一種提高電動汽車充電機輕載運行效率的方法

李景新，牛利勇，王健強，姜久春

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

一種提高電動汽車充電機輕載運行效率的方法

李景新，牛利勇，王健強，姜久春

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

本文提出了一種提高電動汽車充電機輕載運行效率的方法。在分析原有充電機輕載運行狀況的基礎(chǔ)上，提出了一種以電容-二極管-有源開關(guān)鉗位電路代替原有鉗位電路的全橋移相式零電壓零電流開關(guān)(ZVZCS）變換器拓?fù)洌治隽似涔ぷ髟聿⒔o出了輕載判斷條件，進(jìn)行了仿真研究和樣機功率實驗，給出了實驗結(jié)果及波形。結(jié)果表明，改進(jìn)電路既保留了原鉗位電路的優(yōu)點，又在輕載時提高了整機工作效率，同時降低了器件應(yīng)力。

直流變換器;ZVZCS;移相全橋;電路仿真

1 引言

電動汽車大規(guī)模實際應(yīng)用的目標(biāo)要求其必須達(dá)到足夠的續(xù)駛里程和足夠的動力電池容量，因此充電機的功率等級也要不斷提高。同時為盡量減小對電網(wǎng)的污染，充電機可以采用AC/DC和DC/DC相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)，前者在實現(xiàn)可控整流提供穩(wěn)定輸出電壓的同時，必須具有較高的功率因數(shù);而后者則根據(jù)電池負(fù)載需求實現(xiàn)相應(yīng)的功率變換和控制。考慮整機功率等級，直流變換部分采用IGBT作為主開關(guān)器件，由于IGBT的少數(shù)載流子存貯效應(yīng)，在其關(guān)斷時存在著拖尾電流，因而關(guān)斷損耗較大，所以對于IGBT而言，ZCS方式比ZVS方式可以更加有效地降低器件的開關(guān)損耗。因此IGBT和ZVZCS全橋式拓?fù)涫潜容^合適的選擇［1］。其中電容-二極管-二極管(CDD）鉗位全橋移相式ZVZCS變換器［2］，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方法簡單、器件應(yīng)力適中和效率較高等優(yōu)點，綜合性能較高，因此選擇作為電動汽車動力電池組充電機的主電路并制作樣機。

然而，根據(jù)動力蓄電池充電特性曲線可知，在蓄電池充電末期或者進(jìn)行浮充充電時，充電機處于輕載運行狀態(tài)，而且要持續(xù)一定時間。經(jīng)分析可知，由于負(fù)載電流變化范圍較大，CDD變換器就難以兼顧超前橋臂開關(guān)器件的ZVS條件和滯后橋臂開關(guān)器件的ZCS條件。因此超前橋臂開關(guān)器件的ZVS范圍受到限制，輕載條件下不能實現(xiàn)超前橋臂ZVS及效率明顯降低。有關(guān)研究者提出了相應(yīng)的解決方法，其中包括采用LCD輔助諧振網(wǎng)絡(luò)電路［3］和有源輔助換相電路［4］。但前者增加了超前橋臂主開關(guān)器件的電流應(yīng)力和通態(tài)損耗，需要較大的電感量增加了系統(tǒng)的體積、重量以及成本;后者增加了兩個有源開關(guān)器件，從而需要提供所需的驅(qū)動電路，系統(tǒng)復(fù)雜程度進(jìn)一步提高。本文提出了一種使用電容-二極管-有源開關(guān)器件(CDS）鉗位電路代替CDD鉗位電路的改進(jìn)方法，僅僅少量增加變換器復(fù)雜程度，既可以保留原有拓?fù)涞膬?yōu)點，又能夠提高變換器在輕載情況時的效率和可靠性，獲得比較好的效果。

2 工作原理

本文對文獻(xiàn)［1］提出的拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，以一個單向有源開關(guān)器件SC替代了原拓?fù)渲械亩O管DC，提出了CDS鉗位全橋移相式ZVZCS變換器電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示，用于充電機前端AC/DC變換器與負(fù)載之間的DC/DC變換。

