在電動汽車應用中,車載儲能電池的充電一般通過充電樁或者車載充電機實現(xiàn)。利用電動汽車的驅動電機及逆變器與電網(wǎng)連接,實現(xiàn)從電網(wǎng)交流電到直流電的電能變換,最終完成對車載儲能電池進行充電,可以有效節(jié)省硬件和裝置建設成本,還能有效提升車載充電容量。但相關策略在實現(xiàn)時,存在的最大挑戰(zhàn)是如何抑制由繞組交流電流引起的電機轉矩和振動。
華中科技大學電氣與電子工程學院的蔣棟、高加樓、李柏楊、孫偉、周敏,在2022年第19期《電工技術學報》上撰文,著眼于并網(wǎng)過程中電機的轉矩問題,對實現(xiàn)驅動電機逆變器與電網(wǎng)之間可靠電能變換的方法進行了介紹。該零轉矩并網(wǎng)方法,其核心是結合電機繞組的型式和逆變器的電流控制來調整定子磁動勢,從而合理布控電樞反應磁場與永磁磁場的空間關系使其滿足零轉矩條件。相關工作旨在為電動汽車傳導式車載充電提供一種可行的硬件復用方案。
新能源汽車結合了能源技術、電氣技術和信息技術,具有低碳排放、高效和智能的特點,未來將逐步取代燃油車。同時,新能源汽車的車載儲能電池作為廣域移動儲能裝備,還可支撐電網(wǎng)運行和協(xié)助消納可再生能源,而這也可能成為一種能源套利方式,對于用戶而言極具吸引力。
車載儲能電池與電網(wǎng)間的電能變換,一般采用非車載的充電樁和車載充電機(On-Board Charger, OBC)。這兩種技術各有優(yōu)劣,直流充電樁充電速度快但依賴特定場地且成本較高;車載充電機在使用上十分便捷但容量受限。因而,車載充電機一般作為充電樁的補充,比如應急充電或居家充電。
受限于車內有限的空間,目前市面上的車載充電機功率等級通常不超過11kW,而這尚未達到用戶需求。為提升車載充電機的充電容量,有兩種可行思路:①提高車載充電機自身的功率密度,如采用寬禁帶功率器件,通過提升開關頻率,從而減小無源元件的體積;②利用系統(tǒng)集成的方法,如將車載充電機和車載DC-DC變換器等裝置多合一組裝,縮短裝置間的電氣連接線,共用散熱器和支撐件,從而減小系統(tǒng)的體積。
系統(tǒng)集成的方法目前已被大多數(shù)整車企業(yè)所采納,集成度基本已達上限;而基于寬禁帶功率器件的車載充電機方案由于成本的原因尚未成熟。在該背景下,20世紀90年代就被提出的驅動-充電復用(integrated motor drive and charger)的概念成為可進一步減小車載充電機體積以及提升充電容量的“新”思路。
集成充電器的概念如圖1所示,即利用復用驅動電機及其逆變器構建車載充電機的前端脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)整流器,逆變器作為雙向變流器,而驅動電機繞組將作為交流側濾波電感。由于前端整流環(huán)節(jié)已由驅動電機系統(tǒng)構成,故車載充電機只需一套獨立的隔離DC-DC變換環(huán)節(jié)即可,在相同的成本和可用空間下,隔離DC-DC變換器的功率等級可成倍地增加。同時,還可結合寬禁帶功率器件和系統(tǒng)集成的方法,為大容量車載充電機的實現(xiàn)提供可能。