車載電動汽車充電器的研究與設(shè)計

梁鋒林，鄭德山，黃松峰，邱興陽

車載電動汽車充電器的研究與設(shè)計

梁鋒林，鄭德山，黃松峰，邱興陽

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化工程系，福建 莆田 351119）

介紹一種3 kW車載電動汽車充電器研究與設(shè)計，主要針對車載充電器的主回路、控制回路進行設(shè)計，通過MATLAB/Simulink軟件對回路的器件參數(shù)進行仿真與測試，從而驗證所設(shè)計的車載充電器主回路和控制回路拓撲結(jié)構(gòu)的可行性和實用性，具有一定的實驗意義和驗證價值。

車載；電動汽車；充電器

隨著社會的發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染2個問題的日益加劇，綠色節(jié)能減排的低碳出行理念正深入人心，電動汽車以良好的環(huán)保性能和節(jié)能優(yōu)勢，成為了汽車工業(yè)研究、設(shè)計、開發(fā)和使用的熱點之一[1-3]。電動汽車車載電池的充電技術(shù)是制約電動汽車發(fā)展的瓶頸之一，充電技術(shù)不僅影響著電池的性能和壽命，而且影響著汽車的行駛路程、充電速度和便利性，因此研究電動汽車的車載充電技術(shù)具有非常重要的現(xiàn)實意義[4]。

由于電動汽車空間和成本的制約，電動汽車蓄電池的快速充電技術(shù)一般依賴充電樁或充電站來實現(xiàn)[5]。車載充電器具有體積小、質(zhì)量輕、便于安裝、安全系數(shù)高、使用便利等優(yōu)點，家用電動汽車可以利用夜晚的時間充電，滿足汽車的次日出行需要，電動汽車充電時只需電源線和電源插座進行連接就能進行，這樣有利于促進電動汽車的普及和發(fā)展[6]。本文研究一種單相3 kW車載充電器主電路和控制回路設(shè)計，對主電路的器件參數(shù)進行建模仿真，得到主電路各模塊的輸出電壓波形，并對充電器的軟件系統(tǒng)的控制原理和工作流程進行介紹。

1 車載充電器的結(jié)構(gòu)及工作原理

車載充電器的系統(tǒng)框架如圖1所示，分成主電路和控制回路兩部分。其中由EMI濾波器、AC/DC變換器、DC/DC變換器、整流濾波電路組成車載充電器的主電路拓樸結(jié)構(gòu)；而MCU控制中心、驅(qū)動電路、信號檢測采集電路、輔助電源、保護電路等構(gòu)成了充電器的控制回路拓樸結(jié)構(gòu)。為了防止車載充電器充電時對電網(wǎng)產(chǎn)生電磁干擾，擾亂其他用電設(shè)備的工作穩(wěn)定性，在電源進線與充電器之間加入EMI濾波器，交流市電通過EMI濾波器連接到AC/DC變換器，由AC/DC變換器整流濾波以及APFC校正送至DC/DC變換器，通過DC/DC變換器的功率開關(guān)管進行調(diào)整變換，產(chǎn)生高頻的脈動直流電，經(jīng)高頻變壓器降壓，再經(jīng)整流濾波變換成穩(wěn)定的直流電，最后對蓄電池進行充電。

圖1 車載充電器的總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 AC/DC變換器的設(shè)計

AC/DC變換器模塊如圖2所示，分成主電路和驅(qū)動控制回路兩部分。主電路是由橋式整流電路和Boost調(diào)壓電路構(gòu)成?？刂乞?qū)動回路在虛線框內(nèi)，主要有乘法器、電壓比較器、電流比較器、驅(qū)動器和PWM控制信號構(gòu)成。控制驅(qū)動回路采取電壓和電流兩個閉環(huán)回路控制，用來提高功率因數(shù)和穩(wěn)固輸出電壓。

圖2 AC/DC變換器

2.1.1 整流橋

2.1.2 升壓電感L

升壓電感L用來濾波，它的選擇影響到輸出電壓紋波大小和諧波失真，所以在制作時一般采用多股并繞的方式來減小趨膚效應(yīng)，電感量大小設(shè)計可以根據(jù)最小輸入電壓和最大輸入功率確定，此時經(jīng)過電感的電流和紋波最大[7]。滿載工作時輸入電流：

