電動(dòng)汽車充電站整流充電機(jī)損耗研究

鄧霞

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 佛山 528333）

電動(dòng)汽車充電站整流充電機(jī)損耗研究

鄧霞

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 佛山 528333）

整流充電機(jī)損耗研究對(duì)于新建電動(dòng)汽車充電站的充電機(jī)選型十分重要。建立電動(dòng)汽車充電站充電機(jī)損耗分析簡(jiǎn)化模型；依據(jù)6脈波、12脈波及PWM整流充電機(jī)的工作原理，給出充電全過程整流模塊及電路損耗數(shù)學(xué)模型；最后，依據(jù)廠商提供的元器件參數(shù)，分析三類充電機(jī)損耗情況，并給出電動(dòng)汽車充電站充電機(jī)選型原則。

充電機(jī)；6脈波整流；12脈波整流；PWM整流

隨著電動(dòng)汽車的大力推廣，作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的充電站在可預(yù)見的未來，數(shù)量將越來越多［1-2］。然而，電動(dòng)汽車充電站的充電機(jī)作為一類非線性負(fù)載［3］，其投入運(yùn)行所產(chǎn)生的損耗，對(duì)于監(jiān)測(cè)充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及能效評(píng)估有重要意義。常見的電動(dòng)汽車充電機(jī)模型主要有三類：6脈波整流充電機(jī)、12脈波整流充電機(jī)和PWM整流充電機(jī)［3-4］。從性能上看，各類型充電機(jī)均能實(shí)現(xiàn)整流功能，但是優(yōu)劣各有不同：不可控整流成本低，諧波含有量高；PWM整流諧波小，但是控制復(fù)雜、成本高。此外，不同類型充電機(jī)運(yùn)行所引起的損耗主要由開關(guān)管、二極管等開關(guān)器件的類型、參數(shù)和數(shù)量等因素決定。目前，已有多篇文章對(duì)逆變器的損耗進(jìn)行了分析［4-6］，對(duì)開關(guān)器件的研究也有較多［7-12］。然而，不同類型充電機(jī)由于結(jié)構(gòu)的區(qū)別，除整流模塊區(qū)別外，還可能包含阻抗等其他器件損耗，但現(xiàn)有研究對(duì)充電機(jī)整體損耗較少，未形成精確的電動(dòng)汽車充電機(jī)全過程損耗模型。本文基于廠商提供的器件特性參數(shù)，細(xì)致分析了充電機(jī)中各元器件的損耗特性，結(jié)合不同類型充電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，建立充電機(jī)損耗模型，通過實(shí)例對(duì)比分析充電機(jī)損耗大小，及各模塊損耗特點(diǎn)，最后，得出電動(dòng)汽車充電站充電機(jī)選型原則。

1　充電機(jī)簡(jiǎn)化模型

充電機(jī)的工作原理是由整流電路對(duì)輸入的三相交流電進(jìn)行整流，經(jīng)過濾波電路后，為高頻DC-DC功率變換電路提供直流輸入，全橋逆變電路輸出經(jīng)副邊整流濾波電路后，為電動(dòng)汽車蓄電池充電。充電機(jī)一般結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1　充電機(jī)的一般結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可見，充電機(jī)損耗主要包括三部分：線路阻抗損耗、三相整流電路損耗以及全橋逆變與副邊整流逆變電路損耗。

由于電動(dòng)汽車充電所需時(shí)間較長(zhǎng)，相對(duì)于工頻周期（0.02 s）來說，該過程中電壓電流是變化的，可用一個(gè)純電阻RL來近似模擬后續(xù)全橋逆變電路和副邊整流濾波電路［3，13］。RL的計(jì)算公式為

式中：UI、II、PI分別為高頻功率變換電路的輸入電壓、電流和功率；U0、I0、P0分別為充電機(jī)單元充電模塊的輸入電壓、電流和功率；η為全橋逆變電路及副邊整流逆變電路效率。

簡(jiǎn)化后的充電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，充電機(jī)的損耗簡(jiǎn)化成了線路阻抗損耗、三相整流損耗和等效電路損耗。

圖2　簡(jiǎn)化后的充電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

利用充電機(jī)充電參數(shù)可計(jì)算充電機(jī)輸出功率曲線PB（t）［4］，對(duì)于6脈波不控整流橋、12脈波不控整流橋、PWM整流橋，直流側(cè)輸出電壓為UB，利用R與充電機(jī)輸出功率曲線的關(guān)系：將式（1）簡(jiǎn)化為

由于不同類型充電機(jī)重點(diǎn)關(guān)注整流電路損耗及效率，因此，本文重點(diǎn)關(guān)注不同類型充電機(jī)的整流部分所產(chǎn)生損耗及輸電線路損耗。

