電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)與蓄電池充電一體化混合拓撲研究綜述

劉 瑩，王 輝，漆文龍

（山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟南 250061）

0 引言

隨著大氣污染日益嚴重和能源危機不斷加劇，世界各國都在采取各種措施應(yīng)對隨之而來的各種挑戰(zhàn)[1]。電動汽車 EV（Electric Vehicle）作為一種首先發(fā)展起來的新能源汽車，蓄電池是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素[2]。蓄電池的各項指標在實際應(yīng)用中都不夠理想，還有更廣闊的研究空間[3]，而蓄電池的充電時間和使用壽命則與充電技術(shù)息息相關(guān)。因此，電動汽車蓄電池充電技術(shù)成為制約電動汽車發(fā)展的主要因素之一，受到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。

一般而言，電動汽車充電系統(tǒng)可分為2種[4]。一種是車載型充電系統(tǒng)，包括充電變流器、蓄電池組、驅(qū)動變流器和電機。車載型充電系統(tǒng)適用于夜間連接到家用插座上，利用晚間用電低谷期富余的電力進行充電。另一種是獨立型充電系統(tǒng)，包括位于車內(nèi)的蓄電池組、驅(qū)動變流器、電機以及位于車外的獨立型充電變流器。獨立型充電系統(tǒng)，也稱為地面充電裝置，主要包括專用充電機、專用充電站、通用充電機、公共場所用充電站等，一般采用大電流快速充電，對充電技術(shù)方法和充電安全性的要求較高。

車載型充電系統(tǒng)因為用法簡單方便而成為許多生產(chǎn)廠家和用戶的首選，并且在充電站并未大規(guī)模普及使用的今天，也是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的重點。但是目前所研究的車載型充電系統(tǒng)普遍存在成本高、體積大、重量大、功率等級低并且對電網(wǎng)有不可忽略的諧波污染以及雨雪天氣下充電安全性不足等問題[5-11]，使得電動汽車無法與內(nèi)燃機汽車相抗衡，阻礙了電動汽車的普及和推廣。本文將介紹幾種新型一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)，分析其工作原理及優(yōu)、缺點，并分析一體化拓撲在未來發(fā)展中的重點和難點。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)有的應(yīng)用成果[12-15]，具有車載型充電系統(tǒng)的電動汽車其電機驅(qū)動系統(tǒng)和蓄電池充電裝置并不同時工作（不考慮剎車時候的儲能），即電動汽車運行時充電裝置閑置，電動汽車充電時驅(qū)動系統(tǒng)靜止。故一般車載型充電器含有的2個變流器不同時工作，一個整流器用于給蓄電池充電，一個逆變器用于驅(qū)動電機，而且變流器中一般會含有大電感和大電容。這種結(jié)構(gòu)無疑增加了電動汽車的重量和成本，浪費了電動汽車內(nèi)有限的空間。為此，在保證電動汽車蓄電池充電特性良好的基礎(chǔ)上，國外一些學(xué)者提出研究電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)與蓄電池充電一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)，即將牽引驅(qū)動系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)重構(gòu)成蓄電池充電裝置，通過優(yōu)化拓撲及控制策略控制變流器分別完成整流、逆變、功率因數(shù)校正，從而實現(xiàn)電機驅(qū)動、高功率因數(shù)充電、諧波治理等功能，扭轉(zhuǎn)車載型充電系統(tǒng)在充電質(zhì)量、體積重量和成本上的劣勢。

