栅双极型 晶体管（）和个型整 流二极管构成；直流母线电容为个的电容并联
15、组成；霍尔 型传感器和分别用于检测电压和电流；电机的瞬 时性输出转矩根据转子位置和 相电流；查转矩角位置相电流表 获得；控制器采用基于模块编程的，多功 能可重配置模块；采用一台额定视在功率 为，输出电压为的单相隔离变压器后接接触调压 器的形式将交流电源输出电压调节 为（有 效值）；直流）？（和）；（格）（）动态 实验结果）寸）名）？）。寸）？势？（宏）（）（逛）（珐？！（途。寸）（雪）￥（迄（垄）妄）一。！（￥。寸）：、）？）（寸）（垄（运）？）（奪）作为驱动信号，可认为其处于高电位时导通，低电位时关断。由图可知，下降沿总是先 于、上升沿，上升沿总慢于下 降沿，即在开关 管 关断后，其两端电压
16、才开始上升；而在开关 管导通前，两端电压己下降至零，此时开关 管工作在状态下。结论提出 了一种模 块 化多端口无线电能传 输系统，针对所提系统 推 导了其功率传输特性以及软开关实现方法。相关理论分析 为系统功率相位控制的方式 提 供了理论依 据。为了证明理论推导的正确性，搭建了一个三端口的无线电能传 输系统。实验结果 表明，通过 控制 各端口相位能够实现单值）时的稳态运行的实验结 果以及给定值由切换至时的动态运行的实验结果见图。可见，仏稳定于，系统运行于单位功率因数状态。同时，保持为 零，处于位置处，表明馈电过程中 电机处于静止状态。结论此处结合绕组分裂式开关磁阻电机和传统的不对 称半桥驱动功率变换器，提出了一种 新型的集成式电驱重构型车载双向变 换器系统。通过引入集成驱动 复用技术，利用三相中间抽头 式 开 关磁阻电机，在避免引入额外储能变 换单元的前提下，实现了静止车载双向充馈电，有 效地解决了电机 绕组复用带 来的 电动汽车振动问题。进一步地，分析了无桥充电变 换器的输入电流 畸 变成因，改进开关 管 控制策略，优 化了输入电流波形。在此基础上，搭建了一台实验样 机并验证了所提双