2充電機(jī)中元器件損耗模型

本文建立的損耗模型包括了IGBT損耗模型、二極管損耗模型、線路損耗模型。其中，IGBT的損耗包括：開關(guān)損耗（開通和關(guān)斷損耗）、通態(tài)損耗、截止損耗和驅(qū)動(dòng)損耗，IGBT的正向截止損耗和驅(qū)動(dòng)損耗在總的損耗中比例較少，可以忽略不計(jì)；二極管的損耗包括：開通損耗、通態(tài)損耗、恢復(fù)損耗及截止損耗，其中二極管的開通損耗和截止損耗可以忽略不計(jì)［8］。

2.1IGBT損耗模型

1）通態(tài)損耗。

假若IGBT的通態(tài)電流為i，則一個(gè)工頻周期內(nèi)IGBT損耗可以表示為

式中，vCE（t）為IGBT在通態(tài)電流下的導(dǎo)通壓降；f0表示工作頻率；τ（t）為導(dǎo)通函數(shù)，當(dāng)器件開通時(shí)τ=1，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)τ=0；Φ為器件在一個(gè)工頻周期內(nèi)有效導(dǎo)通范圍。

對(duì)于帶快恢復(fù)二極管的IGBT，其通態(tài)電壓可近似描述為

式中，rce_25℃為IGBT在25℃是的額定通態(tài)電阻；vce_25℃為IGBT在25℃時(shí)的額定導(dǎo)通壓降；Tj_Tr為IGBT的實(shí)際結(jié)溫；Kr_Tr和Kv_Tr分別為溫度對(duì)IGBT通態(tài)電阻及導(dǎo)通壓降影響的溫度系數(shù)。

2）開關(guān)損耗。

設(shè)EswN、ErecN分別為額定直流電壓下IGBT的開關(guān)損耗和反向恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)損耗，對(duì)廠商提供的EswN-IC和ErecN-IC特性曲線用二次函數(shù)進(jìn)行擬合

式中，a、b、c為器件的擬合參數(shù)。由于PWM整流器的器件每次導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)刻不同，考慮結(jié)溫、驅(qū)動(dòng)電阻、直流電壓對(duì)損耗的影響，任意開關(guān)器件的開關(guān)損耗可以表示為

式中，ρ（Tvj）、k（Rg）分別為結(jié)溫系數(shù)和驅(qū)動(dòng)系數(shù)，Vdc為器件承受直流電壓；Vdcnom為額定直流電壓；Ts為開關(guān)周期；m為一個(gè)開關(guān)器件在一個(gè)工頻周期內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。

由式（3）、（6）可以得出IGBT在一個(gè)工頻周期內(nèi)總損耗

2.2二極管損耗模型

若二極管的通態(tài)電流為i（t），則其損耗模型為

式中，vF（t）為二極管在通態(tài)電流下得導(dǎo)通壓降；τ（t）為導(dǎo)通函數(shù)，當(dāng)器件開通時(shí)τ=1，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)τ=0；Φ為器件在一個(gè)工頻周期內(nèi)有效導(dǎo)通范圍。

器件的導(dǎo)通壓降可通過廠家提供用戶手冊(cè)求得

式中，rf_25℃為二極管25℃時(shí)的額定通態(tài)電阻；vf_25℃為二極管25℃時(shí)的額定導(dǎo)通壓降；Tj_D為二極管的實(shí)際結(jié)溫；Kr_D為溫度對(duì)通態(tài)電阻影響的系數(shù)；Kv_D為溫度對(duì)導(dǎo)通壓降影響的系數(shù)。

由式（8）可以得出二極管在一個(gè)工頻周期內(nèi)總損耗

2.3其他器件損耗

設(shè)整流器與變壓器的連接線路電阻為Rs，則其損耗模型為式中，i（t）為充電機(jī)工作過程的交流側(cè)電流值。

3　不同類型充電機(jī)損耗模型

3.16脈波不可控整流充電機(jī)損耗模型

6脈波整流充電機(jī)的仿真拓?fù)淙鐖D3所示，三橋臂結(jié)構(gòu)完全相同，每個(gè)橋臂由2個(gè)二極管串聯(lián)而成，直流側(cè)含有1個(gè)電容和1個(gè)電感。其交流側(cè)諧波次數(shù)主要為6k±1次，（k=1，2，3…）。三相不可控直流側(cè)電壓設(shè)定為514 V，濾波電感為1.5 mH，直流側(cè)電容為2 215 μF?？傻贸?脈波不可控整流充電機(jī)工作過程的總損耗為：