隨著研究的深入，國外研究人員已提出不同類型的拓撲結(jié)構(gòu)用于實現(xiàn)車載型充電系統(tǒng)的功能，并對驅(qū)動與充電一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)進行了探索性的研究[16-23]，如美國Gould公司的電子實驗室研究中心早在20世紀80年代就在美國能源部的資助和NASA-Lewis研究中心的領(lǐng)導(dǎo)下研制出了用于電動客運車的第一代交流推進系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上不斷改進；法國SOFRACI計劃對一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法進行了相關(guān)研究；瑞典能源機構(gòu)和混合動力電動汽車中心資助瑞典各大高校對基于特殊電機的一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)進行了研究；意大利都靈理工大學(xué)電氣工程系對電動摩托車的充電系統(tǒng)進行一系列研究并提出了適用于電動摩托車的一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)；奧地利研究發(fā)展局與ARTEMIS JU簽署了第100205號協(xié)議，支持電動汽車一體化雙向車載型智能充電系統(tǒng)的研發(fā)。目前，國內(nèi)針對驅(qū)動與充電一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)的研究基本處于空白狀態(tài)，沒有相關(guān)的研究成果發(fā)表。本文通過總結(jié)多篇國外相關(guān)文獻，介紹一體化混合拓撲的結(jié)構(gòu)，分析其原理及優(yōu)缺點，討論該技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及未來需要關(guān)注的研究方向，展望其未來發(fā)展前景。

2 一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)

一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)對已有的車載型充電系統(tǒng)做了2點改進：首先，該結(jié)構(gòu)利用牽引系統(tǒng)與充電系統(tǒng)不同時工作的特點，將牽引系統(tǒng)中對電機進行驅(qū)動的逆變器結(jié)構(gòu)重構(gòu)成充電系統(tǒng)中對蓄電池組進行充電的整流器結(jié)構(gòu)，減少了原系統(tǒng)中的元件數(shù)量，達到了優(yōu)化體積、重量、成本的目的；其次，該結(jié)構(gòu)將驅(qū)動電機中的電機繞組作為充電系統(tǒng)中的濾波電感使用，減小了由于使用大電感而占用的大量空間，同時對成本的降低起到了不可忽視的作用。

考慮到不同類型的驅(qū)動系統(tǒng)和應(yīng)用條件，一體化混合拓撲也有不同結(jié)構(gòu)，現(xiàn)總結(jié)如下。

2.1 使用繼電器的一體化混合拓撲

在 1994年，AC 推進公司（AC Propulsion Inc.）申請了一種基于感應(yīng)電機的電機驅(qū)動與電池充電一體化系統(tǒng)的專利，并將其用于汽車產(chǎn)業(yè)[24]。該專利的主要思想就是使用電機繞組作為充電系統(tǒng)的電感來重構(gòu)變流器，使其工作在整功率因數(shù)狀態(tài)。該一體化混合拓撲的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，通過使用繼電器K1、K2和K′2實現(xiàn)牽引模式和充電模式的轉(zhuǎn)換。

圖1 使用繼電器的一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Integrated topology with relays

在牽引模式下，K2、K′2斷開，K1閉合，形成一個經(jīng)典的三相全橋驅(qū)動系統(tǒng)，通過選擇合適的控制策略可實現(xiàn)對電機的驅(qū)動控制。

在單相交流電源充電模式下，圖中所示的LS2和LS3是感應(yīng)電動機一相繞組相對于中性點的漏感，在單相升壓轉(zhuǎn)換電路中作為濾波電感使用。為了保證整功率因數(shù)運行，蓄電池電壓應(yīng)該大于輸入交流電壓最大峰峰值。開關(guān)S1和S2斷開，通過控制S3—S6的開通與關(guān)斷，可利用LS2和LS3實現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換電路。另外，該專利還使用了共模／差模濾波器來消除輸入側(cè)電流紋波和尖峰。

但在三相交流電源充電模式下，該拓撲結(jié)構(gòu)需要考慮電磁轉(zhuǎn)矩問題，使得控制復(fù)雜化。

2.2 用于多電機驅(qū)動的一體化混合拓撲

文獻[3] 和文獻[12] 依舊采用了利用電機繞組作為充電電路濾波電感的思想，提出了一種適用于多電機驅(qū)動電動汽車一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)如圖2所示，包括4個異步電機、4個三相逆變器、1個直流側(cè)蓄電池組以及1個用于控制該電路在牽引模式和充電模式之間轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換開關(guān)。

