一種小型純電動(dòng)汽車充電機(jī)的設(shè)計(jì)

陳林林，于會(huì)山，王　翀

(聊城大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 聊城 252059)

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一種小型純電動(dòng)汽車充電機(jī)的設(shè)計(jì)

陳林林，于會(huì)山，王翀

(聊城大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 聊城 252059)

摘要快速充電是當(dāng)前小型電動(dòng)汽車需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。文中研發(fā)了一種電動(dòng)汽車用智能快速充電機(jī)，該充電機(jī)采用基于微控制器MC9S12XE100控制的雙閉環(huán)多模式自適應(yīng)充電方式進(jìn)行充電。進(jìn)行了主電路參數(shù)計(jì)算，包括功率管選擇以及變壓器、吸收回路、濾波回路、PWM控制電路和微控制器核心電路設(shè)計(jì)等。通過(guò)試驗(yàn)證明，文中設(shè)計(jì)的充電機(jī)達(dá)到了性能指標(biāo)要求，主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制電路可行。

關(guān)鍵詞純電動(dòng)汽車；智能充電機(jī)；多模式自適應(yīng)充電；雙閉環(huán)；微控制器

電動(dòng)汽車以其低排放、高效率、多能源的特點(diǎn)，成為解決當(dāng)前環(huán)境污染和石油資源緊張問(wèn)題的重要途徑。目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展迅猛，但作為電動(dòng)汽車動(dòng)力源泉的電池是其發(fā)展的瓶頸。設(shè)計(jì)符合動(dòng)力電池充電需求的充電機(jī)，能有效延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，為電動(dòng)汽車的實(shí)用化和普及化提供有效支持[1]。

本文的目的是設(shè)計(jì)一款小型化、輕量化、智能化的快速充電機(jī)，實(shí)現(xiàn)為動(dòng)力電池進(jìn)行快速充電的功能。充電機(jī)采用基于微控制器MC9S12XE100控制的雙閉環(huán)多模式自適應(yīng)充電方式。首先根據(jù)項(xiàng)目性能指標(biāo)要求進(jìn)行充電機(jī)主電路參數(shù)計(jì)算，包括主回路拓?fù)湓O(shè)計(jì)、功率管選擇、變壓器設(shè)計(jì)、吸收回路設(shè)計(jì)及濾波回路設(shè)計(jì)、PWM控制電路設(shè)計(jì)、微控制器核心電路設(shè)計(jì)等。

根據(jù)項(xiàng)目要求提出電動(dòng)汽車智能快速充電機(jī)主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)：輸入額定電壓及頻率為220VAC，50Hz；

最大輸出功率3 000W；輸出最大電壓為100V；典型輸出電壓89V；額定最大輸出電流為30A；典型輸出電流25A；整機(jī)效率為≥85%；功率因素(PF)≥95%。

1確定智能充電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

本文智能充電機(jī)是在基于開(kāi)關(guān)電源充電裝置工作原理基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)[2-3]。充電機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定及控制芯片選型

2.1確定電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

充電功能模塊由AC/DC變換器與DC/DC變換器共同組成。本設(shè)計(jì)變換拓?fù)洳捎冒霕蜃儞Q，在開(kāi)關(guān)電源的各種變換拓?fù)渲?，半橋變換以其輸出功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)器件少、實(shí)現(xiàn)同等功率變換的成本較低且抗磁通不平衡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。首先是220V的交流市電經(jīng)EMI濾波、PFC校正電路，然后經(jīng)DC/DC半橋變換及相應(yīng)的控制電路，保證輸出電流電壓滿足充電電池的需求。半橋變換電路主要包括功率管選擇、變壓器設(shè)計(jì)、吸收回路設(shè)計(jì)及濾波回路設(shè)計(jì)等[4]。

圖1　智能充電機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2　智能充電機(jī)半橋變換電路圖

2.2控制芯片的選擇及控制電路設(shè)計(jì)

