1．5KW電動(dòng)汽車車載充電器的研究與設(shè)計(jì)

丁緒星，張玉峰，姚 健(1．安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

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1．5KW電動(dòng)汽車車載充電器的研究與設(shè)計(jì)

丁緒星，張玉峰，姚 健
(1．安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

摘 要:LLC半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有高頻化、高效率和高功率密度等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于中小功率開(kāi)關(guān)電源中．本文基于基波分析法分析了LLC半橋諧振原理，采用Mathcad分析了不同K值下的Q值增益曲線對(duì)直流輸出的影響．采用5階段充電法研究設(shè)計(jì)了一種功率1500W、主頻率120KHz的電動(dòng)汽車車載充電器．經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該車載充電器電壓紋波小，噪聲低，比同類產(chǎn)品效率提升約2%．

關(guān)鍵詞:LLC半橋;基波分析法;車載充電器

引用格式:丁緒星，張玉峰，姚?。?．5KW電動(dòng)汽車車載充電器的研究與設(shè)計(jì)［J］．安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015，38(2) :134－137．

國(guó)家對(duì)低碳、環(huán)保、高效節(jié)能的新能源大力倡導(dǎo)，使得電動(dòng)汽車業(yè)發(fā)展迅速，但是配套的專用充電樁價(jià)格昂貴，普及的城市很少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于目前的新能源發(fā)展速度［1］．車載充電器能有效的解決這一問(wèn)題，使得電動(dòng)汽車普及率大大的提升．目前國(guó)內(nèi)外多款電動(dòng)汽車都配置車載充電器，但充電效率低，充電電池發(fā)熱量高，電池長(zhǎng)時(shí)間充不滿等問(wèn)題隨之而來(lái)，針對(duì)以上問(wèn)題，本文以國(guó)產(chǎn)某款新能源電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，研制了一種1500W車載充電器，其輸出電壓為54V－73．5V，輸出電流為3A－20A，應(yīng)用5階段恒流恒壓充電方式，帶有溫度補(bǔ)償系統(tǒng)．相比較其他同款產(chǎn)品，該車載充電器避免了電池因過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫導(dǎo)致的損壞．功率轉(zhuǎn)換電路采用LLC半橋變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠工作在零電壓，零電流的軟開(kāi)關(guān)模式，極大的減少了開(kāi)關(guān)損耗．相比較全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗不平衡能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了充電器高頻化，高效率，體積小等優(yōu)勢(shì)．因此，本文設(shè)計(jì)的車載充電器具有廣闊的市場(chǎng)前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值．

1　充電器總體設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際要求，充電器總體設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示．

總體方案采用AC/DC－DC/ DC二級(jí)結(jié)構(gòu)．主要部分為APFC LLC半橋諧振電路和控制保護(hù)電路．APFC電路為L(zhǎng)LC半橋提供380－430V直流電，LLC半橋諧振網(wǎng)絡(luò)將直流經(jīng)高頻變壓器轉(zhuǎn)化為方波電壓輸出．最后通過(guò)采集輸入、輸出電壓電流、溫度數(shù)據(jù)，利用單片機(jī)對(duì)APFC,LLC半橋控制器進(jìn)行反饋控制及充電曲線控制.

2　關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2．1 APFC電路設(shè)計(jì)

PFC設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是如何減小輸出直流紋波，增大PF值，增加轉(zhuǎn)換效率，減小總諧波失真．本文采用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，平均電流模式控制算法，使控制器工作在60KHz，PWM模式．輸出電壓隨輸入電壓、電流反饋而保持穩(wěn)定．具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示．

