電動(dòng)汽車車載充電機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

王 虎, 高桂芬

(上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術(shù)中心， 廣西 柳州 545007)

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，機(jī)動(dòng)車輛數(shù)量急速上升，人類對(duì)能源的需求也越來(lái)越大，而石油、天然氣等非可再生資源隨著持續(xù)消耗日益呈現(xiàn)短缺，同時(shí)帶來(lái)了環(huán)境污染、生態(tài)破壞等嚴(yán)峻問(wèn)題，這一矛盾促使發(fā)展新型、潔凈、可再生能源成為必然趨勢(shì)。電動(dòng)汽車以零污染、能源利用率高，以及夜晚充電有助于平復(fù)電網(wǎng)峰谷差、減少谷電浪費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)成為了新能源汽車發(fā)展的主流。

充電機(jī)是將交流市電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池需求電能的關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)位置不同可分為非車載充電機(jī)與車載充電機(jī)，非車載充電機(jī)一般安裝在充電站等固定位置，可對(duì)多種動(dòng)力電池充電，但限制了電動(dòng)汽車的活動(dòng)范圍，不具有便利性；車載充電機(jī)安裝在電動(dòng)汽車上，匹配動(dòng)力電池，具有針對(duì)性與高效性，只要有220 V交流市電插座即可充電，大大提高了充電便利性，因此市場(chǎng)應(yīng)用更為廣泛[1]。

文中提供了一種車載充電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，闡明了工作原理與控制方式，并進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試。

1 車載充電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車載充電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛的是前后兩級(jí)功率架構(gòu)，即前級(jí)AC/DC整流校正模塊，后級(jí)DC/DC隔離調(diào)壓模塊。根據(jù)前級(jí)是否進(jìn)行功率因數(shù)校正(PFC)可將車載充電機(jī)分為兩種:

1)不進(jìn)行功率因數(shù)校正的結(jié)構(gòu)，將電網(wǎng)的交流電經(jīng)過(guò)整流電路與濾波穩(wěn)壓電路后轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)過(guò)DC/DC隔離變換器轉(zhuǎn)換為將電能變換成可以對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的電能。這種結(jié)構(gòu)因功率因數(shù)無(wú)保證，使用時(shí)無(wú)功功率較大，如果整機(jī)功率設(shè)計(jì)較大勢(shì)必對(duì)電網(wǎng)有較大污染，甚至造成不穩(wěn)定影響。因此，該結(jié)構(gòu)多用于低成本、低功率、小型化的充電機(jī)，通常適用于鉛酸電池的充電[2]。

2)結(jié)構(gòu)在整流電路模塊加入功率因數(shù)校正(PFC)電路，其可提高輸入的功率因數(shù)并抑制高次諧波，再經(jīng)過(guò)第二級(jí)為DC/DC 變換器，將電能變換為可以對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的電能。這種結(jié)構(gòu)對(duì)電網(wǎng)污染小，能實(shí)現(xiàn)低諧波和高功率因數(shù)的需求，滿足安全要求，一般體積會(huì)較大，成本較高，通常應(yīng)用于高功率大容量的充電系統(tǒng)[3]。電動(dòng)車車載充電機(jī)是直接接電網(wǎng)大功率的電力電子設(shè)備，對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的影響及電氣安全隔離問(wèn)題需要重點(diǎn)考慮，因此,文中設(shè)計(jì)采用第二種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載充電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 車載充電機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主功率電路設(shè)計(jì)

2.1.1 AC/DC整流校正模塊設(shè)計(jì)

AC/DC整流模塊主要包括以下幾個(gè)部分：

1)輸入過(guò)流保護(hù)熔斷器。用于防止充電輸入電流過(guò)大損害后級(jí)電路。

2)電磁干擾(EMI)抑制電路。用于防止充電機(jī)與電網(wǎng)之間的諧波相互影響，主要由X電容、Y電容和共模電感組成。

3)軟啟動(dòng)電路。用于防止由自啟動(dòng)和雷電浪涌過(guò)電壓、過(guò)電流損害后級(jí)電路。

4)整流電路。用于將交流市電轉(zhuǎn)變正弦半波直流電，主要由整流二極管組成。

5)基于BOOST電路的有源功率因數(shù)校正(APFC)電路。用于直流升壓與電壓電流相位差調(diào)整，主要由電感、開(kāi)關(guān)管、二極管及電容組成。

