固定式汽車直流充電機(jī)的設(shè)計(jì)

陳志剛

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州）

1 固定式汽車直流充電機(jī)的性能要求

固定式汽車直流充電機(jī)的性能要求涵蓋了輸出功率、充電效率、充電速度、充電安全性、故障診斷和維護(hù)性等方面。隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，充電機(jī)的性能要求也會(huì)不斷提高，以滿足用戶對(duì)充電設(shè)備的需求。

足夠大的輸出功率：直流充電機(jī)的輸出功率是衡量其性能的重要指標(biāo)之一。一般來(lái)說(shuō)，汽車直流充電機(jī)的輸出功率要能夠滿足不同類型的電動(dòng)汽車的充電需求。直流充電機(jī)的輸出功率需要在50 kW 到800 kW 之間。為了滿足不同車型的需求，充電機(jī)應(yīng)具備輸出功率可調(diào)節(jié)的特性[1]。

充電效率高：充電效率是電能從充電機(jī)輸入到電動(dòng)汽車電池中的轉(zhuǎn)換效率。充電效率越高，充電損耗就越小，充電時(shí)間也相應(yīng)縮短。汽車直流充電機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量提高其充電效率，減少能量損耗，高性能的充電機(jī)充電效率達(dá)95%。

充電速度快：充電速度是衡量充電機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。隨著電動(dòng)汽車的普及，用戶對(duì)汽車充電時(shí)間要求越來(lái)越高。直流充電機(jī)應(yīng)具備較快的充電速度，在20～30 min 充滿80%，用戶能獲得較好的充電體驗(yàn)。

充電安全性好：充電安全性是直流充電機(jī)的必備的性能要求。充電機(jī)應(yīng)具備多重安全保護(hù)措施，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫等保護(hù)功能，以保障充電安全可靠進(jìn)行。

具備故障診斷和維護(hù)性：直流充電機(jī)應(yīng)具備故障診斷功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷和報(bào)警。此外，充電機(jī)的維護(hù)性也應(yīng)良好，方便維修和保養(yǎng)[2]。

2 固定式汽車直流充電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

固定式汽車直流充電機(jī)的主要組成部分包括：電源模塊、控制模塊、通信模塊、充電插頭、保護(hù)單元等，如圖1 所示。

圖1 固定式汽車直流充電機(jī)構(gòu)成

電源模塊是充電機(jī)的核心部分，負(fù)責(zé)將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，給電動(dòng)汽車充電。電源模塊一般由整流電路構(gòu)成，將交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電源[3]?？刂颇K負(fù)責(zé)對(duì)充電機(jī)進(jìn)行控制和管理，包括充電電流、充電電壓的控制；故障診斷和報(bào)警等?？刂颇K通常由微控制器和相關(guān)傳感器構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)充電機(jī)的智能化控制。通信模塊負(fù)責(zé)與電動(dòng)汽車進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)充電機(jī)與車輛之間的信息交互。通信模塊可以采用有線或無(wú)線的方式與車輛進(jìn)行通信，并傳輸充電狀態(tài)、充電進(jìn)度、充電數(shù)據(jù)等信息。充電插頭是連接充電機(jī)和電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)傳輸電能。保護(hù)裝置主要包括過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等，用于保護(hù)充電機(jī)和充電設(shè)備的安全[4]。如圖2 所示。

圖2 固定式汽車直流充電機(jī)保護(hù)裝置

在充電過(guò)程中，如果出現(xiàn)電流、電壓或溫度超過(guò)安全范圍，保護(hù)裝置會(huì)自動(dòng)切斷電源，以避免電動(dòng)汽車和充電設(shè)備的損壞。充電機(jī)還需要配備液晶顯示等附屬部件，以提供更好的用戶體驗(yàn)和安全性能。

3 固定式汽車直流充電機(jī)的工作原理

固定式汽車直流充電機(jī)的工作原理是直流充電機(jī)通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電以供給電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，轉(zhuǎn)換過(guò)程主要有三相PFC 整流，DC 變化、濾波等。還具備充電保護(hù)、溫度保護(hù)、視頻顯示、音頻提示、散熱保護(hù)等功能，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)提供較好的用戶體驗(yàn)。固定式汽車直流充電機(jī)主電路如圖3 所示。

圖3 固定式汽車直流充電機(jī)主電路

整流過(guò)程采用基于Vienna 整流器的三相PFC 裝置。Vienna 整流器是一種三電平變換器，使用三組大功率的MOSFET 將交流電轉(zhuǎn)換為單向的直流電流[5]。采用無(wú)橋臂直通的方式從而避免了死區(qū)時(shí)間的設(shè)置，同時(shí)降低了開(kāi)關(guān)損耗、控制的復(fù)雜性，增大了有限占空比，使得可靠性得到了大幅提高。整流過(guò)程實(shí)現(xiàn)將電流的正半周期變?yōu)檎娏鳎?fù)半周期變?yōu)榱汶娏鳌?/p>

Vienna 整流器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。整流器電路由六個(gè)二極管組成，根據(jù)二極管的單向?qū)щ娞匦?，將交流電的?fù)半周導(dǎo)通的那個(gè)二極管通電，而將正半周導(dǎo)通的那個(gè)二極管截止，從而將交流電轉(zhuǎn)換為單向的直流電。S1、S2、S3采用雙向開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)由兩個(gè)MOS 管組成，構(gòu)成反并聯(lián)二極管，共用驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。整流器電路中的電容器可以平滑輸出的直流電壓波動(dòng)，使得輸出的直流電具有較低的紋波。同時(shí)，為了保護(hù)整流器電路和充電系統(tǒng)，還可以添加保護(hù)電路，如過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和溫度保護(hù)等。

