基于串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電動(dòng)汽車快速充電樁設(shè)計(jì)

應(yīng) 鴻， 於國(guó)芳， 姜 濤， 吳新剛， 張孝杰，田 陽(yáng)， 溫旭日， 宮雷杰

(1.浙江華云清潔能源有限公司，浙江 杭州 310002； 2.北京智芯微電子科技有限公司，北京 100089)

0 引言

近年來(lái)，隨著燃油機(jī)車對(duì)環(huán)境造成的不良影響，汽車工業(yè)面臨著關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)[1-3].電動(dòng)汽車由于其環(huán)保優(yōu)勢(shì)以及不斷上漲的油價(jià)，正成為燃油機(jī)車的潛在替代品.因此，電動(dòng)汽車配套充電設(shè)施的研制已成為各國(guó)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[4-6].

充電設(shè)施由操作系統(tǒng)、客戶信息系統(tǒng)和充電系統(tǒng)組成.在這些系統(tǒng)中，充電系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)施中最基本也是最重要的部分.根據(jù)充電時(shí)間和充電方法，充電系統(tǒng)可分為慢充和快充兩種模式.慢速充電模式的功率約為3-4 kW，充電時(shí)間大約需要6-7小時(shí)，因此慢速充電模式適用于在夜間進(jìn)行充電.快速充電模式需要充電樁向電動(dòng)汽車提供大約50 kW的功率，充電時(shí)間小于0.5小時(shí)[7-10].

西歐、美國(guó)和日本等許多發(fā)達(dá)國(guó)家已對(duì)快速充電樁進(jìn)行了研制和測(cè)試[11-13].然而，隨著充電站規(guī)模的增大，其會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，這些不利影響通常表現(xiàn)為電壓畸變和電流諧波，以及包括低功率因數(shù)在內(nèi)的低電能質(zhì)量問(wèn)題目前在許多國(guó)家已成為亟待解決的問(wèn)題[14,15].為了解決這些問(wèn)題，可以考慮采用功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù).但是，峰值充電功率對(duì)交流電網(wǎng)的影響會(huì)依然存在[16,17].

本文介紹了一種新型的50 kW快速充電系統(tǒng).該充電系統(tǒng)提高了交流電網(wǎng)的功率因數(shù)和功率轉(zhuǎn)換效率.它能夠通過(guò)提供0～125 A的電流，在300～500 V的電壓范圍內(nèi)為電動(dòng)汽車中的鋰離子電池充電.當(dāng)電動(dòng)汽車蓄電池的最大功率為50 kW時(shí)，充電系統(tǒng)在最大充電電流供電間隔內(nèi)會(huì)在交流電網(wǎng)中產(chǎn)生電壓降落和電壓畸變.但是通過(guò)在直流總線中引入緩沖電池組，可以減少這些不利影響.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

為了實(shí)現(xiàn)安全、可靠、快速、高效的充電，功率轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須滿足幾個(gè)基本要求.而且在轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了在效率、成本、尺寸、體積和重量方面滿足產(chǎn)品規(guī)范，必須特別注意系統(tǒng)的整體優(yōu)化.從半導(dǎo)體到散熱器的所有組件，包括無(wú)源濾波器組件，都必須進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便開(kāi)發(fā)一個(gè)優(yōu)化的系統(tǒng)[18,19].

50 kW快速充電樁的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.主電源轉(zhuǎn)換部分由功率因數(shù)校正(PFC)裝置和DC-DC轉(zhuǎn)換器組成，緩沖電池組(BB)位于主電源轉(zhuǎn)換單元之間，緩沖電池組由64個(gè)鋰離子電池組成，其電壓為237 V.

圖1 50 kW快速充電樁框圖

1.1 DC-DC轉(zhuǎn)換器

DC-DC轉(zhuǎn)換器由移相全橋變換器、三臺(tái)變壓器和三臺(tái)輸出濾波器組成.在DC-DC功率轉(zhuǎn)換器中，通過(guò)采用移相控制來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗.為了防止鐵磁材料飽和，在每個(gè)變壓器一次側(cè)均增加電容(Cr)，以平衡B-H曲線上的磁通位移.