交流市電經(jīng)過(guò)以上電路為后級(jí)DC/DC隔離電路提供穩(wěn)定可靠的直流電[4]。

該部分電路中有源功率因數(shù)校正(APFC)電路為主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)，BOOST電路可將電壓升高，降低同功率下的電流，從而降低電路損耗與發(fā)熱量[5]。通過(guò)計(jì)算輸出電壓、輸入電流采樣值相位偏差控制開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，使輸入的正弦半波電流與電壓相位相同，從而降低對(duì)電網(wǎng)造成的無(wú)功功率損耗。升壓電感可作為濾波器抑制干擾噪聲，還可防止電網(wǎng)浪涌電流的高頻瞬態(tài)沖擊[6]。

電路原理如圖2 所示。

圖2 基于BOOST電路APFC電路圖

2.1.2 DC/DC隔離調(diào)壓模塊設(shè)計(jì)

DC/DC隔離調(diào)壓模塊的作用有兩條，一是實(shí)現(xiàn)輸入輸出電氣隔離；二是調(diào)節(jié)直流電壓到動(dòng)力電池需求的電壓。全橋拓?fù)浼婢咻^高的功率密度和功率傳輸能力，因而被廣泛采用為DC/DC 變換器拓?fù)?，DC/DC變換器的運(yùn)行效率對(duì)車載充電機(jī)總體效率起著決定性作用，因此控制變換器開(kāi)關(guān)器件運(yùn)行在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)以降低開(kāi)關(guān)損耗，是保證車載充電機(jī)總體效率的關(guān)鍵。

移相全橋直流變換器和LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器是目前最常見(jiàn)的DC/DC變換器全球拓?fù)?。前者有寬輸?寬輸出范圍、低輸出紋波等優(yōu)點(diǎn)，但存在輕載時(shí)難于實(shí)現(xiàn)滯后橋臂零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)、副邊整流二極管存在反向恢復(fù)等問(wèn)題[7]；后者有高效率、全負(fù)載范圍實(shí)現(xiàn)ZVS 軟開(kāi)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，但存在諧振電感變壓器設(shè)計(jì)較難、難實(shí)現(xiàn)寬輸入和寬輸出范圍等問(wèn)題。鑒于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組充電的特殊應(yīng)用需求，LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器能更好地實(shí)現(xiàn)在恒流- 恒壓(CC-CV)寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效運(yùn)行，是文中選擇的設(shè)計(jì)方案。

LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器電路如圖3所示。

圖3 LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器電路圖

MOS管T1～T4構(gòu)成全橋逆變電路，工作時(shí)分為兩組， T1、T4為一組，T2、T3為一組，每組為同一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，兩組驅(qū)動(dòng)信號(hào)相反，即一組導(dǎo)通時(shí)，另一組關(guān)斷，在切換過(guò)程驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間保留一定死區(qū)，所以驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比小于但接近50%。D1～D4為MOS管的寄生二極管，Lr諧振電感、Cr諧振電容、Lm激磁電感與二次側(cè)反射過(guò)來(lái)的負(fù)載共同組成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，D5、D6構(gòu)成全波整流電路，Cf為濾波電容[8]。

2.2 控制與保護(hù)電路設(shè)計(jì)

控制與保護(hù)電路主要包括信號(hào)采集、邏輯運(yùn)算、驅(qū)動(dòng)輸出三部分，對(duì)采集電路相關(guān)位置的電流與電壓信號(hào)，按照設(shè)定的邏輯運(yùn)算，輸出對(duì)相應(yīng)開(kāi)關(guān)管與繼電器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行高效、智能的充電與保護(hù)控制。由于該部分電路較為簡(jiǎn)單，文中不再對(duì)此進(jìn)行贅述。

2.3 輔助電源與通訊電路設(shè)計(jì)

輔助電源電路為車載充電機(jī)內(nèi)部低壓電路如控制芯片、通訊結(jié)構(gòu)等提供低壓電源，包括24、12、5、3.3、1.8 V等多種電壓值供電電源，是將220 V交流電轉(zhuǎn)化為低電壓的低功率整理調(diào)壓電路。車載充電機(jī)需求的低壓電源是從220 V交流電轉(zhuǎn)換，而不是從整車12 V低壓蓄電池轉(zhuǎn)換，這樣設(shè)計(jì)符合車載充電機(jī)只有在充電時(shí)才工作的工況需求，避免了對(duì)整車靜態(tài)電流與CAN總線負(fù)荷率的負(fù)面影響。