變換器實時檢測負(fù)載電流(或變壓器原邊電流），根據(jù)負(fù)載電流的大小控制SC的通斷。

當(dāng)變換器工作于負(fù)載較重情況下，SC始終保持開通，此時CDS鉗位電路的作用與CDD鉗位電路相同，具體工作原理參見［2］。

圖1 CDS鉗位全橋移相式ZVZCS變換器電路拓?fù)銯ig.1 Circuit topology of FB-PS ZVZCS converter with CDS clamp circuit

當(dāng)變換器工作于輕載情況下時，SC保持關(guān)斷，使得CDS鉗位電路停止工作，此時的變換器工作狀態(tài)類似于移相全橋式ZVS變換器。超前橋臂開關(guān)器件的ZVS條件比較容易達(dá)到，因為在超前橋臂開關(guān)過程中，輸出濾波電感是與漏感相串聯(lián)的，此時用來實現(xiàn)開關(guān)器件ZVS的能量是兩個電感中的能量。一般來說，由于輸出濾波電感很大，在超前橋臂開關(guān)過程中，其電流近似不變，類似于一個恒流源，這個能量足以完成C1和C3的充放電轉(zhuǎn)換過程。因此，超前橋臂開關(guān)器件仍然工作于ZVS狀態(tài)，消除了由于緩沖電容儲能而造成的損耗，降低了器件中的di/dt。

當(dāng)超前橋臂開關(guān)器件實現(xiàn) ZVS開通后，變壓器副邊被短路，漏感LP中的電流自然續(xù)流，當(dāng)滯后橋臂開關(guān)器件關(guān)斷時，LP中的電流對開關(guān)器件的輸出電容充電，同時電流迅速復(fù)位到零。

變換器在輕載時的工作波形如圖2所示，其中圖(a）(b）為開關(guān)管S1～S4的驅(qū)動脈沖波形;圖(c）為變壓器原邊電流ip波形;圖(d）為電容C3的電壓波形;圖(e）為開關(guān)管S2集射極端電壓VCE波形。

圖2 輕載時工作波形Fig.2 Waveforms under light load

在SC由開通狀態(tài)轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)后，電容CC上儲存的能量經(jīng)過幾個開關(guān)周期后即可通過Dh釋放完畢，然后CDS鉗位電路停止工作。由于SC僅有兩種工作狀態(tài)，因而對其的控制邏輯非常簡單，所需的驅(qū)動功率小，基本上沒有增加變換器的復(fù)雜程度。這樣，采用CDS鉗位電路的變換器在全部負(fù)載范圍內(nèi)都可以獲得良好的特性，保證系統(tǒng)獲得較高的效率和可靠性。

3 CDS鉗位電路的切換條件

變換器運行時，超前橋臂開關(guān)管的死區(qū)運行時間內(nèi)漏感LP中儲存的能量全部用來完成C1和C3的充放電轉(zhuǎn)換。而當(dāng)SC始終保持開通而變換器輕載運行時，C1和C3之間充放電轉(zhuǎn)換造成的能量損耗ECON可以表示為:

式中，n為變壓器原副邊匝比，VS為輸入側(cè)直流電壓，VO為輸出電壓，IL為漏感LP中電流(即變壓器原邊電流），CE為C1、C3的電容值之和。

在死區(qū)時間內(nèi)，儲存在漏感 LP中的能量EL約為:

當(dāng)ECON=EL時，求得此時對應(yīng)的電流IL記為IJL，作為判斷變壓器輕載運行的臨界點條件，由(1）、(2）可以得到

當(dāng)IL

4 仿真及實驗結(jié)果

此電路的實際目標(biāo)參數(shù)為:輸入直流電壓VS=550V，輸出最高電壓 VOMAX=100V，輸出最大電流IOMAX=100A，輸出最小電流IOMIN=10A，選擇工作頻率20kHz，根據(jù)自行建立的優(yōu)化設(shè)計方法［5］，主要參數(shù)設(shè)計如下:C1=C3=30nF，CC=800nF，LP=8μH，LO=100μH，CO=2200μF，n=N1/N2=2。計算可以得到輕載判斷條件IJL≈22A，進(jìn)行了軟件仿真及實際樣機制作。

