通過復(fù)用車內(nèi)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)造的集成式車載充電系統(tǒng)始于1985年，但受限于當(dāng)時電力電子器件的發(fā)展水平，其主電路由晶閘管構(gòu)成，對現(xiàn)代的集成式車載充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)已不具備指導(dǎo)意義。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，伴隨著大功率IGBT器件的大規(guī)模商用，基于全控型變換器的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)日趨成熟，與其相對應(yīng)的集成式車載充電系統(tǒng)也相繼出現(xiàn)。圖2所示為文獻(xiàn)[15]首次提出的基于三相電機(jī)的單相集成式車載充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由圖可知，該結(jié)構(gòu)首先通過額外增加的不可控整流器，將單相交流電源變換為直流，并接入電機(jī)中性點(diǎn)；此時，電機(jī)繞組及其逆變器橋臂構(gòu)成了3個完全相同且直接并聯(lián)的Boost變換器，完成給電池組的充電操作。該結(jié)構(gòu)完成了單相集成式車載充電機(jī)的基本功能，后續(xù)多篇文獻(xiàn)也針對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析和報(bào)道。

基于三相電機(jī)的三相集成式充電機(jī)拓?fù)淙鐖D3所示，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則是最早提出的三相集成式車載充電機(jī)。該結(jié)構(gòu)中，電機(jī)中性點(diǎn)被打開，電機(jī)繞組被重構(gòu)為三相網(wǎng)側(cè)電感，驅(qū)動逆變器則作為全控型三相全橋整流器使用。同樣有多篇文獻(xiàn)對該拓?fù)渥龀隽撕罄m(xù)研究和報(bào)道。

以上單相和三相集成式車載充電系統(tǒng)均為早期提出的可以完成基本充電功能的原始拓?fù)洌m然科研工作者進(jìn)行了一系列后續(xù)研究工作，仍能從以上兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中提煉出集成式車載充電系統(tǒng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面亟待解決的幾個共性技術(shù)問題，即：

（1）單相集成式系統(tǒng)中增加額外功率器件的問題。如圖2所示結(jié)構(gòu)中額外增加的整流器。

（2）三相集成式系統(tǒng)中，充電時產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩的問題。如圖3所示的三相充電拓?fù)渲校?dāng)三相對稱電流通入驅(qū)動電機(jī)的三相對稱繞組時，必然會在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生持續(xù)的轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動或振動，這是集成式系統(tǒng)在充電模式下必須要避免的情況。

（3）充電系統(tǒng)的電氣隔離問題。在車載充電系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)電氣隔離雖不是強(qiáng)制性要求，但考慮到充電安全性，具有電氣隔離能力的充電系統(tǒng)總是更優(yōu)的選擇。

（4）電網(wǎng)電壓與車載電池組電壓的電壓匹配問題。以上原始結(jié)構(gòu)存在一個共同問題，即圖2所示結(jié)構(gòu)中的DC-DC變換器與圖3所示結(jié)構(gòu)中的AC-DC變換器均基于升壓原理，因此，若車載電池組的電壓小于某一特定值，則變換器無法輸出滿足電池充電要求的工作電壓，現(xiàn)有的多種集成式系統(tǒng)則是通過在母線與電池之間增加額外DC-DC變換器來解決這一問題的。

其中，問題（1）、問題（2）、問題（4）是必須解決的、否則系統(tǒng)無法完成基本功能的主要問題，而解決問題（3）則可以為系統(tǒng)提供更高的安全性（雖然現(xiàn)有充電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中均不做強(qiáng)制性要求）。以上為本文總結(jié)出的集成式車載充電系統(tǒng)中廣泛存在的四個關(guān)鍵技術(shù)問題，下面將以這四個問題為導(dǎo)向，綜述各類集成式車載充電系統(tǒng)。

