電動(dòng)汽車集成式充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉洪世　黃小洪　秦健璇　鄧海文　黃祖朋

【摘? 要】車載充電系統(tǒng)是電動(dòng)汽車進(jìn)行能量交換必不可少的零部件之一，性能良好的車載充電系統(tǒng)對于電動(dòng)汽車的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。本文提出一種集成式充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和拓?fù)?，通過樣機(jī)驗(yàn)證其性能完全滿足行業(yè)指標(biāo)要求，且成本和體積具有十分顯著的優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車；集成式；車載充電系統(tǒng)；OBC；DC/DC

中圖分類號(hào)：U469.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）06-0033-03

Design and Application of Integrated Charging System for Electric Vehicle*

LIU Hong-shi，HUANG Xiao-hong，QIN Jian-xuan，DENG Hai-wen，HUANG Zu-peng

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Guangxi Key Laboratory of

Automobile Four New Feature，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】Vehicle-mounted charging system is one of the essential parts for the energy exchange of electric vehicles. The vehicle-mounted charging system with good performance plays a vital role in the development of electric vehicles. In this paper，the structure and topology selection of an integrated charging system are proposed，and a prototype is made to verify that its performance fully meets the requirements of industry indicators，and has significant advantages in cost and volume.

【Key words】electric vehicles；integrated；vehicle charging system；OBC；DC/DC

新能源汽車以能源利用率高、污染少、出行使用成本低等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)主流的發(fā)展方向。中國在2012年6月國務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020）》中明確指出了電動(dòng)汽車、插電式/增程式混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車作為未來重要發(fā)展方向[1]。

對于純電動(dòng)汽車而言，動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源，動(dòng)力電池的充電技術(shù)是發(fā)展電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。設(shè)計(jì)一套良好的充電系統(tǒng)不僅能夠保證充電安全、提升時(shí)間效率，還能有效延長電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程和動(dòng)力電池的使用壽命。當(dāng)前市場，電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)中車載單體分布式、集成式或非車載式等多技術(shù)路線并存，隨著電動(dòng)汽車對可靠性、高效性、輕量化等有了更高的要求，集成式的充電系統(tǒng)越來越受青睞。

本文設(shè)計(jì)了一種車載集成式充電系統(tǒng)，其分別集成了車載充電機(jī)（On-Board Charger，OBC）、DC/DC變換器、高壓配電盒等電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件。該集成方案顯著減少汽車體積和質(zhì)量，節(jié)約成本，同時(shí)充電也非常方便，在搭鐵良好的情況下只要有220V交流電就能充電，并且能兼容市場上幾乎所有的交流充電樁（非標(biāo)樁除外）。

1? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

集成式充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)將車載充電機(jī)、直流/直流變換器（DC/DC Converter，DC/DC）和電動(dòng)汽車的高壓配電盒（Power Distribution Unit，PDU）進(jìn)行集成。車載充電機(jī)部分采用當(dāng)前主流的兩極結(jié)構(gòu)，即前級(jí)用的是帶有有源功率因素矯正（APFC）的Boost型交流轉(zhuǎn)直流（AC/DC Converter，AC/DC）矯正模塊，其可提高輸入的功率因數(shù)和抑制高次諧波，使總諧波的失真較小，再經(jīng)過第2級(jí)使用隔離與調(diào)壓的DC/DC變換模塊，最后進(jìn)行整流濾波后輸出電能給動(dòng)力電池進(jìn)行充電。這種結(jié)構(gòu)能有效抑制輸入電流的諧波，對電網(wǎng)的污染較小，可實(shí)現(xiàn)低諧波高功率因數(shù)的需求，同時(shí)又可為負(fù)載提供一個(gè)寬輸出電壓范圍、低紋波、高品質(zhì)的直流電，具有寬負(fù)載范圍充電、高功率密度、高效率和高可靠性的特點(diǎn)。

車載DC/DC變換器通過其直流（DC）輸入部分與車載充電機(jī)的輸出部分進(jìn)行并聯(lián)集成，充電時(shí)可直接取OBC的電能供給DC/DC變換器工作，車輛上高壓時(shí)可直接將動(dòng)力電池的電能通過PDU配電到DC輸入端，供其正常工作輸出。該DC/DC變換器的輸入前級(jí)巧妙地利用Boost升壓電路，將寬范圍的輸入電壓調(diào)節(jié)為穩(wěn)定電壓，作為后級(jí)電路的輸入；后級(jí)使用移相全橋加同步整流電路，從而可實(shí)現(xiàn)在整個(gè)工作范圍內(nèi)主開關(guān)管零電壓開通。PDU在電動(dòng)汽車中的作用是給各高壓電器進(jìn)行電能配送或相關(guān)控制的功能模塊。

2? 集成式充電系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)

2.1? APFC主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1? APFC工作原理[2]

