電動汽車車載充電系統(tǒng)性能提升研究

【摘 "要】車載充電系統(tǒng)能將公共電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化為車載儲能用的直流電給電動汽車補能，是電動汽車重要的組成部分，其高效的性能指標也成為各車企研究的重點。目前車載充電系統(tǒng)由前級PFC功率因數(shù)校正電路和后級DCDC變換電路的兩級結(jié)構(gòu)組成，選擇適當(dāng)?shù)耐負浣Y(jié)構(gòu)對車載充電系統(tǒng)的性能效率提升有著至關(guān)重要的作用。本文選擇一臺某公司某車型在用3.3kW車載充電機產(chǎn)品，通過對其拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化、元器件重新選型，設(shè)計優(yōu)化其功率因數(shù)和效率指標，打造高性能優(yōu)勢產(chǎn)品。

【關(guān)鍵詞】電動汽車；車載充電系統(tǒng)；OBC；PFC；LLC

中圖分類號：U469.72 " " " " " 文獻標志碼：A " " " " "文章編號：1003-8639（2023）

Research on performance improvement of on-board charging system of electric vehicle

Qin Jian-xuan，Yang Biao-lin，Yang zheng-shu，Peng Cheng-rong

（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou545007，China）

【Abstract】Vehicle charging system can convert alternating current from public power grid into direct current for vehicle energy storage to recharge electric vehicles，which is an important component of electric vehicles. Its efficient performance indicators have also become the focus of research by various automobile enterprises.At present，the on-board charging system is composed of a two-stage structure of the front PFC power factor correction circuit and the rear DCDC conversion circuit. Selecting an appropriate topology structure plays a crucial role in improving the performance and efficiency of the on-board charging system.This paper selects a 3.3kW on-board charger product used by a certain model of a certain company，and designs and optimizes its power factor and efficiency index by optimizing its topology structure，re-selecting components，so as to create high-performance superior products.

【Keywords】Electric vehicles；Vehicle charging system；OBC；PFC；LLC

作者簡介：秦健璇（1994—），女，助理工程師，研究方向為新能源汽車充電系統(tǒng)。

收稿日期：2023-03-31

1 "前言

在國家“碳達峰”、“碳中和”的雙碳戰(zhàn)略推動下，汽車產(chǎn)業(yè)正加速向低碳化發(fā)展轉(zhuǎn)型，電動汽車作為低碳能源消費革命的重要環(huán)節(jié)，相較于傳統(tǒng)燃油汽車更環(huán)保、更節(jié)能，故其發(fā)展也迎來新的機遇。隨著電動汽車的市場占有率越來越高，用戶端對電動汽車的使用感提出更高的要求，車載充電系統(tǒng)是電動汽車充電補電的關(guān)鍵裝置，也是用戶端能直觀體驗的重要部分，需要高功率因數(shù)、高效率、高功率密度、高可靠性等要求。因此，對車載充電系統(tǒng)性能提升的研究具有非常重要的經(jīng)濟意義和現(xiàn)實意義。

本文優(yōu)化了某車型上使用的一款3.3kW車載充電機。從拓撲角度出發(fā)，以無橋PFC代替原方案的橋式整流PFC、LLC諧振變換替代原方案的移相全橋方案；從器件選型角度出發(fā)，選取低損耗、高開關(guān)頻率的功率電子器件；從功能電路角度出發(fā)，去除輸出直流側(cè)預(yù)充防反電路等。降低功率損耗，提高整機效率，提高整機整體可靠性，從而進一步提升車載充電系統(tǒng)性能及推動其普及使用。

2 "車載充電機系統(tǒng)拓撲方案說明

本文所述車載充電機采用前級AC-DC和后級DC-DC兩級結(jié)構(gòu)，前級的AC-DC電路作用是功率因數(shù)校正及交流變成穩(wěn)定的直流母線電壓，后級DC-DC電路作用是提供電氣隔離，控制輸出電壓及功率，實現(xiàn)給動力電池充電。下文將先介紹某車型在用3.3kW車載充電機產(chǎn)品每個部分現(xiàn)有拓撲方案，如圖1所示，并在現(xiàn)有方案介紹后提出性能提升方案。