充電器啟動(dòng)時(shí)有較大的紋波和過(guò)沖電壓，為了保護(hù)Boost電路，在電感和續(xù)流二極管的兩端并聯(lián)一個(gè)保護(hù)二極管．在剛啟動(dòng)電源時(shí)保護(hù)二極管先導(dǎo)通，升壓電感L和續(xù)流二極管短路，同時(shí)給儲(chǔ)能電容充電，避免電路發(fā)生振蕩．在電路正常工作時(shí)，保護(hù)二極管不再起短路作用［2］．另外在儲(chǔ)能電容端連接一根75Ω、5W的水泥電阻，與繼電器開(kāi)關(guān)并聯(lián)，繼電器常態(tài)斷開(kāi)，當(dāng)充電器啟動(dòng)時(shí)，電壓電流檢測(cè)穩(wěn)定后自動(dòng)吸合，減小功耗．為了進(jìn)一步提高效率，減小開(kāi)關(guān)損耗，MOSFET采用低導(dǎo)通電阻的SPW35N60CFD，續(xù)流二極管采用SiC技術(shù)的STPSC606D．

2．1．1電感的制作 升壓電感的制作直接影響到輸出電壓紋波和諧波失真的大小，故線材設(shè)計(jì)時(shí)采用多股并饒的方式以減小趨膚效應(yīng)．升壓電感的電感量設(shè)計(jì)從最小輸入電壓和最大輸入功率考慮，此時(shí)經(jīng)過(guò)電感的電流和紋波最大［3］．要滿足設(shè)計(jì)要求，則滿載時(shí)輸入電流:，電流峰值時(shí)最大占空比，紋波電流一般最大為輸出值的10%－35%，按照經(jīng)驗(yàn)值取20%，VI = 0．2Iav= 1．894A．則電感量為:

2．2 LLC半橋諧振電路設(shè)計(jì)

LLC半橋諧振電路設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)，主要由MOSFET驅(qū)動(dòng)控制電路、半橋?qū)ΨQ諧振網(wǎng)絡(luò)和整流濾波網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成．由于諧振元件工作在正弦諧振狀態(tài)，MOS管上的電壓自然過(guò)零，使其工作在零電壓導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)損耗最小．拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用變頻調(diào)制(簡(jiǎn)稱PFM)方式，采用改變頻率的方式來(lái)穩(wěn)定輸出電壓，其原理為諧振電容與電感的阻抗隨工作頻率Fr變化而使得Cr與Lr的分壓發(fā)生變化，從而得到穩(wěn)定輸出電壓．諧振電容采用分體諧振電容，其輸入電流紋波和均方根值均偏小，容量為單諧振電容的一半．MOS管采用互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，各導(dǎo)通50%，考慮到MOS管死區(qū)，實(shí)際值略小于50%．圖3為L(zhǎng)LC半橋諧振電路結(jié)構(gòu)圖．

2．2．1 LLC半橋諧振電路參數(shù)分析 對(duì)于分析LLC半橋諧振電路參數(shù)，主要是要確定以下三點(diǎn): (1)滿載和輕載特性，取決于K、Q值．(2)諧振工作點(diǎn)，工作頻率大于還是小于諧振頻率區(qū)間段，取決于高頻變壓器匝比．(3)漏感和勵(lì)磁電感(Lm)與諧振電容(Cr)的取值．對(duì)于理想的變壓器和整流網(wǎng)絡(luò)，增益值固定不變．為了更好地研究LLC半橋諧振電路，一般采用基波等效分析法(FHA)等效電路來(lái)分析［3，4］．

由Mathcad繪制增益曲線如圖5所示，K越大，Q值曲線越陡峭，在同等增益條件下，其頻率Fn的變化越?。粗?，K值越小，Lr一定時(shí)，Lm偏小，MOSFET的損耗會(huì)增大．這里選K =4，在K值確定后，就得到Q值曲線，當(dāng)輸入電壓Vin與輸出電壓Vout和變壓器匝數(shù)比為定值時(shí)，根據(jù)公式可得增益Mmin的值．當(dāng)K =4，Q取0．41時(shí)，獲得的增益最大．

2．2．2高頻變壓器的設(shè)計(jì)

1．確定工作頻率

變換器的工作頻率對(duì)其體積和特性都有很大的影響．采用較高的工作頻率，可以減小高頻變壓器、輸出濾波電感和電容的體積，提高變換器的響應(yīng)速度．但是隨著工作頻率的升高，功率元器件的開(kāi)關(guān)損耗以及高頻變壓器的鐵損和銅損都會(huì)增加［5］．工作頻率在150KHz以上時(shí)，要進(jìn)行EMI測(cè)試．綜合考慮以上因素，本電路取fs=120KHz．