APFC電路主要由抑制電路和Boost升壓電路構(gòu)成，對充電機(jī)的交流輸入電流進(jìn)行功率校正，對于單相輸入一般PFC電路輸出的直流電壓在350～400V之間。利用功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流的波形完全跟蹤交流輸入電壓的波形呈純正弦波形，并且和輸入電壓同相位。本文采用平均電流法控制進(jìn)行功率因數(shù)校正，可使電路的失真率達(dá)到最小，能夠更好地抑制電路的諧波電流的波動(dòng)，并且可以采用連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）和非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）。用該控制方法控制的APFC輸入電流波形如圖2所示。

針對采用平均電流控制的升壓型APFC電路，一般需要對輸入電壓、電感電流和輸出電壓進(jìn)行同時(shí)檢測，其控制框圖如圖3所示[3]?？刂瓶驁D中，主要由電壓外環(huán)電路和電流表內(nèi)環(huán)電路構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)電路主要提供電壓控制信號(hào)，經(jīng)過乘法器運(yùn)算后作為內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)，并與輸入電流進(jìn)行比較，而后進(jìn)入電流內(nèi)環(huán)電路，然后再輸出PWM波的電壓信號(hào)控制功率MOS開關(guān)管的通斷來調(diào)整電流波形，使輸入電流波形緊跟輸入電壓波形。

2.1.2? APFC的主電路結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

該電路拓?fù)渲饕韵聨讉€(gè)部分。

1）輸入過流保護(hù)熔斷器，用于防止充電時(shí)輸入電流過大而損壞后級(jí)電路。

2）EMI抑制電路，主要由X電容、Y電容和共模電感等元器件組成，用于防止充電時(shí)充電機(jī)與電網(wǎng)之間的諧波影響，防止污染電網(wǎng)，目的是濾除所有電磁干擾對系統(tǒng)電路和其他電氣設(shè)備之間的影響。

3）軟啟/預(yù)充電路，用于防止輸入電路在上電瞬間沖擊及浪涌電流過大而導(dǎo)致熔斷器、電容器、整流橋等電路元件損壞或影響其使用壽命，以保證充電系統(tǒng)能夠正常工作運(yùn)行。

4）整流電路，主要由整流橋組成，用于將交流市電轉(zhuǎn)變?yōu)檎野氩ㄖ绷麟姟?/p>

5）基于Boost升壓型的有源功率因素校正（APFC）電路，主要由PFC電感、電容、電阻、二極管、功率MOS開關(guān)管組成，用于直流升壓和電流的相位跟隨電壓調(diào)整，以及為后級(jí)的LLC全橋變換電路提供穩(wěn)定可靠的直流電能。同時(shí)Boost電路將電壓升高后的優(yōu)勢是能夠降低同功率下的電流，從而降低電路損耗和發(fā)熱量，提高轉(zhuǎn)換效率[3]。其主電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.2? LLC諧振變換模塊設(shè)計(jì)

對于電動(dòng)汽車的OBC模塊而言，其PFC電路后級(jí)的變換電路中當(dāng)前主流的方案是移相全橋直流變換器和LLC串聯(lián)諧振全橋變換器。鑒于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池組的充電特性和充電系統(tǒng)高效率、大功率的應(yīng)用要求，本文選擇LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器的拓?fù)浞桨?，因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)[4]。

1）可以增大開關(guān)頻率來減小無源器件體積，提高功率密度。

2）在全負(fù)載范圍內(nèi)功率開關(guān)管都能實(shí)現(xiàn)ZVS零電壓開通，極大地降低了開關(guān)損耗。

3）副邊的整流二極管能實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷，且不存在反向恢復(fù)問題。

4）電壓調(diào)節(jié)性能好，通過變壓器可以進(jìn)行電氣隔離和升降壓變換，輸出電壓寬范圍。

5）能夠更好地實(shí)現(xiàn)在恒流-恒壓（CC-CV）模式的寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效運(yùn)行。

LLC串聯(lián)諧振全橋變換器的主電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5中的Q₁～Q₄為功率MOS開關(guān)管，構(gòu)成全橋逆變電路，Q₁和Q₄為一組，Q₂和Q₃為一組，兩組開關(guān)交替導(dǎo)通。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比取49%，小于但接近于50%，目的是在逆變橋臂切換的過程中保留一定的死區(qū)。D₁～D₄和C₁～C₄為MOS管的寄生二極管和寄生電容，D₄和D₅為副邊的整流二極管。諧振電感L_r、諧振電容C_r和勵(lì)磁電感L_m構(gòu)成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，C_f為濾波電容，原、副邊通過高頻變壓器進(jìn)行電氣隔離。當(dāng)開關(guān)頻率fs滿足f_r＜f_s＜f_m時(shí)[5]，即可實(shí)現(xiàn)原邊主開關(guān)管ZVS導(dǎo)通和副邊整流二極管的ZCS關(guān)斷工作。并且該部分電路采用基于DSP數(shù)字控制的PFM+PWM控制模式[6]，即在寬范圍輸出電壓的低壓輕載段（高頻段）采用PWM控制，在高壓輸出和負(fù)載大電流輸出的區(qū)段（低頻段）又切換為PFM控制，該控制方式可以良好地調(diào)節(jié)輸出電壓的作用。