圖2 四輪驅(qū)動電動汽車充電拓撲Fig.2 Topology of charging system for four-wheel EV

當電路工作在牽引模式，即轉(zhuǎn)換開關(guān)位于位置1時，電機中性點懸空，蓄電池組通過4個逆變器分別驅(qū)動4個電機。當電路工作在充電模式，即轉(zhuǎn)換開關(guān)位于位置2時，單相交流源連接到2個電機的中性點之間，調(diào)整與這2個電機相連的逆變器的控制方式，使逆變器的上橋臂開關(guān)同步、下橋臂開關(guān)同步，可以使電路重構(gòu)成單相升壓變換器且功率因數(shù)為1，其他2個逆變器和電機重構(gòu)成2個降壓變換器。圖3所示為系統(tǒng)充電模式時的等效電路圖，電機繞組在這里起到了濾波電感的作用。

圖3 充電模式時的等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit in charging mode

在充電模式時，每個電機繞組中所流過的電流均相等，故不存在電磁轉(zhuǎn)矩。通過控制PWM升壓變換器，可以保持直流母線電壓不變。通過控制降壓變換器，可選擇合適的方式對蓄電池進行充電。

但是這種結(jié)構(gòu)成本較高，并且只適用于四輪驅(qū)動的電動汽車，有很大的局限性。

2.3 具有功率因數(shù)校正的一體化混合拓撲

文獻[25] 基于前幾種拓撲結(jié)構(gòu)做了改進，采用了單相充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括1個三相H橋結(jié)構(gòu)、1個電機以及1個控制拓撲工作模式的機械開關(guān)。

在充電模式下，使用一個機械開關(guān)將電機繞組連接到整流器上，VTa-、VTb-和VTc-同步開通與關(guān)斷，將牽引模式下的逆變器變?yōu)镈C／DC升壓轉(zhuǎn)換電路，如圖4所示。此時，電機繞組作為3個并聯(lián)的電感使用，因此通過電機的電流是單相的，故電機中不存在轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子會保持靜止。同時，該結(jié)構(gòu)使用了功率變換器和LC濾波器，能夠起到提高功率因數(shù)、降低諧波含量的作用。

圖4 充電模式下的電路圖Fig.4 Circuit in charging mode

在牽引模式下，將機械開關(guān)斷開，該結(jié)構(gòu)將成為一個傳統(tǒng)的三相逆變電路，通過選擇合適的控制策略可實現(xiàn)對電機的驅(qū)動控制。但該混合拓撲僅適用于電動摩托車，功率等級比較低，并且充電時間比較長。

文獻[26] 在上述具有功率因數(shù)校正的一體化混合拓撲的基礎(chǔ)上進行改進，采用嵌入式永磁同步電機（IPM）的繞組電感作為濾波電感，在直流輸出側(cè)接入雙向DC／DC變換器，能夠?qū)⒅绷鱾?cè)電壓轉(zhuǎn)換到需要的電壓等級，從而靈活地對蓄電池進行充電。

2.4 具有隔離作用的一體化混合拓撲

文獻[27] 提出了一種工業(yè)卡車專業(yè)的一體化混合拓撲。如圖5所示，它包括同步感應(yīng)電機、三相H橋、電容和蓄電池，并且具有隔離作用。

圖5 工業(yè)用卡車充電模式下的電路圖Fig.5 Circuit in charging mode for industrial trucks

在充電模式下，電機的繞線型轉(zhuǎn)子連接到三相H橋側(cè)，定子連接到電網(wǎng)，電機作為低頻降壓變壓器使用，起到了隔離作用，提高了充電安全性。該系統(tǒng)中，功率能夠雙向流動，諧波擾動少，能達到整功率因數(shù)，且充電時轉(zhuǎn)子保持靜止。

在牽引模式下，變流器作為三相逆變器使用，文獻[27] 采用空間矢量調(diào)制法對電機進行驅(qū)動控制。

但在該拓撲中，電機的氣隙會造成較大的磁化電流，影響系統(tǒng)整體性能。繞制轉(zhuǎn)子的成本、對接觸器的需求和電機繞組對充電電壓的適應(yīng)都是不可避免的缺點。

