電動(dòng)車用鋰電池車載充電機(jī)的研制

梅建偉，蔣偉榮，程登良，張 凱

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

電動(dòng)車用鋰電池車載充電機(jī)的研制

梅建偉，蔣偉榮，程登良，張 凱

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

研制了電動(dòng)汽車用鋰電池車載充電機(jī)，采用L4981和KA3846作為兩級(jí)功率變換的控制核心，以MC9S08DZ60作為系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂坪诵模_發(fā)了恒壓、恒流以及充電過(guò)程控制算法，設(shè)計(jì)了兩級(jí)功率變換的硬件控制電路。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，車載充電機(jī)較好地實(shí)現(xiàn)了充電過(guò)程控制、數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控以及保護(hù)等功能，獲得了較高的功率因素和效率。

車載充電機(jī)；AP FC逆變器；斜率補(bǔ)償；雙閉環(huán)控制

以動(dòng)力電池為能源的電動(dòng)汽車是2l世紀(jì)的綠色工程，隨著電動(dòng)汽車研究的深入，電動(dòng)汽車的相關(guān)技術(shù)也得到國(guó)內(nèi)外的廣泛重視，車載充電機(jī)被列入“十五”～“863”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，目前國(guó)內(nèi)的一些生產(chǎn)單位的充電機(jī)主要面向電瓶車、游覽車以及電池維護(hù)等應(yīng)用場(chǎng)合，僅有的幾家單位生產(chǎn)的電動(dòng)汽車車載便攜式充電機(jī)很難滿足車載充電機(jī)需求的快速發(fā)展，研制電動(dòng)汽車大功率高功率密度充電機(jī)具有重要意義。

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該主電路是一中帶隔離變壓器的兩級(jí)功率因素校正電路，其中，Lg1，lg2及輔助電容組成輸入EM I濾波器，L1，C1，D1，C3，Q5構(gòu)成升壓型前級(jí)PFC電路，Q1，Q2，Q3，Q4，T1，D2，D3，D4，D5組成后級(jí)的功率轉(zhuǎn)換電路，Lg3，lg4及輔助電容組成輸出EM I濾波器，顯著減小紋波數(shù)值[1]。圖1為充電機(jī)主電路結(jié)構(gòu)圖。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

（1）輸入電壓：AC 85～265 V；輸出電壓：DC 120～175.2 V；

圖1 充電機(jī)主電路結(jié)構(gòu)圖

（2）額定電流：16 A；功率因素：＞97%；效率：＞93%；

（3）體積：330mm×262mm×110mm，質(zhì)量＜12 kg；工作溫度：－20～85℃。

2.2 兩級(jí)AP FC電路設(shè)計(jì)

為減小充電機(jī)對(duì)電網(wǎng)的污染，降低諧波含量，必須提高充電機(jī)的功率因素。采用有源兩級(jí)串聯(lián)方案。其中前級(jí)為Boost型DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)有源功率因素調(diào)整，后級(jí)為DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)輸出功率調(diào)節(jié)和輸出。Boost型DC-DC變換器采用硬件控制模式，電感電流工作在CCM工作模式，采用平均電流控制方法，減小開關(guān)管的應(yīng)力[2-3]。

（1）儲(chǔ)能電感設(shè)計(jì)

在連續(xù)模式中，在每一個(gè)開關(guān)周期中，儲(chǔ)存在升壓電感中的能量不是全部轉(zhuǎn)移到輸出電容中，電感值的大小決定了輸入端的高頻紋波電流的大小，這有助于減小噪音和輸入濾波器。

根據(jù)前面提供的技術(shù)參數(shù)，電感電流的波動(dòng)量為電路平均電流的30%左右。

考慮到電感的體積和抗飽和特性，磁芯材料采用鐵硅鋁，環(huán)型磁芯。

（2）輸出儲(chǔ)能電容設(shè)計(jì)

