電動汽車充電樁設(shè)計研究

摘 要:通過分析大功率充電樁項目實施的必要性，根據(jù)設(shè)計目標(biāo):充電樁輸出功率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100A，輸出最高電壓380V，輸出電流紋波控制在±1%以內(nèi)，從硬件結(jié)構(gòu)，控制算法的層面上對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，仿真結(jié)果證明了設(shè)計的可行性，

關(guān)鍵詞:充電樁 設(shè)計

中圖分類號:TU-9文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2012)08(a)-0037-011 引言

面對當(dāng)前全球“能源危機”和全球“氣候變暖”等問題，新能源的發(fā)展和應(yīng)用越來越受到關(guān)注。因此，新能源汽車也日益成為全球競相發(fā)展的熱門產(chǎn)業(yè)。電動汽車作為未來新能源汽車發(fā)展的大方向，必將引起越來越多的重視。隨著電動汽車的進(jìn)一步發(fā)展，必將帶動電動汽車充電設(shè)備的發(fā)展和使用。近年，電動汽車充電樁得到了迅猛的發(fā)展。但是現(xiàn)有的大多數(shù)電動汽車充電樁主要存在如下問題。

1.1 充電速度慢

電動汽車充電時間長是電動汽車推廣應(yīng)用的難題之一。對應(yīng)不同特性的電池，例如，鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，電池充電模型各有不同，因此要求充電樁能根據(jù)不同的電池對象，選擇相應(yīng)的最佳充電算法以達(dá)到最快充電速度。

1.2 充電對象單一

目前，市場上已有的充電樁，一般只針對一種蓄電池充電，而能夠針對不同蓄電池快速充電的充電樁還非常少見。

1.3 高頻變壓器損耗高且難于設(shè)計

為了實現(xiàn)電氣隔離，同時減小變壓器體積與重量，電動汽車充電樁結(jié)構(gòu)上通常采用高頻變壓器進(jìn)行隔離。但是，隨著電動汽車充電樁的容量不斷增大，高頻變壓器的損耗也在不斷增加。在大輸出電流的條件下，為了減小高頻變壓器漏感和鐵損，使高頻變壓器的設(shè)計越來越困難。

為了克服傳統(tǒng)電動汽車充電樁的局限，必需改進(jìn)電動汽車充電樁的拓?fù)湫问胶涂刂扑惴?，高性能電動汽車快速充電樁由此?yīng)運而生。高性能電動汽車快速充電樁不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)電動汽車充電樁的所有功能，并且具有:充電速度快、充電對象多樣、高頻器件設(shè)計容易等優(yōu)點。

2 充電樁整體設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

電動汽車充電樁作為一種電力變換裝置在電動汽車充電設(shè)備中的應(yīng)用，在上個世紀(jì)就已經(jīng)提出。電動汽車充電樁通常由一個單相或者三相不可控整流橋?qū)蜗嘟涣麟娀蛘呤侨嘟涣麟娬鞒芍绷?，然后通過一個DC-DC變換電路轉(zhuǎn)化為直流電壓和直流電流都可控的電源給蓄電池充電。目前的研究主要集中在采用高頻變壓器作為隔離元器件，使用ZVZCS算法進(jìn)行控制，這種結(jié)構(gòu)是采用4個開關(guān)組成一個逆變器電路，結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度大，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，并具有諸多的理想特性具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括8個部分:交流輸入:50Hz 220V的市電，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步的確定(全橋式開關(guān)電源電路)，充電對象:電動汽車車用鋰電池，驅(qū)動電路:用于驅(qū)動主電路的開關(guān)，保護(hù)電路:用于系統(tǒng)過壓、過流、短路、過熱等保護(hù)，采樣電路:用于采集充電電池的電壓和電流信號，控制電路:與上位機通信并實現(xiàn)相應(yīng)的控制算法，人機交互界面(上位機):對系統(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)。

2.1.2 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主電路是能量傳遞單元，其可靠性、效率高低影響到整個充電器的工作。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。

根據(jù)是否有隔離變壓器，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，無法實現(xiàn)多路輸出等，比較適用于小功率場合。常用的隔離變換器有推挽式、正激式、反激式、及半橋和全橋。正激式與反激式受到自身輸出功率的限制，適用于輸出功率為幾百瓦的場合。推挽式的輸出功率較大，但開關(guān)管的最大電壓應(yīng)力兩倍與直流輸入電壓，且存在磁通不平衡等問題，限制了它的應(yīng)用。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，適用于大功率的場合?？紤]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不可控整流橋，4個IGBT，兩個濾波電感L1、L2，兩個濾波電容C1、C3，一個變壓器及其初級阻斷電容C2，一個二極管D1。系統(tǒng)輸入電壓為AC380V，經(jīng)過不可控整流得到C1上的電壓為537V。

本系統(tǒng)參數(shù)定為:最高充電電壓為DC380V，最大充電電流為100A，功率等級為10kW，變壓器匝數(shù)比為1∶2。

2.2 控制策略

對鋰電池模型負(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=800mAh， 1C充電率即充電電流為800mA)在這一階段，由于電池的電動勢較低，即使電池充電電壓不高，電池的充電流也會很大，必須對充電電流加以限制。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)，電池電動勢不斷上升，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，保持恒壓充電。在這一階段，由于電池電動勢還在不斷上升，而充電電壓又保持不變，所以電池的充電流呈雙曲線趨勢不斷下降，一直下降到零。但在實際充電過程中，當(dāng)充電電流減小到0.015C時，說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。這是鋰離子動力電池組對充電模式的基本要求。此外，充電系統(tǒng)還必須具有自動調(diào)節(jié)充電參數(shù)、自動控制和自動保護(hù)功能。尤其在恒壓充電階段，如果單體電池的充電電壓超過允許的充電電壓時，充電樁應(yīng)能自動減小充電電壓和電流，使該電池的充電電壓不超過允許的充電電壓，防止該電池過壓充電。本文采用方波調(diào)制策略，方波信號頻率5KHz，鋸齒波(載波)頻率60KHz，調(diào)制范圍0～1。

3 仿真結(jié)果

恒壓臨界點設(shè)定為直流100V，期望輸出直流電壓為100V，模擬電容值15e-2模擬電容初始電壓0V電阻0.1，充電終止時間0.182s超調(diào)0V。

仿真結(jié)果分析如下:在0.14s以前是CC充電階段(恒定電流為100A)，之后是恒壓充電(恒定電壓100V)到0.2s基本將電池充滿。黃線表示電池內(nèi)部實際電壓值(模擬電容電壓)。

4 結(jié)語

通過仿真研究，以單相零電壓零電流開關(guān)切換DC-DC變換器為基礎(chǔ)，研究一種基于DC-DC變換器的電動汽車充電樁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時，對零電流開關(guān)切換DC-DC變換器的控制策略進(jìn)行研究，10kW充電樁電路結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、工作可靠。性能完全符合設(shè)計要求。