1.2額外增加功率器件的問題

在構(gòu)造集成式車載充電系統(tǒng)過程中，增加額外功率器件的問題主要發(fā)生在單相集成式充電機(jī)中。針對問題，目前主要通過打開電機(jī)繞組連接和利用雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)兩種方式來解決。這兩種解決方案，其本質(zhì)思路都是通過一定的方法，令網(wǎng)側(cè)電源可以接入全橋整流器，從而實(shí)現(xiàn)電能的交直流轉(zhuǎn)換，而不需要增加額外的不可控整流器。

1.2.1更改電機(jī)繞組連接方式

文獻(xiàn)提出的單相集成式車載充電機(jī)如圖4所示。在充電模式下，該結(jié)構(gòu)通過打開Q1、閉合Q2和Q3，將L3繞組與其逆變器橋臂斷開，并連接到電網(wǎng)側(cè)。通過以上變換，L1與L2并聯(lián)后與L3串聯(lián)，與其逆變器橋臂共同構(gòu)成了基于Boost的單相全橋整流電路，從而在不增加額外功率器件的前提下實(shí)現(xiàn)了單相充電。

1.2.2雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)/利用車內(nèi)輔助電驅(qū)系統(tǒng)

當(dāng)電動汽車由雙電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動，或車內(nèi)存在另一套輔助電驅(qū)系統(tǒng)時，則可以采用如圖5所示基于雙電機(jī)系統(tǒng)的單相集成式車載充電機(jī)的方案。如圖5a所示，兩臺電機(jī)繞組分別并聯(lián)作為網(wǎng)側(cè)電感，而兩臺逆變器分別共享相同驅(qū)動信號，其等效電路如圖5b所示。從等效電路可以看到，雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)同樣被重構(gòu)為一個單相全橋全控型整流器，從而不再需要額外的不可控整流電路來完成充電工作。

1.3充電時產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩的問題

集成式系統(tǒng)在充電過程中產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，主要發(fā)生在三相集成式充電機(jī)中。目前，解決該問題的本質(zhì)目標(biāo)和思路都是對充電時的氣隙磁場進(jìn)行控制，保證充電時網(wǎng)側(cè)三相對稱電流流入電機(jī)繞組后，在氣隙中不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

1.3.1重構(gòu)裂相電機(jī)繞組

圖6給出基于裂相三相異步電機(jī)的三相集成式充電機(jī)[26]。當(dāng)切換到充電模式時，S1將三相電源接入，S2切換至b1和b2，令兩套電機(jī)繞組產(chǎn)生幅值相等且旋轉(zhuǎn)方向相反的氣隙磁場，從而保證氣隙總磁鏈為零，消除充電過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。然而，更改繞組連接無疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性、降低了可靠性。

1.3.2開繞組電機(jī)

多篇文獻(xiàn)都報(bào)道了基于開繞組電機(jī)的三相集成式充電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。在該類結(jié)構(gòu)中，各相繞組中點(diǎn)與三相交流電源相連，得益于開繞組電機(jī)的逆變器結(jié)構(gòu)，繞組支路具備可控的電流流通能力，當(dāng)每相繞組的H橋分別共享驅(qū)動信號時，流過各繞組支路的電流相等，即每相繞組中的總電流保持為零，因此不會產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。

1.3.3多相電機(jī)

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，多相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)因其低轉(zhuǎn)矩脈動、高可靠性等優(yōu)勢，在電動汽車等高功率驅(qū)動領(lǐng)域日益受到關(guān)注[33]。而在集成式車載充電機(jī)領(lǐng)域，相比上文介紹的兩種解決方案，基于多相電機(jī)的集成式系統(tǒng)更具可行性，因此大量文獻(xiàn)報(bào)道了基于五相電機(jī)、六相電機(jī)、七相電機(jī)和九相電機(jī)的集成式充電系統(tǒng)，圖8給出了其一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。得益于多相電機(jī)在空間上豐富的繞組分布方式和可控逆變器橋臂，基于多相電機(jī)系統(tǒng)的集成式充電機(jī)，可以通過合理配置各相繞組連接方式，令系統(tǒng)在充電期間不產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。關(guān)于其具體實(shí)現(xiàn)方法，文獻(xiàn)以五相電機(jī)為例，進(jìn)行了詳盡地介紹。