輸出儲(chǔ)能電容的大小主要取決于輸出電壓、輸出功率、電壓紋波以及過(guò)電壓值。

連續(xù)工作模式中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電容一直放電，電容的平均電流等于輸出平均電流，即：IC=I0，電容峰-峰波動(dòng)電壓為：，課題中則

（3）變壓器設(shè)計(jì)

課題中采用的高頻變壓器的工作頻率為35 kHz，因此要求鐵心高頻損耗小，導(dǎo)磁能力強(qiáng)，抗飽和能力強(qiáng)。因此這里采用鎳鋅EE型磁芯。

由于骨架占用鐵心窗口面積，實(shí)際利用的磁心窗口面積僅僅能達(dá)到理論值的0.6，因此整個(gè)窗口利用系數(shù)被降低了，此時(shí)磁心幾何常數(shù)要乘上1.67，并且窗口利用系數(shù)按0.24計(jì)算電流密度，故：

我們選用鐵粉末EE型磁心，磁心型號(hào)為EE55B。

2.3 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路的主要功能為：APFC驅(qū)動(dòng)與控制、逆變橋驅(qū)動(dòng)與控制、信號(hào)采集、充電過(guò)程控制以及保護(hù)功能。所以本控制系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分。圖2為系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

（1）APFC控制電路

課題采用控制芯片是L4981A，是一款連續(xù)模式平均電流控制器，可以在較寬的輸入電壓范圍、功率范圍內(nèi)功率因素高達(dá)0.99，具有完善的過(guò)壓、過(guò)流以及軟啟動(dòng)功能。控制電路如圖3所示，其中RST端用單片機(jī)控制L4981A的啟動(dòng)和停止，IAC，VRMS為前饋補(bǔ)償?shù)碾妷汉碗娏鬏斎耄?3腳和14腳構(gòu)成輸出電壓反饋電路，5腳、8腳和9腳構(gòu)成電流反饋電路，電壓反饋環(huán)是外環(huán)，電流反饋環(huán)是內(nèi)環(huán)，電壓反饋的輸出作為電流反饋環(huán)的參考值[4]。

圖3 P FC控制電路圖

（2）逆變控制電路

逆變電路采用電流型控制芯片KA3846，為了抑制電路中的震蕩，采用斜率補(bǔ)償技術(shù)，取自震蕩電容的電壓與開關(guān)管的電流取樣電壓進(jìn)行疊加，如果自震蕩電容的電壓斜率等于輸出電感電流下降斜率的一半，那么輸出電感電流的平均值與開關(guān)管的脈沖寬度無(wú)關(guān)，這樣就解決了只恒定電感峰值電流而不是恒定電感平均電流而造成的問(wèn)題。其控制和補(bǔ)償電路如圖4所示。

圖4 逆變器控制電路圖

（3）電壓/電流調(diào)節(jié)控制電路

圖5中，U0，I0是輸出電壓和輸出電流反饋，其中U1A的1腳是電流外環(huán)的輸出做為電壓內(nèi)環(huán)的參考值，R3，C1是電流環(huán)的反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，R14，C13是電壓環(huán)的反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，線性光藕U7的輸出是U14的5腳輸入，該輸入電壓是調(diào)節(jié)脈沖寬度的控制電壓[5-6]。

圖5 雙閉環(huán)控制電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的功能主要完成啟動(dòng)前的診斷，判斷充電機(jī)工作前的各項(xiàng)指標(biāo)是否符合要求。符合技術(shù)要求后，軟件系統(tǒng)控制各個(gè)模塊進(jìn)入啟動(dòng)子程序，啟動(dòng)完成后，有軟件控制充電過(guò)程，同時(shí)對(duì)充電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，決定系統(tǒng)是進(jìn)入正常運(yùn)行模式還是保護(hù)工作模式。