4.1 仿真結(jié)果

本文根據(jù)電路拓?fù)浼霸O(shè)計的主電路參數(shù)，在Matlab7.0環(huán)境下建立了穩(wěn)態(tài)仿真模型。在額定輸入電壓的情況下，根據(jù)以上的分析，仿真CDS鉗位電路切除后，IL=10A時的情況，仿真波形如圖3所示。其中，VC1為C1上電壓波形，Vce-S2為滯后橋臂開關(guān)器件S2上電壓波形，IP為漏感LP中電流波形。

圖3 輕載時仿真波形IL=10AFig.3 Simulation waveforms at light load IL=10A

由圖中仿真結(jié)果可見，在變換器輕載情況下，切除CDS鉗位電路后，超前橋臂開關(guān)器件的ZVS條件得以保證，保持了良好的開關(guān)特性，而滯后橋臂開關(guān)器件在較小通態(tài)電流的情況下以硬開關(guān)方式關(guān)斷，其損耗也在合理范圍以內(nèi)，從而使得變換器在輕載情況下的效率和可靠性都比使用CDD鉗位電路時得以提高。

4.2 實驗結(jié)果

根據(jù)設(shè)計參數(shù)實際制作了樣機，并進(jìn)行了不同負(fù)載功率情況下的實驗，同時在輕載條件下進(jìn)行了CDS鉗位電路切除前后的對比實驗，圖4(a）(b）示出了當(dāng)輸出10%額定電流時的信號波形。

其中，圖4(a）為CDS電路切除前(SC導(dǎo)通）的信號波形，與原采用CDD鉗位方式一致;圖4(b）為CDS鉗位電路切除后(SC關(guān)斷）的信號波形。

由各圖中的實驗波形可見，在充電機輕載情況下切除CDS鉗位電路后，變換器工作情況類似于全橋移相式ZVS方式，超前橋臂IGBT在輸出最小電流的情況下也仍然能夠工作于ZVS狀態(tài)，而滯后橋臂IGBT雖然工作于硬開關(guān)狀態(tài)，但由于變壓器漏感中的儲能已很小，所以滯后橋臂IGBT的C、E間電壓尖峰也很小，甚至在輸出最小電流時，基本上已經(jīng)不存在電壓尖峰，從而使得所有的IGBT都獲得了良好的開關(guān)特性。

4.3 效率測試實驗結(jié)果

圖4(a） 輸出10%額定電流時CDS切除前開關(guān)管S1集射極電壓(200V/div）和變壓器原邊電流波形(5A/div）(上:S1集射極電壓;下:變壓器原邊電流）Fig.4(a）VCEof S1 and primary windings current of transformer with CDS clamp active

圖4(b） 輸出10%額定電流時CDS切除后開關(guān)管S1、S2集射極電壓(200V/div）和變壓器原邊電流波形(10A/div）(上:S1集射極電壓;中:S2集射極電壓;下:變壓器原邊電流）Fig.4(b）VCE1and VCE2waveforms of S1，S2 and Ip waveform of transformer with CDS clamp inactive

在額定輸入電壓、最高輸出電壓的情況下，調(diào)節(jié)輸出電流的大小時測量充電機輸入、輸出功率，同時在輕載時分別測量了CDS鉗位電路切除前后的數(shù)據(jù)，繪制效率曲線如圖5所示。圖中上面的曲線對應(yīng)于CDS鉗位電路在輕載時可以切除的效率曲線，下面的曲線為CDS鉗位電路始終不切除時(即相當(dāng)于CDD鉗位電路的拓?fù)涔ぷ鳎┑男是€。