2.5 PWM整流一體化混合拓撲

圖6 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.6 Topology of charging system

這種充電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 6 所示[19，28-31]，包括3個與電機繞組相連接的H橋、DC／DC變換器、蓄電池和電機。在充電模式下，變換器作為2個交叉并聯(lián)的三相PWM升壓變換器；在牽引模式下，變換器作為1個三相H橋逆變器。同時，該結(jié)構(gòu)使用了EMI濾波器和保護裝置，能夠有效降低干擾，達到更好的充電效果。

在充電模式下，這種結(jié)構(gòu)可以用于三相電源也可以用于單相電源。使用三相電源時，如圖7所示，每個H橋的引腳都與電源相連。而使用單相電源進行充電時，圖 7 中 VTc+、VTc-橋臂和 V′Tc+、V′Tc-橋臂的引腳以及繞組c0c、c0c1均不與單相電源相連，繞組a0a和b0b、a0a1和b0b1分別并聯(lián)，然后與單相電源串聯(lián)，整個電路等效為2個交互的PWM整流器，如圖7所示。通過控制PWM變換器，中間直流環(huán)節(jié)電壓保持在定值，可以通過控制交流電流波形得到要求的功率因數(shù)。該拓撲中，每個交流相都與2個并聯(lián)的PWM升壓變換器連接。這種連接是通過電機繞組的中點來實現(xiàn)的。給定相的半個繞組內(nèi)的電流平衡，所以消除了定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場。因此，在充電時沒有電磁轉(zhuǎn)矩，電機保持靜止。

圖7 充電模式下等效電路圖Fig.7 Equivalent circuit in charging mode

在牽引模式下，繞組之間存在著互感，控制一個繞組中的電流會影響到其他繞組電流，這使得電機控制方法復(fù)雜化。對于這種結(jié)構(gòu)的電機，繞組的電感、互感值與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)。文獻[28] 采用有限元模擬法，得出轉(zhuǎn)子位置與電感值、互感值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達式。但是，這種有限元模擬法只是得到了仿真驗證，在實際應(yīng)用中如何確定轉(zhuǎn)子位置是一個值得深入探討的問題。

2.6 改變電機結(jié)構(gòu)的一體化混合拓撲

2.6.1 特殊嵌入式永磁同步電機

文獻[32-33] 提出了一種特殊的嵌入式永磁同步電機（IPMSM），并在此技術(shù)上設(shè)計了一種整功率因數(shù)隔離型大功率三相雙向一體化混合拓撲結(jié)構(gòu)。這種電機的繞組結(jié)構(gòu)很特殊，采用雙定子繞組結(jié)構(gòu)，不同于一般的電動汽車用電動機，如圖8所示。在兩極三相的IPMSM中，定子上有3個相移120電角度的繞組。假設(shè)每相繞組都分成了相等的兩部分，并且繞著定子外圍對稱地移相，即定子里有6個繞組而不是3個。轉(zhuǎn)子是兩極結(jié)構(gòu)，6個繞組分別相移60電角度。其他極對數(shù)的電機也可能有這種綜合型充電拓撲。

圖8 雙定子繞組結(jié)構(gòu)截面圖Fig.8 Cross section of IPMSM with split stator windings

圖9為該結(jié)構(gòu)在不同工作模式下的簡化圖。

圖9 系統(tǒng)工作模式簡化圖Fig.9 Simplified diagram of system operating modes

在牽引模式下，電路等效為典型的三相全橋逆變電路，通過選擇合適的控制策略可實現(xiàn)對電機的驅(qū)動控制。

在充電模式下，電路等效為隔離型三相PWM整流電路，能夠?qū)崿F(xiàn)整功率因數(shù)充電，并且增強了充電系統(tǒng)的安全性。IPMSM進一步優(yōu)化了充電器的體積和重量，并且三相PWM整流器的使用減少了諧波污染，提高了功率因數(shù)。