最大占空比：

在使用時，通常由于電感勵磁電流的影響，磁導(dǎo)率會有所下降，故選取值為計算值的2倍。

2.1.3 輸出電容

輸出電容是用于維持輸出電壓的穩(wěn)定時間而設(shè)計，其另一作用是濾除MOSFET管動作時引起的輸出電壓紋波。維持時間長短范圍一般在15~50 ms之間，本設(shè)計選取30 ms，所以輸出電容的大小為：

根據(jù)電容容差的需求以及電容容值的規(guī)格參數(shù)，采用容量1 600 uF/450 V的電容。

2.1.4 MOSFET管和二極管

MOSFET管的選擇主要根據(jù)耐壓值和額定電流進行考慮，本系統(tǒng)的大功率開關(guān)管的電壓為400 V，使用時通常留一定的裕量，故選擇耐壓600 V的場效應(yīng)管，型號為6N60。

對于Boost調(diào)壓電路來說，選擇的二極管額定電壓通常為其承受最大電壓的1.2倍，額定電流為滿載工作時的2倍，即：V≥1.2o=480 V，I≥2o≈7.1×2=14.2 A。為了提高電路的轉(zhuǎn)換效率和減少關(guān)斷損耗，應(yīng)選擇超快速恢復(fù)二極管，由于二極管的正向?qū)妷簳S著電流的增大而降低，為了減少開關(guān)損耗，最終選擇意法半導(dǎo)體公司電流15 A，耐壓600 V，反向時間50 ns的STTH15R06D型號二極管。

2.1.5 驅(qū)動控制電路的設(shè)計

AC/DC變換器驅(qū)動控制電路本設(shè)計采用TI公司的UC3854芯片（其內(nèi)部電路見圖2）。該控制器能夠通過PWM脈寬調(diào)制信號去控制MOS管的開與關(guān)，達到調(diào)整輸入電流及輸出電壓相位的目的，讓它們同相，最終實現(xiàn)AC/DC變換時功率因數(shù)的校正。由于篇幅關(guān)系，不再具體給出其工作原理以及控制電路外圍電路設(shè)計。

2.2 DC/DC變換器的設(shè)計

DC/DC變換器模塊如圖3所示，采用Intersil公司開發(fā)的ISL6752全橋ZVS控制芯片作為DC/DC變換的主控制器，該控制器能夠解決移相控制無法實現(xiàn)次級同步整流開關(guān)管軟開關(guān)的缺點，讓全橋拓撲的初、次級同時實現(xiàn)零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換，從而使DC/DC變換器的場效應(yīng)管工作在最佳狀態(tài)[8]。

圖3 DC/DC變換器

2.2.1 原邊整流管

DC/DC變換器的整流開關(guān)管選擇，需考慮上一級的輸出電壓，本文AC/DC變換器的輸出電壓在380~420 V之間，根據(jù)使用時需要留有裕量，應(yīng)選擇耐壓為600 V的MOSFET管。為了減小整流管的開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率，對于整流管，應(yīng)當(dāng)選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管。使用時還應(yīng)在MOS管的兩端并聯(lián)高頻瓷片電容，可以獲得更好的零電壓開關(guān)效果。最終系統(tǒng)選擇Fairchild公司的型號為FCH041N60E的MOS管。

2.2.2 高頻諧振變壓器

高頻諧振變壓器的制作，首要的是變壓器的磁芯、匝數(shù)、初次級繞組的線徑。高頻諧振變壓器磁芯的選擇通常是采用AP法來設(shè)計，實際應(yīng)用中通常采用的AP法計算公式[9]：

其中，代表輸入和輸出功率之和；K是窗口面積利用系數(shù)，一般取典型值0.4；k是一次側(cè)電流的波形因數(shù)，取4；是電流密度取4 A/mm2;B是交流磁通密度取0.2 T；f是工作頻率100 kHz。根據(jù)計算值后查表，選擇EE85磁芯可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

高頻變壓器的匝數(shù)比必須滿足變換器運行在最大占空比時，即使輸入電壓為允許的最小值，也能夠輸出額定的電壓，并留有一定的裕量[10]。對于本系統(tǒng)變壓器的匝數(shù)比K,可由最大占空比、最小輸入電壓和額定輸出電壓三者來確定：

式中：2為次級線圈匝數(shù)；1為初級線圈匝數(shù)；in min為變換器的最小輸入電壓；max為最大占空比；o max為充電器最大輸出電壓。根據(jù)公式和系統(tǒng)的參數(shù)代入數(shù)據(jù)計算出匝數(shù)比為1.9，取整=2。初級線圈的匝數(shù)可根據(jù)公式來確定[11]：