式中，PS_6為6脈波整流充電機(jī)的線路損耗。

圖3　6脈波不可控整流充電機(jī)仿真模型

3.212脈波不可控整流充電機(jī)損耗模型

12脈波整流充電機(jī)的仿真拓?fù)淙鐖D4所示，直流側(cè)含有3個(gè)電感，1個(gè)電容，其交流側(cè)諧波次數(shù)主要為12k±1次，（k=1，2，3…）。并聯(lián)了兩整流器，與6脈波不可控整流充電機(jī)相比，設(shè)置了兩個(gè)電抗器L1作為平衡電感，其值大約為0.2 mH。直流側(cè)電容、電感值選取與6脈波不可控整流相同，即：電感為1.5 mH，電容為2 215 μF?？梢缘贸?2脈波不可控整流充電機(jī)工作過程的總損耗為：

式中，PS_12為12脈波整流充電機(jī)的線路損耗。

圖4　12脈波不可控整流充電機(jī)仿真模型

3.3PWM整流充電機(jī)損耗模型

使用PWM整流充電機(jī)可以使得整流器網(wǎng)側(cè)電流正弦化，功率因數(shù)控制。圖5為常見的一種PWM整流的仿真拓?fù)?，其中，IGBT必須反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，起到緩沖PWM過程中的無功電能，直流側(cè)為1個(gè)電感和1個(gè)電容。直流側(cè)電壓控制700 V，選取直流側(cè)電容為2 215 μF，電感為1.5 mH。可以得出PWM整流充電機(jī)工作過程的總損耗為

式中，PS_PWM為PWM整流充電機(jī)的線路損耗。

圖5　PWM整流充電機(jī)等效電路

4　仿真算例

以9 kW充電機(jī)為例，設(shè)定充電機(jī)參數(shù)如下：充電機(jī)輸出最大電壓Uomax為75 V，輸出充電機(jī)最大電流Iomax為120 A，充電機(jī)輸出最大功率Pomax為9 kW，充電時(shí)間t為270 min。對(duì)于6脈波、12脈波、PWM整流器，已知其直流測(cè)輸出電壓為UB。

利用式（2）可得R與充電機(jī)輸出功率曲線的關(guān)系，進(jìn)而得到變阻R。然而計(jì)算所得的R為一個(gè)連續(xù)變化的非線性曲線，在實(shí)際試驗(yàn)過程中連續(xù)變化的參數(shù)不利于試驗(yàn)進(jìn)行，需要將其離散化。因此，根據(jù)計(jì)算所得的R曲線，將連續(xù)變化的R曲線離散化；充電總時(shí)間270 min，每10 min作為一個(gè)采樣點(diǎn)，確定一個(gè)電阻R值。將全部270 min時(shí)間劃分為27個(gè)時(shí)段，在每一個(gè)時(shí)段的最后時(shí)刻R的值，來代表這一段的所有R值。

4.1不同類型整流充電機(jī)仿真分析

1）6脈波不控整流充電機(jī)。

采用算例系統(tǒng)：當(dāng)充電機(jī)整流模塊為6脈波不可控整流結(jié)構(gòu)時(shí)，直流側(cè)電壓UB為514 V，功率因數(shù)為0.842 7，基波頻率為50 Hz，結(jié)溫為125℃。本文選取D255K作為整流二極管。

圖6所示是6脈波不控整流充電機(jī)在270 min充電過程中能耗分布圖，由圖可見，充電機(jī)在恒流充電階段，即由0時(shí)刻到150 min時(shí)刻能耗較高，該階段占充電過程能耗消耗總量的75.33%。在恒壓充電階段，即150 min時(shí)刻到270 min時(shí)刻能耗隨著時(shí)間的推移慢慢減少。該階段占充電過程能耗消耗總量的24.67%。其中在150 min左右，充電機(jī)的能耗最高。

圖6　6脈波不控整流器損耗曲線

2）12脈波不控整流充電機(jī)。

當(dāng)充電機(jī)整流模塊為12脈波不可控整流結(jié)構(gòu)時(shí)，直流電壓為514 V，功率因數(shù)為0.864 6，基波頻率為50 Hz。設(shè)定結(jié)溫為125℃。本文選取D255K作為整流二極管。

圖7所示是12脈波不控整流充電機(jī)在270 min充電過程中能耗分布圖，由圖可見，充電機(jī)在恒流充電階段，即由0時(shí)刻到150 min時(shí)刻能耗較高，該階段占充電過程能耗消耗總量的77.46%。在恒壓充電階段，即150 min時(shí)刻到270 min時(shí)刻能耗隨著時(shí)間的推移慢慢減少。該階段占充電過程能耗消耗總量的22.54%。其中在150 min左右，充電機(jī)的能耗最高。

圖7　12脈波不控整流換流器損耗曲線

3）PWM整流充電機(jī)。

當(dāng)充電機(jī)整流模塊為PWM整流結(jié)構(gòu)時(shí)，直流電壓為700 V，功率因數(shù)為0.986，基波頻率為50 Hz。設(shè)定溫度為125℃。本文選取FS50R12W2T4作為系統(tǒng)主電路的開關(guān)器件。