圖1 "車載充電機拓撲框圖

3 "車載充電機性能提升方案

3.1 "前級AC-DC拓撲

前級AC-DC電路主要由輸入EMI電磁兼容濾波及保護電路、橋式整流電路、PFC有源功率因數(shù)校正電路組成。

1）輸入EMI電磁兼容濾波及保護電路：保護電路由交流輸入熔斷絲、跨接在L線N線間置于熔斷絲后的壓敏電阻組成。該部分可作為交流電壓浪涌吸收器，當(dāng)交流電網(wǎng)因雷電或市電高電壓過壓等原因產(chǎn)生高壓尖峰脈沖干擾時，壓敏電阻從高阻態(tài)關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)導(dǎo)通狀態(tài)，瞬間流過大電流，將高壓尖脈沖或市電過電壓吸收，此時的瞬間大電流可能會熔斷熔斷絲，保護電路共同作用保護后級電路避免元件損壞。EMI濾波電路由接在L線N線間濾除差模干擾的安規(guī)X電容、接在L-GND和N-GND間濾除共模干擾的安規(guī)Y電容、共模電感等元件組成。該部分可濾除外部電網(wǎng)的高頻脈沖對車載充電機的影響以及車載充電機對外部電網(wǎng)的污染。輸入EMI濾波及保護電路原理如圖2所示。

圖2 "輸入EMI濾波及保護電路原理圖

2）PFC功率因數(shù)校正電路：車載充電機的PFC功率因數(shù)校正電路是為了保證輸入的交流電壓與電流同相位，確保輸入電流盡可能接近正弦波形。PFC功率因數(shù)決定了車載充電機的能量利用效率，同時降低車載充電系統(tǒng)對電網(wǎng)的諧波影響，減少對電網(wǎng)的干擾。某車型原方案車載充電機PFC電路采用整流橋+BOOST升壓有源功率因數(shù)校正。電路元件包含：整流橋、PFC電感、升壓二極管、抗浪涌旁路二極管、PFCMOS開關(guān)管、PFC母線電容。該方案下的整流橋二極管導(dǎo)通損耗大，此電路區(qū)域工作時每次都有2個整流二極管、1個PFCMOS管或者1個升壓二極管導(dǎo)通，每次導(dǎo)通3個功率器件。原車型使用的傳統(tǒng)橋式整流+PFC電路原理如圖3所示。

圖3 "原車型使用的傳統(tǒng)橋式整流+PFC電路原理圖

為減少開關(guān)損耗，這部分可改進拓撲，取消整流橋電路選用優(yōu)化方案1：無橋PFC方案，元件包含1個PFC電感、2個PFCMOS開關(guān)管、2個整流二極管，該電路相當(dāng)于在每個正周期內(nèi)和負周期內(nèi)等效1個Boost升壓拓撲。此電路區(qū)域工作時，每次都只有1個整流二極管、1個PFCMOS管導(dǎo)通，每次導(dǎo)通2個功率器件，相較于有橋PFC減少損耗約30.5W，效率提升約0.92%，同時MOS還可選取低導(dǎo)通電阻的低阻態(tài)型號，如導(dǎo)通電阻99mR的MOS改為40mR的MOS，損耗可降低約14.3W，提升該部分電路效率約0.43%。但是該方案因為PFC的主體都在高頻電感之后，相對于大地（Earth）的電位是高速變化的，會產(chǎn)生更高的EMI問題。具體通過處理電感、開關(guān)管的位置也可以改善EMI，滿足電磁兼容要求。無橋PFC方案電路原理如圖4所示。

圖4 "無橋PFC方案電路原理圖

除上述的無橋PFC方案，還有更高效的優(yōu)化方案2無橋交錯并聯(lián)PFC方案（圖5），包含6個開關(guān)管、2個PFC電感。交流輸入整流橋二極管被同步整流MOS代替，相較方案1的MOS選型，此方案損耗可進一步降低14.4W。但關(guān)聯(lián)增加MOS管器件，以及需要額外增加檢測電路或控制方法來檢測電網(wǎng)電壓的零點，使得控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度加大，同時設(shè)計成本高，3.3kW充電機很少使用此方案。

圖5 "無橋交錯并聯(lián)PFC電路原理圖

以上介紹的兩種PFC優(yōu)化方案，雖然無橋交錯并聯(lián)PFC方案提升效率更佳，但考慮EMC優(yōu)化、控制程度、成本控制幾個方面，最終選取無橋PFC拓撲為效率提升優(yōu)化方案。

