车载“充电驱动”双用电机的概念性认知

新能源汽车事业的蓬勃发展，不但电机技术推陈出新，同时也引出了许多新兴的交叉学科和领域。上一期我们讨论的NVH这个交叉学科，这期再我们讨论一个新的交叉领域---充电和驱动电机的融合技术。

为什么会出现融合技术，这得从EV/HEV的充电技术说起。EV的充电分为快充和慢充两种，用专业术语描述前者是off board charge ，也叫DC充电技术，利用充电桩直接供给直流电流，电流大速度快，但必须要有充电桩。后者叫On board charge（车载充电） ，也叫AC充电。只要能从电网上获取三相电就可以充电，汽车自带的充电器将交流电转换为直流电后给电池充电。

On borad charge（车载充电）不需要特定的充电桩也能充电，非常方便，有利于电动车的推广，但面临一个问题，就是充电速度慢，下表中Nissan、BMW等几款车型充电的时间都载6h以上。PriusIII的充电时间较短，这和它的电池容量小有关。

车载充电的速度和充电功率密切相关，因为安装在车上，受制于体积、重量、成本的约束，充电器的功率很难做大，一般都在3.5kw 以下，而要在30分钟内充满20度的电池至少需要一个40kw的充电器，这会增加很大一比成本。为了解决这个问题，一个新的技术方案被提出：那就是利用驱动电机电控系统充电。这样不用新增设备，也就不再受功率和成本的限制。

“充电驱动”双用电机的原理

如下图所示，双用电机的充电方式和普通充电方式的电源流入口是不一样的，常规的充电模式，AC电流经过ACDC变换之后直接给蓄电池馈电，而双用充电方式AC电源直接接入电机，利用电机的绕组感抗和电控的逆变器馈电给电池。在这种模式中电机和电控充当了充电器的作用。

这种双用充电模式在原理上很容易理解。我们常规的驱动电机本身就有电动和发电两种工作模式，在发电状态能量流的路径和充电是高度相似的。不同的是发电状态的能量是从带动能的转子通过电磁感应传递给定子绕组。而充电状态的能量则是从电网接入定子绕组的。通过特殊的设计能够使得电机兼容这两种能量输入模式。如下图的电路拓扑描述的方案：

在这种充电的电路拓扑中，电机只用到了两相绕组，如下图描述所示，因为转子不动，永磁磁链不参与电磁感应，电机的绕组仅作为电感用。通过IGBT的开关控制充电电流的大小和功率因素，充当AC/DC变换作用。

这种早期的充电模式非常简单，只需要在软件上调整一些控制策略即可，但有两个问题，一个是电池和电网未能隔离，会带来安全隐患。另外一个是电机仅用到了两相绕组，无法形成对称的旋转电磁场，充电时容易产生额外的振动噪音。

后续的发展出了一系列新的充电电路拓扑，一般都在电机上作文章。比如下面这类裂相电机技术。能够较好的解决这两个问题。

这种技术的的思路其实很简单，一个三相电机里面有两个支路。驱动模式时两路是并联的，如此每相的电流容量提高，能够适应驱动工况大转矩的需求。当充电模式时绕组的拓扑结构裂变，两个支路分开连接，a1-b1-c1支路仍保持和逆变器连接。a2-b2-c2 支路通过换路开关切换到电网侧，仍然保持星接。如此一台电机可以理解成了一个三相变压器。电网侧的支路构成了初级侧、逆变器侧的支路构成了次级侧。两侧绕组仅仅通过铁芯的磁场交换能量，而在电气上已经脱耦。这就实现了充电时的隔离功能。也就说该方案即解决了磁场对称的问题又解决了隔离的问题。

该方案已经做过上车试验，样机是一台20kw的三相同步电机。电机的本体技术方案采用的是第二代的永磁助磁同步磁阻电机技术。样机采用了4个支路的更复杂的接线方式，但原理是上文描述一样的。

当然还有许多类型的解决方案，其基本原理都和上述两种类似（不隔离和隔离两种），无非在绕组构型上有所差异。

“充电驱动”双用电机的设计难点

在原理上充电、驱动双用电机确实能够解决车载充电的成本、功率上限的问题。目前是达到Level 3充电要求的技术方案之一，实施起来也方便。但却给电机设计带来了一系列难点。

充电和驱动共用带来了首要的问题是NVH问题。因为在充电状态下转子停转，和绕组通电后产生旋转的电磁场不同步，这会带来很大的非同步转矩。同时电流磁场在带有凸极性的转子磁导作用下易产生感生电压畸变。这两者都会带来NVH问题，当电机功率小时，就能听到明显的电磁声，当电机功率增大，达到纯电驱动电机的水平时，其NVH问题将更为突出。

共用还带来另一个新的问题那就是充电状态下的磁钢发热问题，经过分析和测试充电状态的转子，磁钢发热明显高于驱动状态，以文献中78Nm的三相永磁电机为例，其充电状态下磁钢温升要比驱动运行时高出13k，当电机功率变大问题还会进一步恶化。磁钢发热的原因是和定转子不同有关的，因为不同步对转子和磁钢而言，即便是基波磁场也是交变。其涡流损耗、磁滞损耗都将变大。

如何解决上述两个问题，目前看到两种解决方案：一种是在充电时让电机空转，以保证定转子同步，从而消除磁钢涡流损耗和非同步转矩的问题。但这需要额外增加离合器，将电机和传动链切断。还有一些学者提出用六相绕组电机技术减缓NVH和磁钢温升问题，确实有一定效果，但这会增加IGBT的成本和控制的复杂性。如何设计调整能够兼顾驱动和充电两种状态和性能还是崭新的课题，等待从业者在这个细分领域探索和积累。

总结

在技术发展趋于饱和的EV领域，在原理上创新突破已经越来越困难。但在一些交叉领域的应用创新却大有可为。比如本文介绍的充电驱动双用电机，驱动调速双用电机。实际上中国的国情决定了我们在应用场景上的创新活力远大于原理上的创新，应用场景的技术创新会是新的增长点。蜗牛希望有机会和大家一起探索新的电机应用，用电机技术为应用赋能。