本文串聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由多個(gè)基本變換單元串聯(lián)組成的，其通用表現(xiàn)形式如圖2所示，它能夠解決傳統(tǒng)DC-DC變換器中普遍存在的開(kāi)關(guān)管應(yīng)力大和開(kāi)關(guān)損耗嚴(yán)重等問(wèn)題，適合在大功率、高增益場(chǎng)合.

圖2 串聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通用表現(xiàn)形式

圖3顯示了具有串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的常規(guī)DC-DC轉(zhuǎn)換器和本文所設(shè)計(jì)的DC-DC轉(zhuǎn)換器.傳統(tǒng)的全橋式DC-DC轉(zhuǎn)換器電路原理為直流電壓Vi經(jīng)過(guò)T1～T4組成的全橋開(kāi)關(guān)變換器，在高頻變壓器初級(jí)得到高頻交流方波電壓，經(jīng)變壓器后，再經(jīng)過(guò)全波整流變成直流方波，最后經(jīng)過(guò)電感L0和電容C0組成的濾波電路，得到平直的直流電壓.兩者唯一的區(qū)別是DC-DC轉(zhuǎn)換器中的附加連接.如圖3所示，由于只有一個(gè)附加連接，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且非常易于實(shí)現(xiàn)，且Vi端直接與電容C0相連，因此，該充電樁的輸出電壓由直流母線電壓和移相全橋變換器的輸出電壓之和組成.這種變換器結(jié)構(gòu)可以顯著提高充電樁的效率.

(a)常規(guī)DC-DC變換器結(jié)構(gòu)

(b)設(shè)計(jì)的DC-DC變換器結(jié)構(gòu)圖3 DC-DC轉(zhuǎn)換器示意圖

本文對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器在不同阻值負(fù)載情況下的效率情況進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果如圖4所示.可以看出，轉(zhuǎn)換器的工作效率隨著負(fù)載的增大而提升.當(dāng)負(fù)載電流從48 A增大至60 A時(shí)，轉(zhuǎn)換器的工作效率顯著提高；當(dāng)負(fù)載電流為96 A時(shí)，效率達(dá)到了94.5%.

本文所設(shè)計(jì)的DC-DC轉(zhuǎn)換器具有直接功率傳輸路徑，其效果如下：標(biāo)稱緩沖電池組電壓為230 V，電動(dòng)汽車電池電壓為400 V，最大充電電流為125 A，傳輸功率為28.75 kW，DC-DC轉(zhuǎn)換器傳輸功率為21.25kW.這表明大約60%的最大額定功率不需要轉(zhuǎn)換.常規(guī)的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換所有的充電功率，而本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器只需轉(zhuǎn)換40%的充電功率.因此，本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器相較于常規(guī)轉(zhuǎn)換器具有更高的轉(zhuǎn)換效率[20].

圖4 實(shí)測(cè)效率曲線

1.2 控制器

鋰離子電池充電分為涓流充電、恒流充電、恒壓充電和終止充電四個(gè)階段，其中恒流(CC)充電和恒壓(CV)充電兩個(gè)階段為主要階段，如圖5所示.

圖5 鋰離子電池充電過(guò)程

涓流充電階段是對(duì)已完全放電的電池進(jìn)行預(yù)充，即恢復(fù)性充電.當(dāng)電池電壓低于3 V時(shí)為涓流充電階段，采用恒流充電電流的十分之一即0.1 C的恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電；當(dāng)電池電壓上升至涓流充電閾值以上時(shí)，便可提高充電電流進(jìn)行恒流充電.恒流充電的電流在0.2 C至1.0 C之間，恒流充電時(shí)的電流并不要求十分精確，保持準(zhǔn)恒定電流即可.在此過(guò)程中電池電壓會(huì)逐漸上升，當(dāng)電池電壓上升至4.2 V時(shí)，恒流充電結(jié)束，開(kāi)始恒壓充電階段.在恒壓充電過(guò)程中，充電電壓始終保持4.2 V，為使性能達(dá)到最佳，穩(wěn)壓容差應(yīng)當(dāng)優(yōu)于+1%；充電電流會(huì)逐漸下降，一直到電流低于0.1 C后，終止充電，整個(gè)充電過(guò)程大約會(huì)持續(xù)2.5～3 h.