可見，充電機在滿載情況下效率高于90%，符合設(shè)計指標(biāo)的要求。同時，采用CDS鉗位電路及相應(yīng)的控制策略后，在輸出功率為1.12kW時樣機效率為75.8%，而CDS鉗位電路始終不切除時的效率為75.1%，輕載運行效率有所提高，表明CDS鉗位電路及相應(yīng)的控制策略可以實現(xiàn)效率的提升。

圖5 效率實驗結(jié)果Fig.5 Experimental results of efficiency

5 結(jié)論

通過對仿真和實驗結(jié)果的分析可知，本文提出的使用CDS鉗位電路代替原有CDD鉗位電路的改進(jìn)方法，既保留了CDD鉗位電路的優(yōu)點，又提高了變換器在輕載情況時的效率和可靠性。

仿真和實驗結(jié)果表明，本文提出的方法是行之有效的。該方法僅僅少量增加變換器復(fù)雜程度，控制方法比較簡單，不僅可以拓寬CDD鉗位式拓?fù)涑皹虮坶_關(guān)器件的ZVS范圍，而且可以提高系統(tǒng)輕載運行的效率，同時降低了主開關(guān)器件的應(yīng)力，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

References）:

［1］張先謀，李耀華(Zhang Xianmou，Li Yaohua）.平均電流模式控制軟開關(guān)移相全橋DC/DC變換器(A phaseshifted soft-switch DC/DC converter with average-current mode control）［J］.電工電能新技術(shù)(Adv.Tech.of Elec.Eng.＆ Energy），2003，22(2）:20-22.

［2］Cho Jung-Goo，Baek Ju-Won，Jeong Chang-Yong，et al.Novel zero-voltage and zero-current-switching full-bridge PWM converter using a simple auxiliary circuit［J］.IEEE Trans.on Industry Applications，1999，35(1）:15-20.

［3］Ruan Xinbo，Yan Yangguang.Zero-voltage-switched，PWM，phase-shifted converter employing an auxiliary resonant net［A］.Sixth International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives［C］.1996.534-539.

［4］R W De Doncker，J P Lyons.The auxiliary resonant commutated pole converter［A］.IEEE Industry Applications Society Annual Meeting［C］.1990.1228-1235.

［5］牛利勇，姜久春，張維戈 (Niu Liyong，Jiang Jiuchun，Zhang Weige）.一種全橋移相式ZVZCS變換器的優(yōu)化設(shè)計(Study on optimizing design of a full-bridge phaseshifted ZVZCS converter）［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報 (J Beijing Jiaotong Univ.），2008，32(1）:39-42.

［6］張運芳，陳榮，趙永建 (Zhang Yunfang，Chen Rong，Zhao Yongjian）.基于有源輔助網(wǎng)絡(luò)的新型零電流全橋DC-DC變換器(A novel ZCS full-bridge DC-DC converter based on auxiliary active circuit）［J］.電工電能新技術(shù) (Adv.Tech.of Elec.Eng.＆ Energy），2009，28(4）:37-41.

An approach to improve efficiency of EV charger under light load

LI Jing-xin，NIU Li-yong，WANG Jian-qiang，JIANG Jiu-chun
(School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

This paper presented an approach to improve efficiency of EV batteries charger under light load.On the basis of analysis on the original charger built upon capacitor-diode-diode clamp circuit，a modified capacitor-diodeswitching clamp circuit was designed to replace the original one in the full-bridge phase-shifted zero-voltage and zero-current-switching PWM DC/DC converter.Operating principle was introduced，and the critical condition to judge whether under light load was derived.Circuit simulation and experiment on the prototype were performed under different load.Both results show that besides the advantages of the original topology，higher efficiency and less stress on switches are achieved under light load.

DC/DC converter;ZVZCS;full-bridge phase-shifted;circuit simulation

TM92

A

1003-3076(2010）03-0035-04

2009-09-22

李景新(1972-），男，河北籍，講師，碩士，研究方向為電力電子技術(shù)、微機測控技術(shù);

姜久春(1973-），男，吉林籍，教授，博士，研究方向為電力電子技術(shù)、微機測控技術(shù)、新能源技術(shù)。