【原创】2024年度电驱复用型车载充电系统剖析

车载充电机，英文名称为On-board Charger，简称OBC，是一种专为汽车动力电池充电而设计的电力电子装置。它运用高频开关电源技术，高效地将交流220V转换为高压直流电，为动力电池充电，确保车辆能够正常行驶。此外，OBC还集成了多重保护功能，涵盖过压、欠压、过流、欠流等多种异常情况，一旦充电系统检测到任何异常，将迅速切断电源，确保充电过程的安全可靠。

目前，传统的车载充电技术已趋于成熟，但在成本、体积与重量等多重限制下，其功率等级难以取得显著突破。国内外学术界的深入研究为电动汽车电气部分带来了创新的轻量化设计理念，即通过电驱单元同时实现电驱与充电功能，具体设计概念如图所展示。这一设计被称为电驱复用型车载充电系统（简称EDROC系统），它巧妙利用现有电驱系统的组件，通过重新配置电机绕组和复用逆变器来实现对电池的充电。在电驱运行模式下，电池为电机提供驱动能量；而在充电模式下，电机绕组则被转化为网侧滤波电感或储能电感，逆变器则转变为全控整流桥或直流变换器，电网通过这一系统完成电能转换，直接为电池充电。因此，EDROC系统成功实现了充电与电驱功能的集成化设计，提升了系统效率与灵活性。

相较于传统车载充电机，EDROC展现出以下显著特性与优势：

1）创新性地利用电机绕组作为滤波电感，此举有效缩减了因大电感等部件所占据的车内空间，从而显著提升了汽车电气系统的功率密度。

2）通过将高功率逆变器复用于充电流程中，EDROC避免了增设专用充电单元的必要性，这不仅降低了充电系统的整体成本，还同时提升了充电功率等级。

3）主流电驱系统，如永磁电机及开关磁阻电机，均能借助EDROC实现整流功能的复用。因此，EDROC系统具备极其广阔的应用前景与巨大的发展空间。

静止磁场式EDROC系统的显著特点在于，它使网侧交流电流以零序电流的形式注入电机定子绕组。由此产生的漏磁通会沿铁心路径形成闭合回路，有效避免进入气隙与转子侧产生交链。这一特性确保了在充电过程中不会产生电磁转矩，从而保障了电动汽车充电时的安全性能。该系统源自1985年美国Gould公司提出的EDROC原始拓扑，并经过发展演变而来。它通常采用多三相电机结构实现，包括但不限于六相、九相、十二相等，且实现方式简便，无需复杂的硬件重构措施，仅需简单引出绕组的中性点即可。 

当电动汽车配备双电机系统或车内有辅助电驱系统时，可采用图示的双驱系统基础之上的单相交流EDROC系统。此拓扑结构同样适用于六相电驱系统。在充电过程中，单相交流电网的零线与火线分别接入两套三相绕组的中性点，此两套绕组并联作为网侧电感使用。两套逆变器共享同一驱动信号，共同工作，相当于构成了一个H桥整流器，将单相交流电转换为直流电，以供电池充电使用。基于双三相电机设计的EDROC系统特别适用于插电式混合动力汽车。此外，还存在一种专为四驱电动汽车设计的EDROC系统，该系统集成了四套三相电驱系统。其中，两套构成前述的H桥整流器结构，而另外两套则构成DC/DC变流器，显著扩展了电池充电的电压范围。然而上述单相充电系统面临交、直流侧瞬时功率不平衡的挑战，这导致充电过程中直流侧会出现显著的二倍频功率脉动现象，进而可能影响充电效率并缩短电池的使用寿命。

脉振磁场式EDROC系统通常基于五相、六相等多相电机设计，其定子结构采用开绕组设计，并通过接触器等硬件开关灵活重构绕组连接方式。从转矩消除机制的角度审视，该系统与静止磁场式系统存在根本差异。具体而言，在充电过程中，定子绕组被分组并连接至电网，此时，流经绕组的交流电流在基波子平面上映射出的转矩分量轨迹呈现为直线形态，仅生成脉振磁动势，从而避免了电机的旋转。

基于五相感应电机，研究院人员提出了一种新的EDROC系统，如图所示。充电过程中，电机绕组的A相、B与E相绕组、C与D相绕组分别连接至三相电网，三组绕组及其逆变器构成一台三相整流器。在α-β 子平面与x-y 子平面，电流轨迹基波子平面内的分量轨迹均呈直线，避免了转矩产生。

基于不对称六相永磁电机的EDROC系统，在充电时，电机的A与U相、B与W相、C与V相绕组分别连接至三相电网。与五相EDROC系统相较，该系统的转矩消除机制更为直观：通过向两套三相绕组通入幅值相同但相序相反的三相电流，使产生的旋转磁场相互抵消，这一原理与双驱电动汽车EDROC系统的转矩消除机理相吻合。另一方面，利用VSD（电压源逆变器）矩阵，我们能够计算出六相电机在α-β子平面及x-y子平面内的电流轨迹。其中，基波子平面分量的轨迹保持为直线，因此不会引起电机的旋转。

并网式充电系统的控制策略普遍基于电压定向控制（VOC），其结构呈现为双闭环级联形式，具体如图示。其中，外环主要负责调控充电电压与充电电流，实现恒压或恒流充电模式，此环节多采用PI控制器进行设计。而内环则聚焦于控制网侧交流电流（具体而言，是流经滤波电感的电流）的幅度与相位，以此达到对充电功率及功率因数的精准调控。此外，锁相环为整个控制系统提供必要的相位参考信息。