圖8所示是PWM整流充電機(jī)在270 min充電過程中能耗分布圖，由圖可見，充電機(jī)在整個(gè)充電過程中能耗分布較為平緩。

圖8　PWM整流器損耗曲線

4.2不同類型整流充電機(jī)能耗對(duì)比

圖9為不同類型整流換流器的損耗對(duì)比，可見：6脈波不控整流充電機(jī)在整個(gè)充電過程中能耗最大，損耗大約為23.238 2×10-3kWh；其次為12脈波不控整流充電機(jī)，其在整個(gè)充電過程損耗為10.608 8×10kWh；PWM整流充電機(jī)的損耗最低，其在整個(gè)充電過程中損耗約為4.183 4×10-3kWh。

圖9　不同類型整流換流器損耗對(duì)比

5　結(jié)論

1）本文基于廠商提供的器件特性參數(shù)，細(xì)致總結(jié)了充電機(jī)中各元器件的損耗特性，建立了IGBT、二極管等精確損耗模型，結(jié)合不同類型充電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，建立了充電機(jī)損耗模型，可為電動(dòng)汽車能量管理提供幫助。

2）本文分析了6脈波、12脈波和PWM整流器能耗，發(fā)現(xiàn)6脈波整流裝置損耗最大，PWM整流裝置損耗最小。此外，雖然6脈沖整流充電機(jī)成本較低，但由于其產(chǎn)生諧波電流較大，治理設(shè)備產(chǎn)生成本較高，因此可綜合考慮不同類型充電機(jī)諧波含有量及損耗量，以此決定新建電動(dòng)汽車站充電機(jī)選型。

［1］苗軼群，江全元，曹一家.考慮電動(dòng)汽車及換電站的微網(wǎng)隨機(jī)調(diào)度研究［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32（9）：18-24，39.

［2］李晶，姜久春.純電動(dòng)汽車充電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32（9）：13-17.

［3］李娜，黃梅.不同類型電動(dòng)汽車充電機(jī)接入后電力系統(tǒng)的諧波分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（1）：170-174.

［4］陳新琪，李鵬，胡文堂，等.電動(dòng)汽車充電站對(duì)電網(wǎng)諧波的影響分析［J］.中國(guó)電力，2008，41（9）：31-36.

［5］洪峰，單任仲，王慧，等.一種逆變器損耗分析與計(jì)算的新方法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（15）：72-78.

［6］吳銳，溫家良，于坤山，等.電壓源換流器開關(guān)器件損耗建模［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（21）：1-7.

［7］潘武略，徐政，張靜，等.電壓源環(huán)流器型直流輸電換流器損耗分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（21）：7-14.

［8］毛鵬，謝少軍，許澤剛，等.IGBT模塊的開關(guān)暫態(tài)模型及損耗分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（15）：40-46.

［9］KUANG S，WILLIAMS B W，F(xiàn)INNEY S J.A review of IGBT models［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2000，15（6）：1250-1265.

［10］劉軍娜，趙成勇，李廣凱.二極管箝位式三電平VSC損耗分析［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（4）：96-99.

［11］孟進(jìn)，馬偉明，張磊，等.基于IGBT開關(guān)暫態(tài)過程建模的功率變換器電磁干擾頻譜估計(jì)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（20）：16-20.

［12］SIBYLLE D，STEFFEN B，DIETMAR K.Power loss-oriented evaluation of high voltage IGBTs and multilevel converters in transformer less traction application ［J］.IEEE Trans.on Power Elect.，2005，20（6）：1328-1336.

［13］李娜.不同類型充電機(jī)組成充電站接入系統(tǒng)的諧波研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2010.

［責(zé)任編輯：吳卓］

Comparative Research on the Losses of Rectifying Chargers in Electric Vehicle Charging Station

DENG Xia
（School of Electronics and Information Engineering，Shunde Polytechnic，F(xiàn)oshan Guangdong 528333，China）

Comparative researches on different types of rectifying chargers are very important for the charger selection. The comparative mathematical models of the charger losses are established in this paper.Based on six-pulse rectifier，twelve-pulse rectifier and PWM rectifier，the loss model of the whole charging process is presented.Finally，according to the component parameters provided by manufacturers，the loss levels of the three-type chargers are compared，and the selection principle of rectifying chargers is summarized.

the charger；six-pulse rectifier；twelve-pulse rectifier；PWM rectifier

TM910.6

A

1672-6138（2016）03-0018-05

10.3969/j.issn.1672-6138.2016.03.004

2016-04-06

廣東省高等職業(yè)教育品牌專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（2016gzpp139）。

鄧霞（1984—），女，湖南益陽(yáng)人，碩士，研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)、電能質(zhì)量控制。