学术简报︱基于电机定子绕组开路的电机驱动和充放电集成系统研究
南京航空航天大学自动化学院、安徽皖南电机股份有限公司的研究人员张飞龙、王晓琳、顾聪、蒋小兵，在2019年第18期《电工技术学报》上撰文指出，传统电动汽车电机驱动和车载充放电系统相互独立工作，由此导致控制系统功率密度和体积空间总体利用率较低。
为此，本文基于开路的电机绕组，提出电机驱动与充放电集成系统。所提出的高度集成系统实现了单一结构的多功能运行，在实现驱动拓扑集成的同时利用电机绕组作为网侧滤波电感，进一步提高功率密度，降低充电器的体积、质量和成本。
文中从绕组的通电方式及变换器拓扑方面进行集成，针对充放电时的滤波性能和电磁转矩抑制问题，对单相全桥、三相全桥和三相四桥臂等集成拓扑进行分析，其中单相全桥集成拓扑能够完全消除充放电过程中的电磁转矩且具有较优的滤波性能，并给出相应的控制策略。最后通过仿真和实验验证所提出的集成拓扑的正确性和可行性。
近年来，能源消耗问题日益严重，电动汽车由于其对环境友好的特点被许多公司和学者所关注。然而，对于电动汽车来说，其中一个主要的技术和经济弱点是充放电器，考虑到非车载充放电器不能随时随地充放电，本文主要研究车载充放电器。
但是对汽车而言，车载充放电器意味着增加了额外的体积和质量；另一方面，随着电力电子器件的先进性和控制技术的提升，对高功率密度控制器的需求越来越迫切。因此，体积小、质量轻、成本低、高度集成化、高功率密度控制器成为未来发展趋势。
目前广泛应用的车载充放电系统与电机驱动系统是相互独立的，这使得二者的集成成为可能。近些年许多学者对新型的集成充放电器进行了研究，随着对集成拓扑研究的深入，国外学者已提出应用在不同场合的拓扑类型。
对于高度集成的系统，由于绕组中通过交流电流，会在电机中形成电磁转矩，如何利用或者消除电磁转矩是研究集成结构的关键。从目前的研究现状上看，研究的方向主要集中在集成驱动变换器、定子绕组通电方式、电机绕组结构设计与优化的方面。
在前级驱动变换器集成的研究上，有学者提出将电机驱动器和充电器集成，三相全桥驱动器被重构成Boost PFC充电拓扑，感应电机绕组被利用成滤波电感，通过继电器实现电驱模式和充电模式的转换，适用于单相充电的小功率电动车。
针对三相全桥变换器开关器件较多的缺点，有学者提出将一种新型四开关逆变器应用于电动汽车的电机控制中，虽然相较于六开关逆变器减少了开关管的使用，但是后级引入二极管整流，并且由于零序电流的存在导致系统的整体效率不高。
有学者针对多电机驱动的电动汽车提出多逆变器驱动的一体化混合拓扑结构，将多个电机绕组中性点引出，实现多电机结构的驱动和单相充放电高度集成，该结构成本较高，仅适用于四轮驱动的汽车。
在电机驱动变换器重构和电机绕组利用基础上，有学者提出了基于Z源逆变器结构的集成充电器拓扑，所提出的拓扑仅利用后两相的绕组构成单相充电器，第一相绕组断开，电感的利用率较低。为进一步提高电机绕组的利用率，提出一种电机的两相绕组并联再与另一相绕组串联的通电方式，但都未考虑充电状态电动汽车电机是否转动的问题。
有学者提出在充电模式时，电机定子绕组与逆变器构成三相交错并联的Boost电路，三相定子绕组中通过相同的电流，所以不存在电磁转矩，不足之处是仅能流过单方向电流，需要增加额外滤波器降低电流谐波。
针对充电模式下的电机电磁转矩问题，有学者在电机绕组结构基础上研究通入电流的方式，提出将绕组中点抽头引出，两个半绕组流过平衡的电流，解决转子旋转问题，但是增加了一倍的开关器件，提高了电机制作难度和成本，同时绕组间相互耦合，增加了实现电流平衡的控制的复杂度。
瑞典查尔姆斯理工大学从电机绕组的配置角度深入研究，提出了双定子结构的集成充电器，在嵌入式永磁同步电机（Inbedded Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）的基础上设计了非隔离型和隔离型的大功率双向流动的一体化三相充电器，这两种结构增加了电机结构的复杂程度、设计制作难度和控制难度。
目前的研究普遍存在问题有：驱动电路结构复杂，开关器件较多；在电机绕组结构上作改进导致电机的结构复杂，进一步增加了制作难度和成本；充放电状态时，电机中会产生转矩，需要增加额外的机械结构；由于电机结构的改变而导致控制策略难度增加以及转子旋转带来的损耗。
本文重点研究充放电集成拓扑结构，从电机绕组开路方向对驱动结构和电机三相绕组的配置进行深入研究，围绕消除充放电时不利的电磁转矩问题，提出基于电机绕组开路的电机驱动和充放电集成拓扑结构，对比研究了单相全桥、三相全桥和三相四桥臂变换模式下的性能，并从定子绕组的串并联角度研究不同通电方式下的电磁转矩问题，对比分析了不同结构的集成度及滤波性能的优缺点，选择出集成度最高、控制简单、成本最低的拓扑，并通过Matlab仿真和实验验证了该拓扑结构的可行性。
图13 基于电机绕组开路的集成充放电系统硬件框图
图14 绕组开路电机及集成控制器
针对传统车载充放电器在电动汽车中占用较大体积、质量的问题，从充电器驱动结构和电机驱动结构的工作原理考虑，引入集成化拓扑的思想，用单一拓扑来实现多功能运行，较大地降低了驱动器的体积、质量，提高系统的功率密度。为了降低入网的滤波电感值，减小其体积、质量，达到进一步提高系统集成度的目的，将停车时不工作的电机绕组作为滤波器。
针对由此带来的电磁转矩和电机旋转问题，本文所提出的单相全桥集成拓扑不仅实现了拓扑的集成，而且消除了电磁转矩，且电机的绕组结构不发生变化，不增加电机制作的成本和难度。
通过仿真和实验证明了基于电机绕组开路的单相全桥集成拓扑的可行性和正确性。本文所提出的结构在体积、质量、成本和滤波性能上优于传统驱动结构。