2.6.2 具有額外繞組的電機

文獻[34] 提出了在定子中多加一個繞組的電機結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)電機驅(qū)動與充電一體化功能，如圖10所示。

圖10 基于具有額外繞組的同步磁阻電動機的單相充電系統(tǒng)Fig.10 Single-phase charging system based on SynRM with extra winding

顯然，該電機的定子繞組是不對稱的。圖中采用了一種同步磁阻電動機（SynRM），作為一個固定的有氣隙的變壓器來使用，即在充電模式下電機不會旋轉(zhuǎn)。當充電進行幾個周期后，轉(zhuǎn)子會自動對齊到繞組電感最大的位置。多加的繞組可以根據(jù)轉(zhuǎn)換器的要求起到調(diào)整電壓等級的作用。

這種方法對電機結(jié)構(gòu)進行了改變，增加了電機繞組和控制方法的復(fù)雜性，繞組制造費用相應(yīng)地也會有所提高。

2.7 具有再生制動功能的一體化混合拓撲

文獻[35] 提出了一種具有再生制動能力的一體化拓撲結(jié)構(gòu)，如圖11所示?？梢钥闯觯撏負湓陔妱悠噦鹘y(tǒng)動力系統(tǒng)（即包括電機、逆變器、雙向DC／DC電路、蓄電池的電機驅(qū)動系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上，增加了額外的二極管整流橋、1個小電容、2個開關(guān)以及1個機械開關(guān)S1，在充分利用原有電路的同時避免了大電感的使用。

圖11 具有再生制動功能的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.11 Topology with regeneration brake function

在充電模式下，機械開關(guān)S1斷開，即機械開關(guān)左側(cè)電路不工作。當開關(guān)管VT3導(dǎo)通，VT2、VT4關(guān)斷時，電感在電源Us的作用下儲存能量，同時，與蓄電池并聯(lián)的電容對蓄電池進行充電。當VT3關(guān)斷，VT2、VT4關(guān)斷時，電感通過二極管VD2、VD7釋放能量，對電容和蓄電池進行充電。這種充電電路綜合了整流電路和升降壓轉(zhuǎn)換電路，具有功率因數(shù)校正功能。

在牽引模式下，機械開關(guān)S1閉合，VT4導(dǎo)通，VT2作為升壓電路的主要開關(guān)。當VT2導(dǎo)通時，電感儲存能量，電機的能量由直流側(cè)電容C1通過逆變器來提供。當VT2關(guān)斷時，電感產(chǎn)生一個高電壓，對直流側(cè)電容進行充電，同時通過逆變器向電機提供能量。

在再生制動模式下，機械開關(guān)S1閉合，VT2、VT4關(guān)斷，VT1作為降壓電路的主要開關(guān)。當VT1導(dǎo)通時，電感儲存能量，同時電機制動產(chǎn)生的能量流向蓄電池和與之并聯(lián)的電容。當VT1關(guān)斷時，電感對蓄電池進行充電，與蓄電池并聯(lián)的電容也向其釋放能量。

但這種一體化拓撲只能采用單相電源供電方式，并且充電時不具有隔離作用。

3 一體化混合拓撲控制方法

針對不同拓撲在充電模式下的結(jié)構(gòu)，學(xué)者們研究和應(yīng)用了不同的方法來實現(xiàn)蓄電池充電控制，其中最常用的是 PID 控制[28，35-39]。但是，電動汽車驅(qū)動與蓄電池充電一體化混合拓撲是典型的非線性系統(tǒng)，因此PID控制器無法滿足其多目標非線性的控制要求，下面總結(jié)了在此基礎(chǔ)上應(yīng)運而生的一些控制方法。