1.3.4充電期間保持電機(jī)旋轉(zhuǎn)

與上述幾種解決方案不同，一種令電機(jī)在充電期間保持旋轉(zhuǎn)的集成式充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示[。可以看出，該類集成式系統(tǒng)同樣基于裂相電機(jī)進(jìn)行構(gòu)建。當(dāng)系統(tǒng)切換為充電模式時，電機(jī)需保持同步速旋轉(zhuǎn)，并網(wǎng)后，電機(jī)被作為旋轉(zhuǎn)變壓器使用并將電能輸送給電池。該類結(jié)構(gòu)不需要考慮轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的問題，不失為一種解決方案，且具備電氣隔離功能。但方案整體控制和并網(wǎng)操作復(fù)雜，要求電機(jī)反電動勢與電網(wǎng)電壓匹配，車輛靜止時電機(jī)保持旋轉(zhuǎn)也存在安全風(fēng)險，且增加系統(tǒng)機(jī)械損耗。

1.4隔離充電問題

在各國的充電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中，電氣隔離均不作為強(qiáng)制性要求，但出于安全性考慮，具備這一功能的充電機(jī)總是更優(yōu)的選擇。目前，在集成式車載充電系統(tǒng)中添加電氣隔離功能的主要思路為在功率級中增加或構(gòu)造出隔離變壓器。

1.4.1將電機(jī)重構(gòu)為變壓器

與電力變壓器類似，電機(jī)同樣由線圈繞組和導(dǎo)磁鐵心等構(gòu)成，因此，通過改造電機(jī)繞組的連接方式，即可將電機(jī)重構(gòu)為一臺變壓器。第1.3.4節(jié)介紹過的集成式充電機(jī)即為該類型結(jié)構(gòu)（見圖9），此處不再贅述。

另外，文獻(xiàn)提出一種基于9槽/8極內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)（InteriorPermanentMagnetMachine，IPMM）的集成式系統(tǒng)，其電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖10a所示。在該結(jié)構(gòu)中，9個電樞線圈被連接為六端口模式，通過設(shè)置不同的線圈匝數(shù)，電機(jī)在驅(qū)動模式下可以等效為一臺六相電機(jī)進(jìn)行控制（見圖10b）；而在充電模式下，電機(jī)被重構(gòu)為一臺三相/六相旋轉(zhuǎn)變壓器（見圖10c），一次側(cè)三相繞組接入電網(wǎng)，二次側(cè)六相繞組則配合電機(jī)驅(qū)動逆變器為電池組充電。該結(jié)構(gòu)同樣在網(wǎng)側(cè)與充電機(jī)之間構(gòu)造了一臺旋轉(zhuǎn)變壓器，但考慮到該變壓器是一臺電壓比1∶2的升壓變壓器，而充電機(jī)整流器同樣基于升壓原理，導(dǎo)致最終充電電壓過高，可適用范圍較窄。

1.4.2增加額外工頻變壓器

另外一種較為普遍的方法是在車內(nèi)或車外增加額外的工頻隔離變壓器如圖11所示。文分析了基于對稱六相電機(jī)或雙三相（非對稱六相）電機(jī)的集成式充電機(jī)在添加額外隔離變壓器時需要遵循的原則。研究結(jié)果表明，為了保證電機(jī)在充電時不產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，對于對稱六相電機(jī)，采用一臺雙邊均為單套繞組的變壓器即可（見圖11a）；而對于非對稱六相電機(jī)（即雙三相電機(jī)），則需采用二次側(cè)雙繞組結(jié)構(gòu)的變壓器，且要求兩套繞組分別采用星形和三角形連接（見圖11b）。

一般而言，由于工頻變壓器體積和質(zhì)量均較大，將其放置于車內(nèi)與集成式充電機(jī)輕量化的目標(biāo)相矛盾，而放置于車外又增加了網(wǎng)側(cè)充電接口的復(fù)雜度，與集成式充電機(jī)的便捷性和高集成度特性不符，因此該方案很少被采用。

1.4.3采用新型電力電子拓?fù)?/strong>