基于LLC變換器的電動(dòng)汽車充電機(jī)設(shè)計(jì)

張 濤 朱小平

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311112）

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基于LLC變換器的電動(dòng)汽車充電機(jī)設(shè)計(jì)

張 濤 朱小平

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311112）

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車應(yīng)用的核心技術(shù)之一，應(yīng)用中需要進(jìn)行充放電管理，充電機(jī)可以把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，為?dòng)力電池補(bǔ)充能量；本文介紹了一種基于LLC變換器的電動(dòng)汽車充電機(jī)設(shè)計(jì)方法，LLC諧振電路充電機(jī)工作在諧振頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS和ZCS，降低開關(guān)應(yīng)力，減小了開關(guān)損耗，提高了充電效率；通過分析LLC諧振電路的工作特點(diǎn)，研究變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)原理，并根據(jù)分析，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果。

LLC諧振；直流-直流變換器；電動(dòng)汽車

我國(guó)的動(dòng)力電池的充電方式一般分為3種：車載充電機(jī)充電、外置普通充電機(jī)充電、外置快速充電機(jī)充電[1-3]。在這3種充電形式中，外置快速充電技術(shù)以其高功率、大電流、高效率、高可靠的技術(shù)要求成為研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在電動(dòng)汽車的推廣過程中，大眾普遍擔(dān)心的問題之一就是充電問題。電動(dòng)汽車和續(xù)航里程和電池的容量相關(guān)，而電池的能量要靠充電機(jī)的持續(xù)充電完成；對(duì)于一般充電，其充電時(shí)間需要5～10h，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度極大的限制了電動(dòng)汽車的使用便捷性；因而開發(fā)充電時(shí)間在20min以內(nèi)的快速充電技術(shù)，是電動(dòng)汽車發(fā)展中必須解決的問題。

快速充電機(jī)目前普遍采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，本文將介紹基于LLC諧振變換的電動(dòng)汽車充電機(jī)直流-直流變換電路，該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)。

1　LLC諧振變換充電機(jī)特點(diǎn)

傳統(tǒng)PWM變換器是一種硬開關(guān)技術(shù)，其功率開關(guān)管開通或關(guān)斷時(shí)，器件上的電壓或電流不等于零，即存在開關(guān)損耗。隨著工作頻率增加，開關(guān)損耗也隨著增加，這就限制了硬開關(guān)變換器的最高工作頻率。諧振變換器是最早提出的軟開關(guān)變換器。

LLC諧振變換器是從SRC發(fā)展過來的。實(shí)際上，采用變壓器隔離的 SRC變換器[4-7]，變壓器的勵(lì)磁電感就相當(dāng)于在傳統(tǒng)SRC變換器上增加了一個(gè)與負(fù)載并聯(lián)的電感，如圖1所示。

當(dāng)LLC-SRC工作在高于諧振頻率fr處，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)一個(gè)開關(guān)周期的工作過程可分為8個(gè)階段，其工作波形和階段如圖2所示。各電流的參考方向如圖1所示，圖1中標(biāo)的是電流的實(shí)際流向。

圖1　LLC諧振變換器的原理圖

圖2　LLC諧振變換器高于諧振頻率時(shí)的工作波形

當(dāng)t=t1，副邊電流開始從負(fù)變正，二極管D2截止，D1導(dǎo)通續(xù)流，原邊電壓被箝位在nVO，勵(lì)磁電感不參與諧振，勵(lì)磁電流開始線性增加。原邊諧振電流還是為負(fù)，繼續(xù)通過Q1的寄生二極管續(xù)流。當(dāng)t=t2時(shí)，諧振電流到零，該過程結(jié)束。Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)要在諧振電流過零前施加，這樣才能實(shí)現(xiàn)ZVS。同樣的道理，在t=t4時(shí)，Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)在來臨之前，Q2上的電壓已經(jīng)降為零，可以實(shí)現(xiàn)ZVS。

2　LLC諧振變換器充電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池的充電過程為“恒流/恒壓”方式，充電開始為恒流充電過程，電池容量快充滿時(shí)，采用恒壓充電模式，防止電池過充；在恒流模式中，電池的充電電流固定，但電池電壓也是緩慢上升的，這要求LLC直流變換器具有較好的調(diào)壓功能，本文采用半橋式LLC變換電路，通過變壓器調(diào)整電壓的變比，以實(shí)現(xiàn)高壓輸出；LLC-SRC要設(shè)計(jì)的參數(shù)比較多，并且與變換器的工作狀態(tài)有很大關(guān)系，尤其是輸入電壓范圍和輸出功率范圍。要設(shè)計(jì)好參數(shù)，就要了解變換器的工作場(chǎng)合，以及各參數(shù)對(duì)電路性能的影響情況。在設(shè)計(jì)中要考慮的主要是輸入輸出電壓的范圍，最大輸出功率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能等指標(biāo)。

2.1變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

變壓器匝比主要根據(jù)輸入輸出電壓的關(guān)系和LLC變換器的增益設(shè)定確定，充電機(jī)的輸入電壓一般由PFC電路決定，是系統(tǒng)的直流母線電壓，比較恒定，輸出電壓是電池的充電電壓，由電池特性決定，在LLC半橋變換器中，變換器增益主要由開關(guān)頻率決定，系統(tǒng)的工作狀態(tài)將發(fā)生改變，具體如圖3所示。