3.1 基于宏觀能量表示法的控制方法

文獻[19] 采用2.5節(jié)中所介紹的拓撲結(jié)構(gòu)，使用多機理論和宏觀能量表示法（EMR）對系統(tǒng)進行建模，綜合描述電、機混合系統(tǒng)的特性。多機理論適用于研究多相驅(qū)動，尤其是混合動力電動汽車。EMR是一種基于能量流的圖形建模方法，適用于綜合描述電、機混合系統(tǒng)的特性，采用EMR所建模型的能量流動情況變得更加清晰、直觀，更具條理性，有利于系統(tǒng)整體建模和控制的規(guī)范化，為研究復(fù)合儲能系統(tǒng)的參數(shù)匹配與控制策略奠定了基礎(chǔ)。

此種控制方法在多機理論和宏觀能量表示法的基礎(chǔ)上，定義了2個虛擬電機M0和M1：M1是主要的虛擬電機，等價于由帕克變換所定義的標準dq電機，因此它采用了與標準dq電機相同的控制方法；M0是零序虛擬電機，用于控制由3次諧波分量所激發(fā)的零序電量值產(chǎn)生的擾動，因此它需要一個特定的控制分支。通過比較有無M0平均電流的控制可以發(fā)現(xiàn)，在控制M0電流時能夠得到更好的電流和轉(zhuǎn)矩質(zhì)量。另外，這種控制方法還提出了一種能夠減少由電壓調(diào)制所產(chǎn)生的共模電壓的三級PWM法，以減少M0電流紋波。

3.2 基于極點配置法的控制方法

文獻[29] 采用極點配置法（RST），設(shè)計了一種離散時間下的RST控制器用于控制2.5節(jié)中所介紹的PWM整流。RST以不定方程為基礎(chǔ)，能夠消除任意階數(shù)多項式的低頻干擾，并保證閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)增益。該控制器能夠達到響應(yīng)速度和系統(tǒng)性能之間的最佳平衡，并確保參考量和控制輸出量之間的穩(wěn)態(tài)誤差接近于零[40]。

RST控制完全不受電機繞組互感和電機繞組內(nèi)阻值的影響，即使在互感和內(nèi)阻值出現(xiàn)50%的波動時仍能得到良好的仿真結(jié)果。不過RST的電流控制有時延，但是在實際使用中可接受。另外在實際應(yīng)用中，為了保護器件，控制器的輸出經(jīng)常飽和，因此需要加上飽和與抗飽和設(shè)備。

3.3 具有功率因數(shù)校正的交錯控制法

文獻[26] 中采用2.3節(jié)所介紹的一體化混合拓撲，在兼顧功率因數(shù)校正的同時應(yīng)用交錯控制完成充電算法。該方法將充電模式下升壓轉(zhuǎn)換器中的IPMSM繞組等效成四線共模模型與三線差模模型，采用相電流均衡計算和交錯控制法，對這2種模型下的電流控制結(jié)果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)共模模型下的控制效果最佳。

在共模模型中，轉(zhuǎn)子各向異性對交錯控制下的充電電流沒有影響。采用交錯控制法之后，輸入／輸出電流的調(diào)制頻率為開關(guān)頻率的3倍，電流波動明顯減少，并提高了轉(zhuǎn)換效率和動態(tài)控制。

4 一體化混合拓撲發(fā)展重點和難點

目前對電動汽車驅(qū)動與蓄電池充電一體化混合拓撲的研究還處于起步階段，在其拓撲優(yōu)化、控制技術(shù)等方面還有許多基本問題和關(guān)鍵共性問題值得去研究和探索，歸納如下。

a.驅(qū)動與充電一體化混合拓撲的設(shè)計，需充分利用驅(qū)動系統(tǒng)中已有的硬件結(jié)構(gòu)（如電機線圈作為濾波電感或儲能電感）重構(gòu)成充電裝置，保證在充電模式下電機的靜止運行，避免電機磁化問題，實現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子完全解耦，在完成基本充電功能的前提下，構(gòu)建具有功率因數(shù)校正功能及諧波消除多目標優(yōu)化的充電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。