CAN-BUS 通信主要是車載充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)(BMS)及整車控制單元(VCU)之間的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電操作上下電邏輯執(zhí)行及對(duì)BMS電池特性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而選擇最優(yōu)的電池充電曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池進(jìn)行高效快速充電。CAN 通訊接口電路也是比較成熟通用型電路，詳細(xì)電路如圖4所示。

圖4 CAN通訊接口電路

3 車載充電機(jī)控制系統(tǒng)

3.1 車載充電機(jī)充電控制方式

為了提高動(dòng)力電池的循環(huán)使用壽命與電池組的充電效率，充電方式必須符合動(dòng)力電池的充電特性，其中恒功率-恒流-恒壓方式充電策略應(yīng)用最為廣泛，即充電機(jī)工作時(shí)以額定功率或不超過(guò)額定功率工作，充電前期輸出電壓高出負(fù)載動(dòng)力電池固定壓差，從而保持恒流充電，充電后期輸出電壓隨著負(fù)載動(dòng)力電池電壓上升達(dá)到上限值后不再上升，維持恒定電壓輸出，即恒壓模式，而動(dòng)力電池作為充電機(jī)的負(fù)載也逐漸由滿載拉載變?yōu)榭蛰d，充電電流同步下降，直至充電結(jié)束。此外，當(dāng)充電機(jī)輸出電壓達(dá)到限壓值前如果功率達(dá)到了額定功率值，充電電流也要下降，以保證電壓能繼續(xù)上升及功率恒定。

3.2 基于BOOST電路的PFC控制流程

PFC控制程序如圖5所示。

3.3 LLC串聯(lián)諧振控制方式

諧振LLC電路采用變頻控制來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振參數(shù)增益的變化，進(jìn)而改變輸出范圍，為實(shí)現(xiàn)諧振LLC寬輸入/輸出范圍，采用的控制策略是結(jié)合調(diào)頻調(diào)寬調(diào)制(PFM+PWM)，在高電壓輸出下諧振變頻工作，當(dāng)輸出電壓降低和開(kāi)關(guān)頻率到達(dá)最高限制頻率的時(shí)候，轉(zhuǎn)換為調(diào)寬PWM工作完成低電壓輸出目的。

圖5 PFC控制程序流程圖

4 樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案制作出一臺(tái)2 kW 車載充電機(jī)樣機(jī)，進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試功率因數(shù)。國(guó)標(biāo)QC/T 895要求車載充電機(jī)功率因數(shù)不得低于0.92，樣機(jī)測(cè)試結(jié)果為0.987 9，滿足國(guó)標(biāo)要求。

功率因數(shù)測(cè)試如圖6所示。

圖6 功率因數(shù)測(cè)試

裝配實(shí)車上對(duì)某型號(hào)動(dòng)力電池進(jìn)行充電全程測(cè)試(SOC20%～SOC100%)，測(cè)試結(jié)果表明,充電過(guò)程中是恒功率工作，輸出電壓隨著動(dòng)力電池SOC與電壓的上升同步上升，輸出電流在一定的壓差下保持恒流。充電機(jī)輸出功率在進(jìn)入后期的涓流充電前一直都是滿功率充電，即以額定功率2 kW進(jìn)行充電，隨著輸出電壓的上升，輸出電流反比下降。為保護(hù)動(dòng)力電池避免過(guò)充損壞，后期進(jìn)入涓流充電階段，充電效率與充電電流受限降低。試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如圖7～圖9所示(為了便于分析，圖中功率單位為0.1 kW)。

圖7 充電全程記錄圖

圖8 充電前期記錄圖

圖9 充電后期記錄圖

5 結(jié) 語(yǔ)

提出了一種電動(dòng)汽車車載充電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了基于BOOST型有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)與LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器主電路的設(shè)計(jì)，對(duì)控制電路與控制方案進(jìn)行了闡述，并按照本方案制作了1臺(tái)2 kW樣機(jī)。對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)車充電全程測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與預(yù)期相符，證明車載充電機(jī)的設(shè)計(jì)方案合理可行，可以滿足市場(chǎng)需求。

文中設(shè)計(jì)方案僅用于制作了一臺(tái)2 kW車載充電機(jī)，對(duì)于6.6 kW等市場(chǎng)需求量大的大功率車載充電機(jī)沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)制作，大功率車載充電機(jī)對(duì)電子元器件、功率元器件的選型上會(huì)有所不同，對(duì)熱平衡的實(shí)現(xiàn)也會(huì)更困難，還需要進(jìn)一步深入研究。