圖3　LLC變換器輸出增益曲線

根據(jù)LLC半橋電路的工作特性可知，工作頻率等于諧振頻率時(shí)，軟開關(guān)環(huán)境最好，因此，我們根據(jù)磷酸鐵鋰電池的工作電壓曲線，鋰電池有個(gè)充電平臺(tái)，充電過程中，電壓基本不變，所以在LLC變換器充電系統(tǒng)中，把電池充電平臺(tái)的電壓設(shè)定為諧振頻率，這樣充電機(jī)將獲得最優(yōu)的工作效率。

因此變壓器的匝比計(jì)算中，變換器的增益可以設(shè)定為1，可知

2.2勵(lì)磁電感和諧振電感參數(shù)設(shè)計(jì)

勵(lì)磁電感與諧振電感的比值k是LLC-SRC有別于傳統(tǒng)SRC的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。k值的引入，會(huì)在低于諧振頻率fr時(shí)會(huì)出現(xiàn)增益大于1的區(qū)間，增加了SRC實(shí)現(xiàn)ZVS的區(qū)間，使得變換器可以在高輸入電壓下得到優(yōu)化；其次增加了輕載時(shí)增益曲線的斜率，降低了輕載時(shí)的工作頻率，能夠在空載時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，控制變得容易；最后，利用勵(lì)磁電感上的能量，可以使得SRC在輕載時(shí)也能實(shí)現(xiàn)ZVS。首先確定最低增益，由下式獲得

計(jì)算最低增益：

滿足變換器能在最高工作頻率時(shí)獲得穩(wěn)定的輸出增益，可以得到

式中，fmax為系統(tǒng)最高工作頻率。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)分析建立一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)磷酸鐵鋰電動(dòng)汽車小型汽車規(guī)格輸出電壓等級(jí)正常值為 360V DC，輸出電壓范圍：300V DC～400V DC；輸入電壓為前級(jí)PFC的輸出，電壓穩(wěn)定在380V DC～400V DC值之間，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的輸出功率為 3000W，根據(jù)前面分析的設(shè)計(jì)依據(jù)，諧振參數(shù)設(shè)計(jì)首先要滿足輸入輸出電壓要求，其次再考慮盡可能提高效率。因?yàn)殡妱?dòng)汽車充電機(jī)比較關(guān)注平臺(tái)電壓 360V輸出時(shí)的效率，所以最好是將390V DC～360V DC時(shí)的增益曲線落在諧振頻率 fr附近，以優(yōu)化該工作條件下的效率。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)選擇如下：這樣變壓器原副邊的匝比初步定為

式中，Vfd是輸出二極管的正向壓降（forward drop），假設(shè)為1V。

諧振頻率：fr=500kHz

最低工作頻率：fsmin=300kHz

最高工作頻率：fsmax=700kHz

工作頻率，應(yīng)用 AP法計(jì)算，變壓器鐵芯材料選擇3F35，規(guī)格選用EE42/21/20。

變壓器實(shí)際匝比選為

根據(jù)輸出電壓增益、空載穩(wěn)定條件以及ZVS條件，選取

據(jù)電LLC諧振可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)得類型是零電壓開通和零電流關(guān)斷（ZVS和 ZCS），開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示，可見在開關(guān)管開通前，Vds已經(jīng)下降為零，通過輸出整流管電流和諧振電流可知開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電流下降接近于零。

圖4　諧振工作驅(qū)動(dòng)和電流波形

LLC變換器的驅(qū)動(dòng)波形如圖5所示。

圖5　開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形

充電機(jī)的輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)，一般工作在恒流模式，設(shè)定 360V的輸出為諧振點(diǎn)，所以輸出效率最高點(diǎn)出現(xiàn)在 360V的輸出，不同輸出電壓的功率曲線如圖6所示。

圖6　不同輸出電壓的輸出效率圖

4　結(jié)論

本文根據(jù)電動(dòng)汽車充電機(jī)的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)基于LLC諧振變換器充電機(jī)；通過分析LLC諧振變換器的工作特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)ZVS-ZCS的，研究了諧振變換充電機(jī)的變壓器參數(shù)和諧振電感等參數(shù)的設(shè)計(jì)方法；通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了LLC諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了高效率的輸出，降低了開關(guān)損耗。

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The Design of EV Charger based on LLC Converter

Zhang Tao Zhu Xiaoping
(Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112)

The power battery is one of the core technology of the electric vehicle application, the application need to charge and discharge management, the EV charger can turn AC to DC, added to the power battery energy; This paper introduce the design method of EV charger based on LLC converter; LLC resonant circuit charger work at resonant frequency to achieve ZVS and ZCS, reduces the switch voltage stress, the switching loss is reduced, and improve the charging efficiency; through the analysis of the working characteristics of the LLC resonant circuit, parameter design principle of the converter is studied and according to the analysis design prototype test, and obtain a better test results.

LLC resonant circuit; dc-dc converter; electric vehicle

張 濤（1980-），男，碩士研究生，工程師，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)方面的研究。

浙江省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（2014T10）