图中，Ub 为充电电压，Ib 为充电电流，ig为网侧交流电流，Ub*为充电电压参考值，Ib*为充电电流参考值，ig*为网侧交流电流给定值，u*为参考电压，eg 为电网电压，θg 为网侧相位角。

从上述分析可知，并网式多相EDROC系统常将电机绕组作为网侧滤波电感，且连接同相电网的绕组及其变换器桥臂构成并联结构。理论上，通过向并联相施加相同开关信号，可实现同步控制。然而，因气隙长度不均，各相绕组电感参数存在差异，同步控制易导致电流不平衡，进而产生非预期转矩。鉴于此，EDROC系统在双闭环控制基础上，需特别关注绕组电流的平衡问题。为解决此问题，现有研究提出了三种主要控制方法：绕组电流直接控制、模块化控制及多平面电流控制。其中，绕组电流直接控制类似于广泛应用的电流滞环控制，直接对各绕组电流进行闭环调节，原理清晰明了。在应用于基于五相混合励磁电机的EDROC系统时，该控制方法首先根据网侧电流给定值，结合电路拓扑结构计算各绕组电流给定值，随后利用比例谐振控制器实现交流变量的高精度控制。此方案虽适用于各类EDROC系统，但鉴于绕组电流间的耦合关系，参数调整较为复杂。

由于定子绕组的冗余特性，多相电机系统展现出卓越的容错运行能力，使得多相电机容错控制成为电机控制领域的研究热点。近二十年来，国内外学者对此进行了广泛而深入的研究。特别针对六相、九相等多三相电机，一种直接的容错运行策略是切除故障相所在的三相绕组，仅依赖剩余健康的三相绕组来维持定子空间对称性。然而，这种方法会显著削弱电机的最大输出功率，难以满足重载条件下的功率需求。

为了克服这一局限，研究人员近期开发了基于VSD理论的新方案，通过调控谐波子平面中的电流分量来实现容错控制。这种方法被称为谐波注入法，它充分利用了多相电机丰富的控制自由度，使得其应用范围不再局限于多三相电机。目前，相关研究工作大多聚焦于电驱模式下的容错控制，而针对多相EDROC系统（电动驱动与再生充电一体化系统）在充电模式下的容错运行研究则相对较少。无论是静止磁场式还是脉振磁场式EDROC系统，绕组断路均会导致基波子平面电流分量轨迹畸变为椭圆形，严重威胁系统的安全稳定运行。因此，充电模式下的容错控制核心在于如何优化健康相电流的分配，将原本可能产生旋转磁场的基波子平面电流旋转分量有效转移至谐波子平面，从而避免不良后果。

虽然电动汽车的充电方式日趋多样化，但是便捷、低成本与高效率等指标仍是科研机构研发的重点。因此，EDROC系统未来将面临以下挑战：

1、优化电机结构是重要任务。当前，多相EDROC系统常通过引出电机中性点或采用开绕组结构设计，以实现充电功能。同时，传统电机分析与设计往往局限于电驱模式，但随着研究深化，将充电模式下的关键指标，如充电功率、脉振转矩、充电效率等，纳入电机设计考量之中。因此，全面优化EDROC系统，特别是其电机设计部分，已成为一个亟待探索的重要研究方向。

2、优化变流器拓扑结构与选用更高效的开关器件。EDROC系统对驱动系统变流器提出了能量双向流通的需求。在众多拓扑结构中，除了常见的两电平拓扑外，二极管箝位式三电平拓扑在功率等级上展现出显著优势。此外，Z源变流器、模块化多电平变流器等也是值得考虑的选择。同时，现代电动汽车驱动系统中的开关器件正经历从硅基半导体向宽禁带半导体（如碳化硅、氮化镓）的转变。新一代半导体凭借其诸多优越性能，为EDROC系统的设计与控制策略带来了全新的视角与解决方案。

3、优化系统控制算法以提升性能。EDROC系统通过复用电驱系统的变流器与重构电机绕组，实现了创新的充电功能，其核心设计理念在于“硬件集成”。此外，优化控制算法以实现“软件集成”同样成为简化系统充电流程的重要途径之一。这种充电模式的控制本质上可归结为对电机绕组电流或多平面电流的精准控制，为进一步推动“软件集成”进程、增强系统可靠性开辟了新路径。同时，为了提升EDROC系统的整体效能，可以引入更为先进的控制算法，如模型预测控制以及基于神经网络的智能控制策略等，这些技术有望显著提升系统的控制能力与效率。

电动汽车市场渗透率正处于高速增长阶段，然而，充电难及充电体验不佳等问题仍是国内外大型车企亟待解决的痛点。多相EDROC系统的出现，为电动汽车电驱与充电部件的集成化开辟了新路径，它不仅能灵活兼容多种充电模式和接口，还满足了用户多样化的充电场景需求，为电动汽车续航提供了更为便捷、高效且经济的解决方案。因此，发展多相EDROC系统不仅将有力推动电动汽车技术的革新，进一步加速电动汽车行业的繁荣，还具备重要的理论价值、广阔的工程应用前景，并将带来显著的社会与经济效益。