半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電機(jī)需要對(duì)稱的PWM信號(hào)，必須選擇具有兩路互補(bǔ)輸出的PWM控制器。本項(xiàng)目充電機(jī)選擇SG3525電壓型PWM控制芯片。該芯片內(nèi)置軟啟動(dòng)電路，具有輸入欠電壓鎖定功能，可實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖關(guān)斷。其驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)采用了推挽式電路結(jié)構(gòu)，灌電流/拉電流能力可達(dá)200mA，關(guān)斷速度更快。適用于推挽式、半橋式和全橋式開(kāi)關(guān)電源的PWM控制電路?？刂撇糠滞ㄟ^(guò)對(duì)蓄電池端電壓、電流信號(hào)的采集反饋，由SG3525產(chǎn)生雙路PWM波控制半橋拓?fù)渲蠱OSFET管的通斷時(shí)間來(lái)控制充電電流和電壓。圖3為本設(shè)計(jì)的充電機(jī)控制板電路圖[5-8]。

PWM電路的振蕩頻率由R10、R11和C9決定，本項(xiàng)目充電機(jī)設(shè)定振蕩頻率約為46kHz。晶體管VT6的集電極連接到SG3525的關(guān)斷(10腳)控制端，由輸入過(guò)壓保護(hù)信號(hào)OV控制PWM電路的啟動(dòng)和停止。VT5、R14、R13組成過(guò)流保護(hù)電路，當(dāng)輸出電流異常增大時(shí)(≧30A)，使VT5導(dǎo)通，C10迅速放電，將形成新的軟啟動(dòng)過(guò)程。

控制電路按照當(dāng)前的設(shè)定的輸出電壓電流值產(chǎn)生占空比可變的PWM波，對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)功率變換。

圖3　智能充電機(jī)控制板電路圖

2.3微控制器的選型

在本項(xiàng)目智能充電機(jī)研發(fā)中采用Freescale公司的16位MCU(MC9S12XE100)，該系列MCU具有豐富的外設(shè)和中斷源，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力，適合作為充電機(jī)控制單元的主控芯片。由于采用智能充電，鉛酸蓄電池每個(gè)階段所需的充電電壓和充電電流都不同，則在充電時(shí)該控制器對(duì)電池端的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行采集、分析處理、決策等, 根據(jù)不同的狀態(tài)采用對(duì)應(yīng)的充電方法以及保證在各充電階段之間的穩(wěn)定切換。對(duì)出現(xiàn)的各種故障和報(bào)警信號(hào)進(jìn)行處理。該部分還包括對(duì)電流、電壓和溫度的采集以及顯示等。

3主電路參數(shù)計(jì)算及功率管選擇

3.1整流橋的參數(shù)計(jì)算與選擇

本項(xiàng)目充電機(jī)的輸入端采用橋式整流電路，最大AC輸入電壓為264V，整流橋的最大反向電壓UM由式(1)計(jì)算。可得

(1)

按照1.5～2倍的電壓余量，可選擇反向電壓URRM為600～800的整流橋。

橋式整流電路的平均輸出電壓UDC按最小AC輸入電壓計(jì)算，PIN=3 500W(考慮開(kāi)關(guān)電源的效率約為85%)，則

(2)

式中，IDC為整流電路最大平均電流；uACmin為交流輸入電壓的最小值。

整流橋的輸出電流IO應(yīng)為整流電路最大平均電流IDC的2～3倍[9]，應(yīng)該選擇輸出電流為25～45A的整流橋。本設(shè)計(jì)實(shí)際選擇50A/800V的整流橋，其型號(hào)為KBPC5008。

3.2輸入濾波電容的容量計(jì)算與選擇

輸入濾波電容的容量計(jì)算公式為

(3)

將PO=3 000W，uAC=176V代入可得

式中，PO為輸出功率。

若按uAC=220V計(jì)算，電容量C為2 808μF?？紤]額定電壓為220V，輸入電壓為176V時(shí)工作即可，電壓紋波允許稍大一些。本設(shè)計(jì)充電機(jī)實(shí)際選用4 700μF的電解電容。

3.3功率開(kāi)關(guān)管的電壓/電流計(jì)算及元件選型

半橋式開(kāi)關(guān)電源功率開(kāi)關(guān)管的最大電壓可按UCE=UImax+50V來(lái)估算。其中UImax為UM=373V,UCE=373+50=423V。留出30%～50%的電壓余量，本設(shè)計(jì)充電機(jī)功率開(kāi)關(guān)管的耐壓選擇為600V。

功率開(kāi)關(guān)管承受的最大集電極電流為IC=(NS/NP)IO。其中，NS/NP的計(jì)算公式為

(4)