圖4 Vienna 整流器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在汽車直流充電機(jī)工作過(guò)程中，由于電源電壓的不穩(wěn)定以及其他因素的影響，充電電流往往出現(xiàn)波動(dòng)和噪聲。這些波動(dòng)和噪聲對(duì)于電池充電過(guò)程來(lái)說(shuō)是不利的，會(huì)降低充電效率，增加能量損耗，甚至損壞電池[6]。汽車直流充電機(jī)濾波電路用來(lái)過(guò)濾掉充電過(guò)程中產(chǎn)生的電流波動(dòng)和噪聲，它由濾波電容和濾波電感組成，通過(guò)這兩種元件的組合能夠有效地濾除充電過(guò)程中的高頻噪聲和脈動(dòng)電流，使輸出電流更加穩(wěn)定。濾波電容的容值越大，存儲(chǔ)的電荷越多，充電電流的脈動(dòng)越小，濾波效果越好。濾波電感則能夠通過(guò)電感的自感作用來(lái)阻擋高頻電流的傳輸。它通過(guò)線圈的電感特性來(lái)阻抗高頻電流的傳輸，只允許低頻電流通過(guò)，從而減少高頻噪聲的干擾。濾波電感的阻抗與頻率成正比，因此在設(shè)計(jì)濾波電感時(shí)需要考慮充電機(jī)的工作頻率。濾波電容和濾波電感通常串聯(lián)連接在充電機(jī)的輸出端，以便能夠有效地濾除電流波動(dòng)和噪聲。目前普遍采用同時(shí)切比雪夫?yàn)V波器，如圖5 所示為五階切比雪夫電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其介數(shù)可通過(guò)階數(shù)公式計(jì)算所得。為了進(jìn)一步提高濾波效果，還可以添加額外的補(bǔ)償電路，如電壓穩(wěn)定器、功率放大器等。

圖5 五階切比雪夫電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整流輸出 濾波輸出

切比雪夫?yàn)V波器階數(shù)公式：

多項(xiàng)式的一般形式為：

通過(guò)濾波電容和濾波電感的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，同時(shí)還可以添加其他補(bǔ)償電路來(lái)進(jìn)一步提高濾波效果。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)充電機(jī)的工作頻率和濾波要求來(lái)選擇適當(dāng)?shù)臑V波電容和濾波電感。

4 固定式汽車直流充電機(jī)的充電管理

固定式汽車直流充電機(jī)必須進(jìn)行有效的充電管理，充電管理是通過(guò)控制充電電流、電壓和保護(hù)功能，對(duì)電池的充電過(guò)程進(jìn)行合理管理和控制，以確保充電的安全、高效和可靠。充電管理的優(yōu)化能夠提高電池的壽命和性能，并提供良好的用戶體驗(yàn)。充電管理流程如圖6 所示。

圖6 充電管理流程

充電電流控制：根據(jù)電池的充電狀態(tài)和充電需求控制充電機(jī)的輸出電流。充電機(jī)通常具有可調(diào)節(jié)的輸出電流功能，以適應(yīng)不同類型和容量的電池。通過(guò)合理控制充電電流可以提高充電效率，并避免過(guò)度充電或過(guò)快充電造成的損害。

充電電壓控制：根據(jù)電池的工作電壓范圍控制充電機(jī)的輸出電壓。充電機(jī)應(yīng)能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓，以滿足電池充電的需求。同時(shí)，充電機(jī)還需根據(jù)電池的充電狀態(tài)和充電特性，調(diào)整輸出電壓以實(shí)現(xiàn)最佳的充電效果。

充電保護(hù)功能：充電機(jī)應(yīng)配備多種保護(hù)功能，以確保充電過(guò)程的安全性和可靠性。常見(jiàn)的充電保護(hù)功能包括過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)和短路保護(hù)等[7]。這些保護(hù)功能能夠監(jiān)測(cè)電池和充電機(jī)的工作狀態(tài)，并在異常情況下自動(dòng)中斷或調(diào)整充電過(guò)程，以防止設(shè)備損壞或安全事故的發(fā)生[8]。

充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)和顯示：充電機(jī)通常具有充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)和顯示功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電電流、電壓和充電時(shí)間等參數(shù)，以供用戶查看和控制。這些信息能夠幫助用戶了解電池的充電狀態(tài)，以便做出合理的操作和決策。

結(jié)束語(yǔ)

固定式汽車直流充電機(jī)的意義和價(jià)值體現(xiàn)在推動(dòng)電動(dòng)汽車普及、解決充電設(shè)施不足、節(jié)約能源資源以及促進(jìn)清潔能源發(fā)展等方面。電動(dòng)汽車在充電過(guò)程中可采用清潔能源來(lái)供電，因此汽車直流充電機(jī)的發(fā)展能夠帶動(dòng)清潔能源發(fā)電設(shè)施的建設(shè)和利用，促進(jìn)可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。汽車直流充電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代交通領(lǐng)域的重要任務(wù)和發(fā)展方向，對(duì)推動(dòng)可持續(xù)交通和環(huán)境保護(hù)具有重要推動(dòng)作用。