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原文传递电动汽车车载三相集成充电机

论文题名：	电动汽车车载三相集成充电机
关键词：	电动汽车;集成充电机;V2G模式
摘要：	近几十年来，将电动汽车驱动系统电路（如电机、逆变器和DC-DC变换器）复用为电动汽车电池充机的集成充电系统引起了行业界和学术界的广泛关注，可见大量的论文和专利发表。相比于同类车载和非车载充电器，这种电动汽车集成充电机的优点是提升了汽车备用空间，并减轻了电动汽车的重量和降低了成本。然而，许多已报道的三相集成充电机解决方案存在一些问题。一些拓扑结构在充电过程中会产生脉动转矩，同时引起电网电流的高纹波，并且需要额外占用空间的元件（如继电器、转子机械闭锁装置、离合器等），这些额外元件会降低系统可靠性，并增加电动汽车的重量和成本。此外，多数拓扑结构的容错能力较低。　　本文利用多绕组电机和多桥臂逆变器，解决了三相集成充电机所面临的主要问题。提出了三种具有将车辆电池能量馈送到到电网（V2G）功能的三相集成充电机的解决方案。第一个解决方案基于九绕组分段式三相电机以及九桥臂逆变器，该方案是本博士论文的研究重点。第二种和第三种补充解决方案，分别基于双三相开绕组电机与双六桥臂逆变器，以及六相开绕组电机与十二桥臂逆变器。　　在方案一中，三相电网直接连接到三组电机的中性点，即复用电机绕组为网侧滤波电感，而九桥臂逆变器则以三相九桥臂整流器模式工作，无需额外的切换开关（如接触器、继电器等）。为了在充电期间有足够大的网侧滤波电感以抑制电流谐波，本文提出了一种对电机定子绕组电感进行优化的方法，在不降低系统牵引模式性能的前提下，提升充电模式的电感量。在充电/V2G模式下，流过分段三相电机绕组的电网电流在电机内部产生的总磁场平均值为零，与基于九相电机的集成充电器相比，本文提出的方案在充电期间转矩脉动更小，平均转矩为零。通过适当的三相控制策略（如单位功率因数（UPF）控制、谐波电流控制（谐振矢量比例积分（VPI）和交错PWM调制）以及转矩脉动控制），该系统在具有较小总谐波失真（THD）的UPF下运行，在充电/V2G模式下低于5％，在牵引模式下转矩脉动较低。　　在方案二和方案三所提出的集成充电机中，三相电网直接连接到电机相绕组的中点进行充电，因此电机绕组仍然复用为网侧滤波电感，而十二桥臂双向逆变器则以三相十二桥臂整流模式工作，仍然无需额外的切换开关。在充电/V2G期间，流过电机绕组的电网电流将分成相等的部分并以相反的方向流动，因此，在该模式下不会存在电磁转矩。本文提出的多绕组和多桥臂的充电器拓扑，以及开绕组和多桥臂的集成充电器拓扑，它们均具有较大的网侧滤波电感数值和较高的容错能力。此外，这些拓扑结构具备高充电/V2G功率，是牵引模式功率的两倍以上。最后，利用适当的控制策略（如UPF控制和VPI控制器），本文所提出的系统能够在UPF下运行，且THD低于5％。　　第二章中详细介绍了基于分段式三相电机的集成式电池充电器的拓扑结构，以及分段式三相电机、九桥臂双向逆变器和双向DC-DC变换器在充电/V2G模式和牵引模式下运行的数学模型进行了介绍和解释。第三章和第四章讨论了三相充电/V2G和牵引模式下的系统运行效果。第五章介绍了基于开放式绕组机的三相集成式电池充电器的补充解决方案。充电/V2G模式下运行的开放式绕组电机，以及十二桥臂双向逆变器和双向DC-DC转换器的数学模型进行了建立和解释。还给出了第二章至第五章中提出的三相集成式电池充电器的仿真和实验结果，以验证系统能够在快速、强鲁棒、网侧低谐波电流以及高容错能力和大功率集成式电池充电模式下正确运行。
作者：	HENRI JOSEPHSON RAHERIMIHAJA
专业：	电气工程
导师：	张千帆
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020