大功率電動(dòng)汽車(chē)充電裝置的實(shí)驗(yàn)研究

余岳 汪紅霞

摘 要：根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)：充電裝置輸出功率10kw，充電樁主電路由輸入電路、全橋DC/ DC 直流變換器和輸出電路組成，輸出最大電流100 A，輸出最高電壓100 V，輸出電壓紋波控制在±2%以內(nèi)，從硬件結(jié)構(gòu)，控制算法的層面上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的可行性，

關(guān)鍵詞：大功率充電樁 實(shí)驗(yàn)研究 硬件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：T H1 3 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（a）-00-01

1 充電樁硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括8個(gè)部分：交流輸入：50 Hz 220 V的市電，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步的確定（全橋式開(kāi)關(guān)電源電路），充電對(duì)象：電動(dòng)汽車(chē)車(chē)用鋰電池，驅(qū)動(dòng)電路：用于驅(qū)動(dòng)主電路的開(kāi)關(guān)，保護(hù)電路：用于系統(tǒng)過(guò)壓、過(guò)流、短路、過(guò)熱等保護(hù)，采樣電路：用于采集充電電池的電壓和電流信號(hào)，控制電路：與上位機(jī)通信并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制算法，人機(jī)交互界面（上位機(jī)）：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)控（電池電壓、充電電流、溫度、電池電量等）；能夠進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置（充電模式設(shè)定、充電電量設(shè)定、主電路輸出電壓、電流的設(shè)定等）。

1.2 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示主電路是能量傳遞單元，其可靠性、效率高低影響到整個(gè)充電器的工作。因此，根據(jù)功率傳遞要求，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是十分重要的。常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為隔離型與非隔離型。與隔離型相比，非隔離型雖然也能完成電壓變換的功能，但存在著局限性：如輸入輸出不隔離存在安全隱患，輸入輸出電壓電流比不能太大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多路輸出等，比較適用于小功率場(chǎng)合。全橋拓?fù)渑c半橋拓?fù)湎啾龋谳斎腚妷汉洼斎腚娏飨嗤那闆r下，能夠提供兩倍的功率，適用于大功率的場(chǎng)合。考慮到本系統(tǒng)輸出功率的要求及以后的可拓展性，可以選擇全橋式變換器作為我們的主回路。主電路主要包括兩個(gè)不可控整流橋，4個(gè)IGBT，兩個(gè)濾波電感L1、L2，兩個(gè)濾波電容C1、C3，一個(gè)變壓器及其初級(jí)阻斷電容C2，一個(gè)二極管D1。系統(tǒng)輸入電壓為AC380 V，經(jīng)過(guò)不可控整流得到C1上的電壓為537 V。本系統(tǒng)參數(shù)定為：最高充電電壓為DC380 V，最大充電電流為100 A，功率等級(jí)為10 kW，變壓器匝數(shù)比為1∶2。

2 控制算法

對(duì)鋰電池模型負(fù)載進(jìn)行先恒流（CC）再恒壓（CV）控制。鋰電池組充電模式采用“恒流―恒壓”兩階段充電模式。充電開(kāi)始階段，一般采用最優(yōu)充電倍率（鋰離子電池為0.3C）進(jìn)行恒流充電。（C是電池的容量，如C=800 mAh，1C充電率即充電電流為800 mA）在這一階段，由于電池的電動(dòng)勢(shì)較低，即使電池充電電壓不高，電池的充電流也會(huì)很大，必須對(duì)充電電流加以限制。所以，這一階段的充電叫“恒流”充電，充電電流保持在限流值。隨著充電的延續(xù)，電池電動(dòng)勢(shì)不斷上升，充電壓也不斷上升。當(dāng)電池電壓上升到允許的最高充電電壓時(shí)，保持恒壓充電。在這一階段，由于電池電動(dòng)勢(shì)還在不斷上升，而充電電壓又保持不變，所以電池的充電流呈雙曲線趨勢(shì)不斷下降，一直下降到零。

但在實(shí)際充電過(guò)程中，當(dāng)充電電流減小到0.015C時(shí)，說(shuō)明充電已滿就可停止充電。這一階段的充電叫“恒壓”充電，這一階段的充電電壓：U=E+IR為恒壓值。這是鋰離子動(dòng)力電池組對(duì)充電模式的基本要求該文采用方波調(diào)制策略，方波信號(hào)頻率5 kHz，鋸齒波（載波）頻率60 kHz，調(diào)制范圍0～1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

期望輸出直流電壓為80 V，輸出電流達(dá)到101 A時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2：當(dāng)負(fù)載電流為達(dá)到101 A時(shí)，實(shí)際輸出電壓為80.9 V，輸出電壓精度為1.125%。

圖2 輸出電壓電流波形

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，以單相零電壓零電流開(kāi)關(guān)切換DC-DC變換器為基礎(chǔ)，研究一種基于DC-DC變換器的電動(dòng)汽車(chē)充電樁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)，對(duì)零電流開(kāi)關(guān)切換DC-DC變換器的控制策略進(jìn)行研究，10 kW 充電樁電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、工作可靠。性能完全符合設(shè)計(jì)要求。