式中：A是磁芯的面積，其他幾個參數(shù)在AP法選擇中已闡明。根據(jù)1的計算公式就可以算出變壓器初級線圈的匝數(shù)，然后再根據(jù)匝數(shù)比也可以算出次級線圈2的匝數(shù)。

2.2.3 副邊整流管

本系統(tǒng)采用的控制芯片ISL6752可對輸出端進行調(diào)節(jié)，達到同步整流的功能，故副邊可采用帶同步整流功能的全波整流電路。根據(jù)工程經(jīng)驗，由于MOS管具有超低的導(dǎo)通阻抗，采用MOS管整流會比普通二極管整流效率會高2%左右[12]。但在實際應(yīng)用時考慮到成本因素，一般會直接采用具有快恢復(fù)二極管的全波整流電器，本系統(tǒng)也選擇二極管進行整流。使用二極管進行整流要考慮它的電壓應(yīng)力，一般要求它承受的電壓應(yīng)力為輸出電壓的2倍，本設(shè)計的最大輸出電壓為100 V，考慮到有時二極管可能會承受一定的電壓尖峰，故選擇時要留有裕量，根據(jù)輸出電壓電流的大小和選擇原則，最終使用Power Integrations公司的LQA60A300C型號二極管，該管的承受電壓為300 V，允許的工作電流為60 A，而且反向恢復(fù)時間只有20 ns非常短，適合本系統(tǒng)使用。

2.2.4 MOS管驅(qū)動電路的設(shè)計

DC/DC變換器MOS管的驅(qū)動電路是基于美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動器進行設(shè)計的。它是中小功率變換裝置常用驅(qū)動器，具有集成度高、體積小、速度快、驅(qū)動能力強等優(yōu)點，同時還自帶光耦隔離和電磁隔離，可以防止電流倒灌燒毀控制芯片ISL6752。用IR2110來驅(qū)動全橋電路可以大大縮小驅(qū)動電路的體積, 降低成本, 并且能夠提升驅(qū)動的可靠性和穩(wěn)定性。鑒于文章的篇幅不再具體闡述驅(qū)動控制電路的參數(shù)設(shè)計。

2.3 輔助電源的設(shè)計

一個完整的車載充電器控制系統(tǒng)是由多個電路模塊構(gòu)成，比如控制MCU電路模塊、驅(qū)動電路模塊、信號檢測采集電路模塊、保護電路模塊等組成。這些電路需要不同的直流電壓供電才能正常工作，因此需要設(shè)計輔助電源電路，其電路如圖4所示。系統(tǒng)要獲得不同的直流電壓首先應(yīng)將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，故采用MORNSON公司LH05-10B15的AC/DC電源模塊，先將交流電轉(zhuǎn)換成+15 V直流電，并在其輸入端加了保險絲和熱敏電阻用來保護電路，為了穩(wěn)定輸出電壓在其輸出端加了濾波電容C1、C2和穩(wěn)壓二極管VD。+15 V的電壓是當(dāng)做開關(guān)管的驅(qū)動電壓，+5 V和+3.3 V是控制芯片及信號采集檢測電路的電源電壓。本文通過LM7805和LM1117-3.3 V兩塊三端固定穩(wěn)壓集成芯片獲得。圖中CY為交流旁路電容把交流成分短路到地，C3、C4、C5、C6都是用來穩(wěn)定電壓的濾波電容。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的MCU選用的是TI公司的浮點DSP控制芯片TMS320F28335，該芯片具有性能高，精度高，A/D轉(zhuǎn)換快，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，功耗小，成本低等優(yōu)點。MCU控制中心主要完成系統(tǒng)的信號處理、控制、通信和顯示等功能。其中充電器的控制方法是系統(tǒng)的重點，主要是對前級AC/DC變換器的電流和電壓進行采樣，通過兩個閉環(huán)控制去調(diào)節(jié)變換器開關(guān)管的導(dǎo)通時間，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。對后級DC/DC變換器的輸出電壓運用模糊PI模塊進行處理，再通過常規(guī)的PI電流環(huán)產(chǎn)生新的控制量，PWM產(chǎn)生模塊通過DSP的內(nèi)部算法處理將控制量轉(zhuǎn)換成PWM輸出，最終實現(xiàn)DC/DC變換器的雙閉環(huán)控制[13]。