3? 集成式充電系統(tǒng)DC/DC模塊電路設(shè)計(jì)

由于本文中DC/DC變換器模塊的功能及作用是為電動(dòng)汽車的低壓蓄電池進(jìn)行恒壓充電，即為整車低壓電器及控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。在當(dāng)前新能源乘用車領(lǐng)域，低壓蓄電池一般都采用的是鉛酸蓄電池或鋰電池方案，但由于成本、安全、空間布置等因素，市場主流基本采用標(biāo)稱電壓為12V鉛酸蓄電池方案，結(jié)合鉛酸電池的充電特性及14V恒壓輸出的供電模式。本文將采用與前述的OBC中LLC變換電路中不同的一種電路拓?fù)?，即帶鉗位二極管的移相全橋變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6中，電感L₁、開關(guān)管Q₁、二極管D₁和電容C₂共同組成一個(gè)典型的Boost升壓電路環(huán)節(jié)，其作用是為移相全橋逆變電路的輸入級(jí)電路提供一個(gè)更加穩(wěn)定的輸入，讓輸入電壓的范圍更大，能更好地應(yīng)對電動(dòng)汽車復(fù)雜的工況變化。Q₂～Q₅為功率MOS開關(guān)管，構(gòu)成全橋逆變電路，并通過高頻變壓器T進(jìn)行隔離降壓變換至副邊側(cè)，再通過Q₆～Q₇MOS管進(jìn)行同步整流成14V低壓直流電；L_f和C_f構(gòu)成副邊整流側(cè)的L_C濾波電路；L_r為諧振電感，輕載時(shí)也能實(shí)現(xiàn)ZVS功能；D₂～D₃為鉗位二極管；C_b為隔直電容，防止變壓器磁飽和作用。綜上可得出圖6的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)移相全橋電路具有以下優(yōu)點(diǎn)[7]。

1）具有更寬的輸入電壓范圍，穩(wěn)定性更高。

2）即使輕載時(shí)，滯后橋臂也能實(shí)現(xiàn)ZVS。

3）在原邊側(cè)增加鉗位二極管，可以抑制副邊整流管的電壓振蕩，減少反向恢復(fù)損耗，同時(shí)又不增加額外損耗。

4）副邊側(cè)使用MOS管替代二極管，可以降低導(dǎo)通損耗，提高整機(jī)效率。

4? 樣機(jī)驗(yàn)證

4.1? 臺(tái)架測試

本文根據(jù)上述的方案制作出了一臺(tái)3.3kWOBC+1.0kWDC+PDU的充電系統(tǒng)樣機(jī)（圖7）進(jìn)行測試，測得在額定功率下功率因數(shù)≥0.996，OBC輸出功率≥0.95，DC轉(zhuǎn)換效率≥0.93（表1），滿足并優(yōu)于國標(biāo)及行業(yè)普遍要求。

4.2? 實(shí)車充電驗(yàn)證

將該樣機(jī)進(jìn)行實(shí)車充電驗(yàn)證，由圖8可知，測試的結(jié)果滿足動(dòng)力電池的恒流-恒壓充電曲線，在整個(gè)滿充過程中，充電前期基本都是恒功率輸出，隨著輸出電壓的逐步上升，輸出電流也跟著反比下降，到充電末期進(jìn)入涓流充電，直至充滿后停止。

5? 結(jié)論

本文深入研究了集成式車載充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和主電路拓?fù)?，將OBC、DC/DC和PDU進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，其中OBC模塊采用APFC+LLC主電路拓?fù)?，DC/DC變換器模塊采用移相全橋+同步整流電路。通過實(shí)施該方案制作樣機(jī)并測試，測得集成式車載充電系統(tǒng)在額定功率下系統(tǒng)功率因素≥0.996，OBC輸出功率≥0.95，DC轉(zhuǎn)換效率≥0.93，證明了該集成式車載充電系統(tǒng)具有高效節(jié)能的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張厚明，赫榮亮，周禛. 電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢展望與對策[J]. 中國國情國力，2019（6）：61-64.

[2] 陳麗穎，張煜麗，楊倩，等. 電動(dòng)汽車車載充電系統(tǒng)的優(yōu)化研究[J]. 齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，33（1）：48-50，57.

[3] 王虎，高桂芬. 電動(dòng)汽車車載充電機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，39（4）：356-361.

[4] 趙文輝，沈艷霞. 電動(dòng)汽車車載充電機(jī)拓?fù)溲芯烤C述[J]. 控制工程，2019，26（1）：29-36.

[5] 許杰，馬小三. LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述[J]. 西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，25（1）：10-18.

[6] 包爾恒，鄭大成，何玲. LLC諧振變換器PFM+PWM混合控制方法研究[J]. 電子器件，2022，45（1）：102-105.

[7] 金寧治，俄立明，馬騰，等. 電動(dòng)汽車車載移相全橋變換器改進(jìn)研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2021，25（9）：70-77.

（編輯? 楊凱麟）