基于多抽头绕组永磁同步电机的电动汽车驱动-充电集成系统研究

Charging power of current onboard battery charger for EV is so low that it cannot support daily charging requirement of large capacity battery and does not have fast charging ability. On the EV, traction machine and drives usually do not work during charging. If they are used to constitute a charger, the battery could be charged fast with a little increase of value, volume and weight. If some parallel branch phase windings of 3-phase PMSM are tapped and controlled individually, the DC link current ripple and requirement of DC link capacitor will be reduced. At the same time, windings of the machine could be reconstructed as grid side filter inductors with fewer switches during charging mode. In this project, winding type and circuit topology and characteristic of integrated charging system will be researched. High reliability integrated scheme with minimum additional parts will be presented. High charging efficiency control over full load range, especially in light load, will be researched. PWM control method of the integrated charger will be researched to decrease torque ripple and DC link current ripple and to get high power quality.

现有电动汽车车载充电器功率小，无法满足大容量电池的日常充电需求，不具备快速充电能力。车上的驱动系统在充电时一般是不工作的，如果利用该系统给电池充电，可以在少量增加成本、体积和重量的情况下，实现快速双向充电。将三相永磁同步电机各相绕组的若干并联支路分别引出独立控制，有利于减小转矩脉动和直流侧电流脉动，减小直流支撑电容的容量，控制自由度高；且能够在增加少量切换开关的情况下，创造绕组通额定电流下的零电磁转矩条件，将电机绕组转换为集成充电机网侧滤波电感。本课题将研究由多抽头绕组永磁同步电机系统构成的集成充电装置中电机本体的特殊问题，电路拓扑以及系统工作特性，提出器件增加最少的高可靠性集成充电方案；提出全负载范围内充电效率最优的集成拓扑和控制方法，重点提升轻载充电效率，以满足车载电池常规充电需求；研究集成系统驱动和充电模式下的PWM控制方法，以减小电机转矩脉动和直流侧电流脉动，提高网侧电能质量。

电动汽车的充电设施是电动汽车应用和发展的重要环节,是否具有快速充电能力，是影响人们购买和使用电动车的关键因素。电动汽车的电机驱动系统在充电时一般是不工作的，如果利用其给电池充电，增加少量硬件构成电机驱动器-充电机集成系统，既节省了成本、空间占用和重量，又可以获得大功率双向充电能力。通过课题研究，提出一种电动汽车9绕组3相永磁同步电机复用车载充电方案，无额外增加切换接触器，基本不增加成本、体积和重量的前提下，实现车载大功率（电机驱动系统功率等级）快速双向充电，在全负载范围内充电效率最优。提出了使用最少切换开关的电机绕组重构成集成充电机网侧滤波电感的方法，建立了充电模式下，绕组重构后电机特性分析方法。提出了全负载范围内集成系统充电效率最优的控制方法和软开关控制方法。充电模式下，重构电机绕组为网侧滤波电感，需要确保绕组通电后转矩为零且转矩脉动小。对充电模式下电机电磁转矩消除的方法进行了总结，建立了零序电流注入、直流注入、脉振磁场、旋转磁场对消四类转矩消除方法理论模型，总结了设计要点。基于3P9W-IPMSM和九桥臂逆变器的拓扑不增加额外的切换接触器，转矩脉动、振动、噪声小；缺点是等效滤波电感感量小。一方面通过优化电机设计，在不影响驱动性能的前提下提高等效滤波电感感量；另一方面，通过交错调制、谐振VPI控制器与基波电流控制相结合，可以显著降低定子电流和电网电流的THD (<5%)。对3P9W-IPMSM充电模式下各部分的损耗进行了详细分析和优化设计，在充电和V2G模式下实现了95.1%的最大效率。在高功率区间，两种效率措施为系统带来约0.4%的效率提升，在低充电功率区间效率约提升0.7%，这主要是由于谐振变换器对谐波的抑制能力在低功率区间较为明显。