為了快速安全地進(jìn)行充電操作，需通過(guò)車載和非車載電池管理系統(tǒng)(BMSs)對(duì)電動(dòng)汽車電池的電壓和充電電流持續(xù)監(jiān)測(cè).考慮到鋰離子電池的特性，電動(dòng)汽車需要采用最大恒流模式，直到達(dá)到特定的電壓.在這樣的模式下，電動(dòng)汽車需要逐漸減小充電電流.一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車電池電量達(dá)到滿電量的85%時(shí)即會(huì)發(fā)出停止指令.為了滿足這一要求，DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制器需采用恒流模式和恒壓模式的雙?？刂颇Ｊ?，因此本文設(shè)計(jì)了如圖6所示的控制器.

圖6 電動(dòng)汽車蓄電池控制器框圖

本文中的控制器采用了PI雙閉環(huán)控制，PI雙閉環(huán)控制方法含有兩個(gè)控制部分：電流內(nèi)環(huán)PI控制器和電壓外環(huán)PI控制器.電流內(nèi)環(huán)控制器通過(guò)電流負(fù)反饋的手段使得流過(guò)電感上的電流為給定幅值和相位的電流，電壓外環(huán)的作用是引入電壓負(fù)反饋，使得直流側(cè)電壓穩(wěn)定為給定值.控制器的整個(gè)過(guò)程相當(dāng)于電壓轉(zhuǎn)電流，并通過(guò)PI調(diào)節(jié)使得收斂性更好，然后經(jīng)過(guò)飽和限制元件，防止控制電流過(guò)大，電流經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，最后輸出.

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證控制算法和硬件電路性能，對(duì)所設(shè)計(jì)的快速充電樁進(jìn)行了測(cè)試.移相變換器在半負(fù)載和全負(fù)載條件下的IGBT輸出電壓和電流的實(shí)驗(yàn)波形如圖7～10所示，作為主開(kāi)關(guān)的IGBT模塊為600 V/400 A級(jí).

圖7 IGBT半負(fù)載條件下輸出電壓 波形圖(Vo=100 V/div)

圖8 IGBT半負(fù)載條件下輸出電流 波形圖(Io=50 A/div)

圖9 IGBT全負(fù)載條件下輸出電壓 波形圖(Vo=100 V/div)

圖10 IGBT全負(fù)載條件下輸出電流 波形圖(Io=50 A/div)

從圖中可以看出，輸出電壓約為230 V，輸出電流約為125 A，滿足要求，且IGBT輸出電壓波形表明全橋DC-DC變換器工作在移相模式.橋式二極管整流電壓和IGBT輸出電壓如圖11所示，該系統(tǒng)采用了三個(gè)1 200 V/100 A的橋式二極管模塊.

圖11 IGBT全負(fù)載條件下輸出電壓和 二極管整流電壓波形圖(Vs=200 V/div)

用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中的12位A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量輸出電壓和電流信號(hào).通過(guò)在DSP中設(shè)置周期和相角寄存器，使得DC-DC功率轉(zhuǎn)換器更易產(chǎn)生PWM信號(hào).

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種50 kW快速充電樁，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該快速充電樁的有效性.通過(guò)在DC-DC轉(zhuǎn)換器中采用串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，顯著提高了快速充電樁的功率轉(zhuǎn)換效率；通過(guò)引入緩沖電池組，可以降低電源安裝成本；此外，通過(guò)采用功率因數(shù)校正(PFC)裝置和緩沖電池組，可以提高交流電網(wǎng)的電能質(zhì)量