系統(tǒng)的程序主要包括：主程序、A/D采集子程序、PWM驅(qū)動子程序、充電子程序（含恒流充電、恒壓充電和涓流充電3階段）。主程序主要進行系統(tǒng)初始化、宏定義、變量配置及類型定義、并完成中斷服務(wù)函數(shù)宣告及初始化。通過運行中斷服務(wù)函數(shù)和子程序，實現(xiàn)充電過程的閉環(huán)控制，其程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

A/D采集子程序是對采集電路采用的電壓和電流信號進行處理，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并把處理后的數(shù)字量傳遞給主程序，其程序流程如圖6所示。PWM驅(qū)動子程序是用來產(chǎn)生PWM控制信號，控制開關(guān)管的通斷，其控制程序流程如圖7所示。充電子程序是用來進行恒流、恒壓和涓流充電3階段轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)3段式充電，達到保護電池、提高電池壽命的目的，其程序流程如圖8所示。

圖6 A/D采集子程序流程圖

圖7 PWM驅(qū)動子程序

4 系統(tǒng)主電路建模仿真

4.1 AC/DC變換器建模仿真

系統(tǒng)通過MATLAB/Simulink軟件建立了AC/DC變換器的仿真模型，元器件的參數(shù)大小選用本文2.1章節(jié)中計算分析得出的數(shù)據(jù)，將模型仿真結(jié)果與傳統(tǒng)的PI控制AC/DC變換器進行分析比較，其兩種仿真結(jié)果如圖9所示。通過比較，可以發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)建立的模型具有無超調(diào)、動態(tài)響應(yīng)快和魯棒性好的優(yōu)勢。

圖8 充電子程序

4.2 DC/DC變換器建模仿真

系統(tǒng)通過PSPICE軟件建立了DC/DC變換器仿真模型，元器件的參數(shù)大小選用本文2.2章節(jié)中計算分析得出的數(shù)據(jù)，通過仿真測得系列的仿真波形如圖10~圖12所示。圖10是變壓器原邊繞組的端電壓波形。圖11中的矩形波是驅(qū)動電壓波形，梯形波是開關(guān)管D-S極間的電壓波形，從兩者的波形對比可以看出，當(dāng)驅(qū)動信號由低電平跳轉(zhuǎn)為高電平時，開關(guān)管D-S極之間的電壓就已經(jīng)降到零，這為了ZVS 開通提前做好準(zhǔn)備，實現(xiàn)超前的ZVS轉(zhuǎn)換。圖12是DC/DC變換器仿真模型的輸出電壓波形。

圖10 變壓器原邊繞組端電壓波形

圖11 4個開關(guān)管驅(qū)動與D-S極間的電壓波形

圖12 輸出電壓波形

5 結(jié)語

本文針對3 kW的電動汽車車載充電器進行研究，主要介紹了主電路的設(shè)計與系統(tǒng)的軟件控制策略。對系統(tǒng)的主電路進行建模仿真，對其可行性進行驗證，通過仿真驗證了系統(tǒng)具有充電穩(wěn)定、效率高的優(yōu)點。但隨著家用電動汽車普及性越來越廣，研究電動汽車的車載充電器具有一定的價值和意義。本文研究的內(nèi)容具有一定的借鑒參考價值，若能進一步研制出樣機，應(yīng)該很實用而且具有一定的使用價值。

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Research and Design of Chargers for on-board Electric Vehicles

LIANG Feng-lin, ZHENG De-shan, HUANG Song-feng, QIU Xing-yang

（Department of Automation Engineering, Meizhouwan Vocational College, Fujian Putian 351119, China）

This paper introduces the research and design of 3kW chargers for on-board electric vehicles, the main circuit and control circuit of the vehicle charger mainly designed. The MATLAB/Simulink software is used to simulate and test the device parameters of the circuit to verify the vehicle charger designed so as to verify the feasibility and practicability of the topology structure of the main circuit and control circuit of the vehicle charger designed, which has certain experimental significance and verification value.

on-board; electric vehicle; charger

TK02

A

1674-3261(2021)01-0028-06

10.15916/j.issn1674-3261.2021.01.007

2020-04-17

福建省中青年教師教育科研項目（JZ181027）

梁鋒林(1977-)，男，福建莆田人，講師。

責(zé)任編校：劉亞兵