電動(dòng)車用鋰電池單級(jí)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)車用鋰電池單級(jí)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

針對(duì)傳統(tǒng)兩級(jí)鋰電池車載充電機(jī)的特點(diǎn)，課題研制的電動(dòng)汽車用鋰電池單級(jí)車載充電機(jī)，采用UCC28070做為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、恒流以及充電過程控制算法，設(shè)計(jì)了單級(jí)功率變換的硬件控制電路。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，車載充電機(jī)較好地實(shí)現(xiàn)了充電過程控制、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);單級(jí);斜率補(bǔ)償;雙環(huán)控制

隨著電動(dòng)汽車研究的深入，電動(dòng)汽車的相關(guān)技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視，車載充電機(jī)被列入863項(xiàng)目電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，目前國(guó)內(nèi)僅有的幾家單位生產(chǎn)的電動(dòng)汽車用車載充電機(jī)采用傳統(tǒng)的兩級(jí)功率變換結(jié)構(gòu)，存在體積大、效率低的特點(diǎn)，很難滿足電動(dòng)汽車對(duì)車載充電機(jī)的需求，研制電動(dòng)汽車用高效率高功率密度車載充電機(jī)具有重要意義，本課題研制的一種單級(jí)車載充電機(jī)，具有體積小、效率高、成本低的特點(diǎn)，有一定的應(yīng)用前景[1,2]。

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在單相交流電壓輸入時(shí)，通過AC-DC-AC-DC變換，車載充電機(jī)按照鋰電池組最優(yōu)充電曲線實(shí)現(xiàn)直流電壓輸出，同時(shí)為了提高車載充電機(jī)的抗干擾性和減小對(duì)電網(wǎng)的污染，系統(tǒng)增加了輸入EMI濾波器和輸出紋波濾波電路，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 充電機(jī)主電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Main circuit diagram of charger

該主電路是一種帶隔離變壓器的單級(jí)功率因素校正電路，Lg1,Lg2及輔助電容組成，輸入EMI濾波器,L1的作用將整流輸出直流電壓轉(zhuǎn)換成直流恒定電流,Q1,Q2,Q3,Q4,T1,D6,D7,D8,D9功率轉(zhuǎn)換電路，Lg3,Lg4及輔助電容組成輸出EMI濾波器，顯著減小輸出紋波數(shù)值[3,4]。

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 V～265 V，輸出電壓：DC 120 V～175.2 V

(2)額定電流：16 A；功率因素：＞97%；效率：＞93%

(3)體積：330 mm×262 mm×110 mm，重量＜12 kg

(4)工作溫度：-200C～850C

2.2 單級(jí)功率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

為減小充電機(jī)對(duì)電網(wǎng)的污染，降低諧波含量，在提高充電機(jī)功率因素的同時(shí)，保證其有較高的功率密度，采用有源單級(jí)隔離方案，當(dāng)Q1，Q4，T1，D6，D9導(dǎo)通與Q2，Q3，T1，D7，D8導(dǎo)通時(shí)的等效電路如圖2所示。

圖2等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram

圖3 連續(xù)模式電感電流和電容電壓波形圖Fig.3 The inductor current and the capacitor voltage waveform in continuous mode

其等效電路為Boost型DC-DC變換器，電感電流工作在CCM工作模式，采用平均電流控制模式，減小開關(guān)管的應(yīng)力[5]。

2.2.1 儲(chǔ)能電感設(shè)計(jì)在連續(xù)模式的每一個(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的體積。

其中：E-輸入直流電壓，U0-升壓電路輸出電壓，f-MOSFET工作頻率，L-電感量

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10%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。

2.2.2 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、電壓紋波以及過電壓值。

在圖3中，在0～t1之間，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：

2.2.3 變壓器設(shè)計(jì)課題中采用的高頻變壓器工作頻率為35 KHz，因此要求鐵心高頻損耗小，導(dǎo)磁能力和抗飽和能力強(qiáng)，采用鎳鋅EE型磁芯。

二次側(cè)視在功率：P2S=IO×(VO+2Vd)=16.0×(175.2+2)=2835.2(VA)

由于骨架占用鐵心窗口面積，此時(shí)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：

我們選用的磁心型號(hào)：EE75。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的主要功能為：逆變橋驅(qū)動(dòng)與控制、電壓電流信號(hào)采集、充電過程控制、充電電壓電流給定、狀態(tài)監(jiān)控以及保護(hù)功能，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 System control block diagram