b.考慮到電動汽車在未來的推廣和普及，電動汽車負荷將大幅度增長，電動汽車將作為分散式儲能單元，成為智能電網(wǎng)的重要組成部分和電網(wǎng)削峰填谷的重要手段。電力電子變換器拓撲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的諧波污染和低功率因數(shù)問題會對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重影響。而且電動汽車運行時經(jīng)常處于頻繁的啟動、停車、加速、減速狀態(tài)，其驅(qū)動控制系統(tǒng)亦要求驅(qū)動電機有良好的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性，并具有高的功率密度。因此，探索研究大功率高功率因數(shù)與諧波補償優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)勢在必行。

c.一體化混合拓撲中對蓄電池充電時若采用PWM整流方式，則整流電路輸出固有的2次諧波不可避免，這會影響蓄電池充電質(zhì)量并縮短蓄電池使用壽命，而要消除低頻諧波，一般需要在直流側(cè)接上大電容或者LC濾波電路來消除低頻紋波電壓。如何在兼顧體積重量的基礎(chǔ)上消除2次諧波污染或者合理利用此部分能量，亦是需研究的主要問題。

d.現(xiàn)有的大功率隔離型功率因數(shù)校正器大多在輸入功率因數(shù)校正器級前加工頻隔離變壓器或者在功率因數(shù)校正器后加入一個高頻隔離變壓器。第1種方式簡單，易于實現(xiàn)，但是電源系統(tǒng)笨重且代價高；第2種方式存在多級級聯(lián)系統(tǒng)難以穩(wěn)定等問題，并降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，實現(xiàn)一種單級隔離型功率因數(shù)校正器，完成中大功率高功率因數(shù)蓄電池充電裝置是未來發(fā)展趨勢之一。

e.隨著數(shù)字信號處理器的不斷發(fā)展，其運算速度的加快和成本的降低，其用于控制電動汽車的電機驅(qū)動和蓄電池充電，將很大程度上簡化控制電路，降低成本，利于工業(yè)化的實現(xiàn)。同時，控制系統(tǒng)應(yīng)綜合考慮電機驅(qū)動、高功率因數(shù)充電、諧波利用等控制目標，設(shè)計多目標控制策略。

f.目前的一體化混合拓撲大都是針對某一特定場合的需求進行設(shè)計的，而基于一種應(yīng)用場合的設(shè)計思路很難應(yīng)用于另一場合，設(shè)計的通用性不強，另一方面，由于沒有統(tǒng)一理論作指導(dǎo)，要保證一體化混合后的電路仍能實現(xiàn)所需性能，設(shè)計人員必須深入理解電力電子電路，且具備豐富的設(shè)計經(jīng)驗，加上一體化后電路的工作機理較為復(fù)雜，這使得對變換器的分析變得困難。因此，如何總結(jié)一體化混合拓撲設(shè)計規(guī)律和分析方法從而設(shè)計出適用性強的拓撲是值得關(guān)注的問題之一。

g.目前對一體化混合拓撲的研究大多數(shù)還停留在理論分析、仿真驗證的階段，在分析仿真的基礎(chǔ)上進行硬件實驗研究是未來研究的重中之重。

總之，目前的探索性拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略很少綜合考慮驅(qū)動與充電的結(jié)合與優(yōu)化，需要進一步進行理論研究與系統(tǒng)分析，總結(jié)前人的研究思路，改進或研究新型拓撲。

5 結(jié)語

本文介紹了電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)與蓄電池充電一體化混合拓撲的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并舉例分析了幾種新型拓撲方案，指出了各自的優(yōu)缺點，闡述了相關(guān)控制方法，最后展望了該領(lǐng)域今后的發(fā)展方向。作為一種新興的電動汽車充電技術(shù)，電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)與蓄電池高效充電一體化混合拓撲最大限度地優(yōu)化了車載型充電器的充電質(zhì)量、體積、重量和成本，具有非常光明的發(fā)展和應(yīng)用前景，必將對電動汽車的發(fā)展做出重要貢獻。