式中，UO為最大輸出電壓，本設(shè)計(jì)為100V；UF為輸出整流二極管的正向壓降，按1V計(jì)算；UImin按uAC=176V計(jì)算，根據(jù)公式

(5)

可得，UImin=UDC=238V。所以

由于IO=30A，則IC=(NS/NP)IO=0.849×30=25.47A。通常留出1～2倍的電流余量，可選IC為30～50A的功率開(kāi)關(guān)管。本設(shè)計(jì)充電機(jī)功率開(kāi)關(guān)管選型為IXYS公司的IXFH36N60P型MOSFET功率管。其耐壓UDSS為600V，漏級(jí)電流ID為36A(TC=25 ℃)。從其參數(shù)表中可知，當(dāng)TC=100 ℃時(shí)，ID約為23A。

3.4輸出整流管電壓/電流計(jì)算及元件選型

半橋式開(kāi)關(guān)電源輸出整流管的反向電壓UR=2(NS/NP)UI，根據(jù)式(4)計(jì)算出(NS/NP)為0.849。當(dāng)輸入電壓uAC=264V時(shí)，根據(jù)式(5)計(jì)算可得出，UImax=UDC=356V。輸出整流管的最大反向電壓為UR=2(NS/NP)UI=2×0.849×356=605V。按照1.5～2倍的安全余量，可選擇URRM為1 000V的輸出整流管。

半橋式開(kāi)關(guān)電源輸出整流管的平均電流為輸出電流的一半，即IF1=IF2=IO/2?？紤]到1.5～2倍的安全余量，整流管的額定電流按輸出電流選擇即可。即選擇IF1=IF2=IO。本充電機(jī)的最大輸出電流為30A，可選擇IF(AV)為30A的快速恢復(fù)二極管。本充電機(jī)實(shí)際選用了30A/1 000V的快速恢復(fù)二極管，其型號(hào)為RHRG30100。

3.5輸出濾波電容的容量計(jì)算與選型

輸出濾波電容的容量計(jì)算根據(jù)式(6)計(jì)算

(6)

本項(xiàng)目充電機(jī)輸出電流為30A，紋波電流按20%計(jì)算，則ΔIL=30×0.2=6A。紋波電流頻率與PWM振蕩頻率相同，按46kHz計(jì)算。輸出紋波電壓按0.4V計(jì)算?？傻?/p>

即輸出濾波電容的容量應(yīng)> 40.8μF。實(shí)際選擇輸出濾波電容器時(shí)，應(yīng)為計(jì)算值的10倍進(jìn)行選型。所以應(yīng)選用408μF以上的濾波電容。本充電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該選用12 000μF的濾波電容?？紤]到紋波電流較大，實(shí)際輸出電容選用兩只60μF并聯(lián)工作。

4高頻變壓器的設(shè)計(jì)

高頻變壓器的設(shè)計(jì)是制作本項(xiàng)目智能充電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一[10-13]。本項(xiàng)目高頻變壓器的設(shè)計(jì)步驟如下。

4.1選擇磁芯尺寸

半橋式開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器磁芯尺寸的選擇根據(jù)式(7)計(jì)算

(7)

本項(xiàng)目充電機(jī)的輸出功率PO為3 000W。開(kāi)關(guān)頻率f為PWM振蕩器頻率的1/2，即46/2=23kHz。Bm選取0.25T，代入式(7)可得

PM磁芯是從罐型磁芯改進(jìn)而來(lái)，比罐型有更大的出線窗口和更好的散熱條件，可傳送更大的功率。而較EE型磁芯具有更好的磁屏蔽效果，能減小電磁干擾，較U型磁芯其繞線相當(dāng)容易。本項(xiàng)目選用PM磁芯。

經(jīng)查閱磁芯手冊(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)表可知，對(duì)于PM62型磁芯：Ae=5.70cm2，Aw=7.78cm2，AP=AeAw=44.36cm4，AP數(shù)值滿足要求。選用較大AP值的磁芯還便于高頻變壓器的繞制。

4.2計(jì)算繞組匝數(shù)

由于半橋式開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器一次側(cè)施加電壓為UI的1/2，其一次匝數(shù)Np根據(jù)式(8)計(jì)算。