3.2 次級DC-DC拓撲

次級DC-DC變換器是車載充電機的核心，DC/DC根據(jù)動力電池的電壓及BMS工作狀態(tài)信息指令，調(diào)節(jié)輸出電壓和工作模式響應(yīng)輸出。電路拓撲類型較多，該DC/DC變換工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，一般采用軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)，從而降低開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)效率。軟開關(guān)技術(shù)的主流常見方案有移相全橋DC/DC變換器和LLC諧振變換器。

某車型原方案車載充電機次級DC-DC電路采用移相全橋方案（圖6），開關(guān)管的工作方式為移相互部導(dǎo)通，通過移相互部導(dǎo)通的方式使得變壓器漏感、開關(guān)管結(jié)電容和外部諧振電感進行諧振，實現(xiàn)軟開關(guān)，但是也存在一些缺點：①因存在滯后橋臂，輕載時難以實現(xiàn)ZVS零電壓開通，開關(guān)損耗加大；②因變壓器漏感，副邊同步整流不好控制，出現(xiàn)丟失占空比的現(xiàn)象；③輸出部分需要有LC濾波，該部分電路體積較大，損耗對應(yīng)增加。

圖6 "移相全橋原理圖

針對移相全橋方案以上缺點，優(yōu)化方案考慮選取LLC諧振變換方案，可滿足小體積、低損耗、高頻化、高效率，LLC諧振變換器將直流電壓、電流逆變成方波，再通過諧振轉(zhuǎn)換成諧振電壓、諧振電流，進而再經(jīng)過高頻的整流、低通輸出濾波，以獲得給動力電池輸出的較大調(diào)壓范圍的充電電壓。LLC諧振變換器通過利用電感和電容諧振，使逆變側(cè)開關(guān)管工作在ZVS零電壓開通，副邊整流管工作在ZCS零電流關(guān)斷狀態(tài)，避免開關(guān)管通斷時電壓、電流重合，實現(xiàn)軟開關(guān)，減少開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率；同時，諧振電路里的勵磁電感與變壓器的漏感可復(fù)用，減少電路體積，提高功率密度。改為LLC方案可減少損耗約15.5W，可提升效率約0.47%。LLC諧振變換方案電路原理如圖7所示。

圖7 "LLC諧振變換原理圖

3.3 "優(yōu)化后車載充電機整體拓撲

上文對前級PFC電路和次級DC-DC隔離電路方案對比，優(yōu)化了其整體主功率拓撲方案為無橋PFC電路+LLC諧振變換電路，通過無橋、軟開關(guān)技術(shù)，整體減少系統(tǒng)損耗，減小器件體積。再結(jié)合整車環(huán)境下電池有預(yù)充回路，考慮成本、實用性及穩(wěn)定性，取消OBC輸出直流側(cè)預(yù)充防反電路，包括預(yù)充電阻、防反二極管、輸出繼電器及驅(qū)動電路。完成車載充電機的性能提升要求，整體效率提升約1.82%。優(yōu)化后的車載充電機整體拓撲如圖8所示。

圖8 "優(yōu)化后車載充電機拓撲框圖

4 "測試驗證

以上述方案制作一臺性能提升的3.3kW車載充電機，以整機充電轉(zhuǎn)換效率為評判指標。測試結(jié)果：整機效率在滿負載、不同輸出電壓下，平均效率提升1.74%，與理論計算結(jié)果1.82%相差不大，達到優(yōu)化設(shè)計的預(yù)期效果。優(yōu)化前后充電效率曲線如圖9所示。

圖9 "優(yōu)化前后充電效率對比圖

5 "結(jié)論

本文介紹車載充電機性能提升方案，從拓撲理論說明至優(yōu)化設(shè)計，最后到測試驗證。多措并舉，使車載充電機的性能得到改善，提升產(chǎn)品滿意度。

參考文獻：

[1]趙忠武. 關(guān)于電動汽車車載充電機開發(fā)設(shè)計［J］. 汽車電器，2020（12）：26-29.

[2]易俊宏，馬紅波，孟慶偉. 高效率、高功率密度無橋PFC設(shè)計［J］. 電力電子技術(shù)，2017，51（12）：112-116.

[3]蔣正榮，牛冰月. LLC諧振變換器分析及控制方法綜述［J］. 電子測試，2021（19）：63-65.

（編輯 "楊凱麟）