近年來，能源消耗問題日益嚴重，電動汽車由于其對環境友好的特點被許多公司和學者所關注。然而，對于電動汽車來說，其中一個主要的技術和經濟弱點是充放電器，考慮到非車載充放電器不能隨時隨地充放電，本文主要研究車載充放電器。

但是對汽車而言，車載充放電器意味著增加了額外的體積和質量；另一方面，隨著電力電子器件的先進性和控制技術的提升，對高功率密度控制器的需求越來越迫切。因此，體積小、質量輕、成本低、高度集成化、高功率密度控制器成為未來發展趨勢。

目前廣泛應用的車載充放電系統與電機驅動系統是相互獨立的，這使得二者的集成成為可能。近些年許多學者對新型的集成充放電器進行了研究，隨著對集成拓撲研究的深入，國外學者已提出應用在不同場合的拓撲類型。

對于高度集成的系統，由于繞組中通過交流電流，會在電機中形成電磁轉矩，如何利用或者消除電磁轉矩是研究集成結構的關鍵。從目前的研究現狀上看，研究的方向主要集中在集成驅動變換器、定子繞組通電方式、電機繞組結構設計與優化的方面。

在前級驅動變換器集成的研究上，有學者提出將電機驅動器和充電器集成，三相全橋驅動器被重構成Boost PFC充電拓撲，感應電機繞組被利用成濾波電感，通過繼電器實現電驅模式和充電模式的轉換，適用于單相充電的小功率電動車。

針對三相全橋變換器開關器件較多的缺點，有學者提出將一種新型四開關逆變器應用于電動汽車的電機控制中，雖然相較于六開關逆變器減少了開關管的使用，但是后級引入二極管整流，并且由于零序電流的存在導致系統的整體效率不高。

有學者針對多電機驅動的電動汽車提出多逆變器驅動的一體化混合拓撲結構，將多個電機繞組中性點引出，實現多電機結構的驅動和單相充放電高度集成，該結構成本較高，僅適用于四輪驅動的汽車。

在電機驅動變換器重構和電機繞組利用基礎上，有學者提出了基于Z源逆變器結構的集成充電器拓撲，所提出的拓撲僅利用后兩相的繞組構成單相充電器，第一相繞組斷開，電感的利用率較低。為進一步提高電機繞組的利用率，提出一種電機的兩相繞組并聯再與另一相繞組串聯的通電方式，但都未考慮充電狀態電動汽車電機是否轉動的問題。

有學者提出在充電模式時，電機定子繞組與逆變器構成三相交錯并聯的Boost電路，三相定子繞組中通過相同的電流，所以不存在電磁轉矩，不足之處是僅能流過單方向電流，需要增加額外濾波器降低電流諧波。

針對充電模式下的電機電磁轉矩問題，有學者在電機繞組結構基礎上研究通入電流的方式，提出將繞組中點抽頭引出，兩個半繞組流過平衡的電流，解決轉子旋轉問題，但是增加了一倍的開關器件，提高了電機制作難度和成本，同時繞組間相互耦合，增加了實現電流平衡的控制的復雜度。

瑞典查爾姆斯理工大學從電機繞組的配置角度深入研究，提出了雙定子結構的集成充電器，在嵌入式永磁同步電機（Inbedded Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）的基礎上設計了非隔離型和隔離型的大功率雙向流動的一體化三相充電器，這兩種結構增加了電機結構的復雜程度、設計制作難度和控制難度。

目前的研究普遍存在問題有：驅動電路結構復雜，開關器件較多；在電機繞組結構上作改進導致電機的結構復雜，進一步增加了制作難度和成本；充放電狀態時，電機中會產生轉矩，需要增加額外的機械結構；由于電機結構的改變而導致控制策略難度增加以及轉子旋轉帶來的損耗。

本文重點研究充放電集成拓撲結構，從電機繞組開路方向對驅動結構和電機三相繞組的配置進行深入研究，圍繞消除充放電時不利的電磁轉矩問題，提出基于電機繞組開路的電機驅動和充放電集成拓撲結構，對比研究了單相全橋、三相全橋和三相四橋臂變換模式下的性能，并從定子繞組的串并聯角度研究不同通電方式下的電磁轉矩問題，對比分析了不同結構的集成度及濾波性能的優缺點，選擇出集成度最高、控制簡單、成本最低的拓撲，并通過Matlab仿真和實驗驗證了該拓撲結構的可行性。

圖13 基于電機繞組開路的集成充放電系統硬件框圖

圖14 繞組開路電機及集成控制器

結論

針對傳統車載充放電器在電動汽車中占用較大體積、質量的問題，從充電器驅動結構和電機驅動結構的工作原理考慮，引入集成化拓撲的思想，用單一拓撲來實現多功能運行，較大地降低了驅動器的體積、質量，提高系統的功率密度。為了降低入網的濾波電感值，減小其體積、質量，達到進一步提高系統集成度的目的，將停車時不工作的電機繞組作為濾波器。

針對由此帶來的電磁轉矩和電機旋轉問題，本文所提出的單相全橋集成拓撲不僅實現了拓撲的集成，而且消除了電磁轉矩，且電機的繞組結構不發生變化，不增加電機制作的成本和難度。

通過仿真和實驗證明了基于電機繞組開路的單相全橋集成拓撲的可行性和正確性。本文所提出的結構在體積、質量、成本和濾波性能上優于傳統驅動結構。