3.1 充電過(guò)程控制結(jié)構(gòu)原理

正常啟動(dòng)后，開始恒流16 A充電，外環(huán)為電流環(huán)，當(dāng)充電電壓達(dá)到175.2 V以后，開關(guān)K合上，系統(tǒng)開始恒壓充電，直到充電電流小于0.5 A以后充電完成，系統(tǒng)安全關(guān)機(jī)，充電過(guò)程控制原理圖如圖6所示。

圖6 雙閉環(huán)控制框圖

Ig是給定的輸出電流值，If是反饋電流值，Ug是電流環(huán)的輸出作為電壓環(huán)的參考值，Uf是反饋電壓值[7-10]。

3.2 啟動(dòng)過(guò)程控制原理

啟動(dòng)流程是否合理決定了Boost電路的超調(diào)量、逆變橋的可靠性以及輸出繼電器是否能可靠工作。啟動(dòng)后，診斷系統(tǒng)檢查輸入是否過(guò)壓、欠壓，電池狀態(tài)是否正常，是否過(guò)熱，自檢正常后，進(jìn)入啟動(dòng)工作模式。啟動(dòng)流程圖如圖7所示。

圖7 啟動(dòng)過(guò)程流程圖

3.3 測(cè)試結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)東風(fēng)某公司某型電動(dòng)車車載充電機(jī)的技術(shù)要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我們制作了樣機(jī)，在單相交流電壓85～265 V的范圍內(nèi)，分別進(jìn)行了啟動(dòng)PFC與不啟動(dòng)PFC兩個(gè)環(huán)境下，對(duì)充電機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖8所示，各種條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖8 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)波形圖

（1）測(cè)試數(shù)據(jù)

表1 單機(jī)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

（2）數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)樣機(jī)單機(jī)功率為1 500W，系統(tǒng)要求輸入電壓的范圍為85～265 V，輸出直流電壓為0～175.2 V，輸出電流為0～16 A，利用功率分析儀對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果得到下面結(jié)論：

(a)在較寬的交流輸入電壓范圍和較大的負(fù)載變換范圍內(nèi)，功率因素都在0.99以上，具有較好的功率因素校正功能；

(b)采用具有斜率補(bǔ)償功能的電流型控制芯片KA3846，極大地提高了功率轉(zhuǎn)換部分的可靠性，同時(shí)降低了輸出電壓的紋波；

(c)對(duì)系統(tǒng)輸出電壓和電流的測(cè)試，充電機(jī)的充電過(guò)程實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)過(guò)程、恒流到恒壓的無(wú)擾動(dòng)轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)論

兩級(jí)PFC模式的車載充電機(jī)具有獨(dú)立的PFC單元，其與功率轉(zhuǎn)換單元相對(duì)獨(dú)立，該車載充電機(jī)具有較高的功率因素，可靠性高，目前應(yīng)用該充電機(jī)的純電動(dòng)車已經(jīng)投入運(yùn)行，運(yùn)行效果良好。后期的主要工作是提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和減小體積，提高整機(jī)的性價(jià)比。

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Development of lithium battery on-board charger forelectric vehicle

MEIJian-wei,JIANGWei-rong,CHENG Deng-liang,ZHANG Kai
(College of Electricaland Information Engineering,HubeiUniversity of Automotive Technology,Shiyan Hubei442002,China)

The lithium battery on-board charger was developed for electric vehicles with L4981A and KA3846 as system control core. With MC9S08DZ60 as system monitoring and data transmission control core, the control algorithm was developed,such as constant voltage,constant current and charging process,and control circuit of the power transform was designed. Prototype experimental results show that control of the charging process, data transmission,monitoring and protection functions of the on-board charger are achieved and high power factor and efficiency was obtained.

on-board charger;APFC,inverter;slope compensation;double-loop control

TM 912

A

1002-087 X(2013)11-1951-03

2013-04-08

并聯(lián)型車載充電機(jī)關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題研究（ZDK201201）

梅建偉（1978—），男，湖北省人，講師，主要研究方向?yàn)樘胤N電源研制與DSP應(yīng)用。