(8)

本項(xiàng)目充電機(jī)UImin為238V，磁芯Ae=5.70cm2，Bm選取0.25T，開(kāi)關(guān)頻率f=23kHz。代入公式可得

一次繞組Np實(shí)際取值9匝。

高頻變壓器二次匝數(shù)根據(jù)式(9)計(jì)算。

(9)

將UO=100V，UF=1.2V代入可得

二次繞組NS實(shí)際取8匝。

4.3計(jì)算繞組匝數(shù)

半橋開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器的一次電流有效值可按式(10)計(jì)算。

(10)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入可得

電流密度按4A/mm2，查表可選導(dǎo)線直徑為1.2的漆包線6線并繞。

高頻變壓器的二次電流有效值可按式(11)計(jì)算。

(11)

DMAX=0.5，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入可得

電流密度按4A/mm2，查表可選導(dǎo)線直徑為1.2的漆包線15線并繞。本項(xiàng)目高頻變壓器的設(shè)計(jì)還進(jìn)行了填充系數(shù)KW的檢驗(yàn)，符合設(shè)計(jì)要求。

5功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路

本項(xiàng)目充電機(jī)的功率開(kāi)關(guān)管采用了脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路[14-15]，電路如圖4所示。

圖4　脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路圖

來(lái)自SG3525控制板的PWM信號(hào)DRV1和DRV2分別通過(guò)晶體管VT1、VT3和VT2、VT4驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器T1的一次繞組。電容C4用于交流耦合，能防止T1出現(xiàn)直流偏磁。脈沖變壓器的兩個(gè)二次繞組具有相反的同名端，保證兩只功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位差為180°。一個(gè)繞組通過(guò)R2驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管VT7，G1接VT7的柵極，S1接VT7的源極；另一個(gè)繞組通過(guò)電阻R5驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管VT8，G2接VT8的柵極，S2接VT8的源極。R3和R7分別為功率開(kāi)關(guān)管VT7和VT8的柵-源極電阻，用于防止柵-源極出現(xiàn)開(kāi)路(懸空)現(xiàn)象。

本項(xiàng)目充電機(jī)脈沖變壓器采用EI22型鐵氧體磁芯繞制，先饒一次側(cè)，二次側(cè)采用雙線并繞，以便保證輸出脈沖的對(duì)稱性。脈沖變壓器一次電壓為12V，二次側(cè)驅(qū)動(dòng)脈沖幅度設(shè)計(jì)為15V，考慮到驅(qū)動(dòng)晶體管的飽和壓降，一/二次匝數(shù)選擇為32/45匝。

6試驗(yàn)輸出波形

充電機(jī)的關(guān)鍵是控制電路根據(jù)設(shè)定的輸出電壓電流值產(chǎn)生占空比可變的PWM波，對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖5為試驗(yàn)測(cè)出的PWM波形。

圖5　占空比可變的PWM波形圖

7結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)出樣機(jī)后進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果證明，設(shè)計(jì)的充電機(jī)達(dá)到了性能指標(biāo)要求，主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制電路可行。

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A Small Electric Vehicle Charging Machine Design

CHENLinlin，YUHuishan，WANGChong

(SchoolofMechanical&AutomobileEngineering,LiaochengUniversity,Liaocheng252059,China)

AbstractFast charging is the key technology of the current small electric cars need to be addressed. This pa-per has developed a smart electric vehicle fast charger, the charger uses MC9S12XE100 microcontroller-based dual closed-loop control of a multi-mode adaptive charging mode for charging. Were the main circuit parameters, in-cluding power management selection, transformer design, circuit design to absorb and filter circuit design, PWM control circuit design, microcontroller core circuit design. Finally, the test proved that the design of the charger reaches the performance requirements, the main circuit topology and control circuit is feasible.

Keywordstwo-stroke aero engines; linear parameter varying (LPV) model; the average model; injection control; steady operating conditions; transient operating conditions

收稿日期:2016- 04- 28

基金項(xiàng)目:山東省科技廳科技攻關(guān)基金資助項(xiàng)目(2012GGB01073)

作者簡(jiǎn)介:陳林林(1974-)，男，博士,講師。研究方向：電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)控制技術(shù)等。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.043

中圖分類號(hào)U469.72；TM912

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)07-151-05