2．確定原副邊變比

3．變壓器初級(jí)線圈選擇

變壓器的設(shè)計(jì)考慮開(kāi)關(guān)頻率為最低時(shí)的情況，此時(shí)輸入電壓低滿負(fù)載時(shí)，利用公式計(jì)算變壓器的初級(jí)最小圈數(shù)．(其中A為變壓器磁芯橫截面積，ΔB為磁通密度的最大擺幅，一e般取0．25－0．3T．)

2．3充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充電方法的優(yōu)劣極大的影響鉛酸電池的使用壽命，鑒于三階段充電方法對(duì)電池不能很好的保護(hù)，為此針對(duì)實(shí)際使用的某款電池設(shè)計(jì)出如表1和圖6的充電控制策略．該方法的優(yōu)點(diǎn)是采集的信號(hào)直接給MCU實(shí)時(shí)調(diào)整充電曲線，故障時(shí)可保護(hù)設(shè)備安全［6，7］．

表1　五階段充電曲線

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的車載充電器樣機(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)得實(shí)驗(yàn)波形數(shù)據(jù)如圖7所示．波形1為PFC功率管的驅(qū)動(dòng)波形，頻率為80KHz．波形2是430V直流輸出波形，電壓紋波16V，低于一般30V紋波．波形3為功率管源級(jí)波形，波形穩(wěn)定，尖峰電壓．小波形4、5為互補(bǔ)對(duì)稱的諧振控制器輸出波形，頻率為120KHz．波形6、7為L(zhǎng)LC半橋功率管驅(qū)動(dòng)波形．波形9、10為高頻變壓器輸出波形，占空比0．49，電壓為140V．波形11、12為高頻變壓器初級(jí)諧振電感Lr、Lm波形．從以上波形可以看出，本文設(shè)計(jì)的1．5KW車載充電器具有輸出電壓穩(wěn)定，噪聲小，導(dǎo)通損耗小等優(yōu)點(diǎn)．

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的車載充電器，采用LLC半橋諧振拓?fù)涞碾娐?，能減小開(kāi)關(guān)損耗，提高效率．在中小功率電源設(shè)計(jì)中，半橋拓?fù)湎啾扔谌珮蛞葡嚯娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)具有驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、抗不平衡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)．充電控制方法使用5階段充電法，增加溫度補(bǔ)償方式，相對(duì)于三階段充電方法，極大的延長(zhǎng)電池的使用壽命．充電器還具有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫保護(hù)(＞65℃保護(hù)、50－65℃降功率運(yùn)行)等功能．實(shí)驗(yàn)樣機(jī)經(jīng)測(cè)試，獲得的直流輸出電壓紋波±1%，負(fù)載調(diào)整率為±0．5%，效率為93%．與其他國(guó)內(nèi)同等產(chǎn)品相比較，效率提高約2%，達(dá)到國(guó)外的同類產(chǎn)品水平．

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Research and Design of 1．5KW Electric Vehicle Charger

DING Xu-xing，ZHANG Yu-feng，YAO Jian
(College of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China)

Abstract:LLC half bridge topology is widely used in small and medium power switching power supply，which has the advantages of high frequency，high efficiency，high power density and etc．LLC half bridge resonance is analyzed based on fundamental wave analysis method．Mathcad is used to anglyze different k-values of Q-value gain influence of curve on DC output．A kind of 1500W electric vehicle charger with main frequency of 120KHz by using 5 stage charging method is designed．Experimental tests show that the on-board charger voltage ripple is small with a low noise and high efficiency which is about 2% higher than similar products．

Key words:LLC half -bridge; fundamental wave analysis method; On-board Charger

作者簡(jiǎn)介:丁緒星(1971－)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、汽車電子．

基金項(xiàng)目:安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目(1301023003)．

收稿日期:2014－10－28

DOI:10．14182/J．cnki．1001－2443．2015．02．006

文章編號(hào):1001－2443(2015) 02－0134－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TN86