2.3.1 脈沖產(chǎn)生控制電路設(shè)計(jì)基于電流饋電拓?fù)涞膯渭?jí)車載充電機(jī)結(jié)構(gòu)中，在圖1中Q1和Q4脈沖相同，Q2和Q3脈沖相同，但是相位相差1800，同時(shí)兩路脈沖必須有一定的重疊角度，以保證開關(guān)管可靠換相[6-8]，采用控制芯片是UCC28070，是一款連續(xù)模式控制器，可以在較寬的輸入電壓范圍、較大功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率因素高達(dá)0.99，具有完善的過壓、過流、開路保護(hù)、頻率與占空比可編程以及軟啟動(dòng)等功能。控制電路如圖5所示，其中INACV為前饋補(bǔ)償電壓輸入，3腳和4腳構(gòu)成輸出電壓反饋電路，6腳、8腳、9腳、11腳和12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。

2.3.2 電壓/電流調(diào)節(jié)控制電路設(shè)計(jì)圖6中，00,UI是輸出電壓和輸出電流反饋，其中1AU的1腳是電流外環(huán)的輸出作為電壓內(nèi)環(huán)的參考值，31,RC是電流環(huán)的反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，1413,RC是電壓環(huán)的反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，線性光藕7U的輸出是14U的5腳輸入，該輸入電壓是調(diào)節(jié)脈沖寬度的控制電壓。

圖5 PWM控制電路圖Fig.5 PWM control circuit diagram

圖6 雙閉環(huán)控制電路圖Fig.6 Double closed loop control circuit diagram

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，由軟件控制充電過程，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，軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Software structure diagram

圖8 雙閉環(huán)控制框圖Fig.8 Dual closed-loop control block diagram

3.1 充電過程控制結(jié)構(gòu)原理

正常啟動(dòng)后，開始恒流16A充電，外環(huán)為電流環(huán)，當(dāng)充電電壓達(dá)到175.2 V以后，系統(tǒng)開始恒壓充電，直到充電電流小于0.5A以后充電完成，系統(tǒng)安全關(guān)機(jī)，充電過程控制原理圖如圖8所示[9-12]。

Ig是給定的輸出電流值，fI是反饋電流值，gU電流環(huán)的輸出作為電壓環(huán)的參考值，fU是反饋電壓值。

3.2 啟動(dòng)過程控制原理

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)檢查輸入是否過壓、欠壓，電池狀態(tài)是否正常，是否過熱，自檢正常后，進(jìn)入啟動(dòng)工作模式。啟動(dòng)流程圖如圖9所示。

圖9 啟動(dòng)過程流程圖Fig.9 Flow chart of startup process

4 測(cè)試結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析

4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

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)，我們制做了樣機(jī)，在單相交流電壓85 V～265 V的范圍內(nèi)，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10、圖11所示，各種條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10 交流輸入電壓電流波形Fig.10AC input voltage and current waveforms

圖11 充電過程波形Fig.11 Charging process waveform

表1 單機(jī)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Stand-alone system test data

4.2 數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)樣機(jī)功率為3300 W，系統(tǒng)要求輸入電壓的范圍為85 V～265 V，輸出直流電壓為0 V～175.2 V，輸出電流為0 A～16 A，利用功率分析儀對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，表1中的測(cè)試數(shù)據(jù)是在輸出恒流且電流為8 A的條件下測(cè)試的數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果得到下面結(jié)論：

(1)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；

(2)采用電流型全橋逆變結(jié)構(gòu)，避免了橋臂上兩個(gè)開關(guān)管互通造成的短路現(xiàn)象，沒有輸出濾波電感，減小了充電機(jī)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性；

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

5 結(jié)論

單級(jí)PFC模式的車載充電機(jī)在實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換的同時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因素。該車載充電機(jī)具有較高的功率因素，可靠性高，較傳統(tǒng)的兩級(jí)車載充電機(jī)結(jié)構(gòu)體積大大減小。目前該充電機(jī)進(jìn)入產(chǎn)品試驗(yàn)階段。

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Development of Lithium Battery Single-stage on-Board Charger for ElectricVehicle

MEI Jian-wei,JIANG Wei-rong,CHENG Deng-liang,ZHANG Kai
CollegeofElectricalandInformationEngineering,HubeiUniversityofAutomotiveTechnology,Shiyan442002,China

Combined with the characteristics of the traditional two lithium batteries on-board charger,the lithium battery Single-stage on-board charger was developed for electric vehicles,it used UCC28070 as system control core and MC9S08DZ60 as system monitoring and data transmission control core,control algorithm was developed,such as constant voltage,constant current and charging process,control circuit of the power transform was designed.Prototype experimental results showed that control of the charging process,data transmission,monitoring and protection functions of the on-board charger were achieved and high power factor and efficiency was obtained.

on-board charger;single-stage;slope compensation;double-loop control

TM910.6

A

1000-2324(2014)03-0382-05

2012-10-22

2012-11-02

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

梅建偉(1978-),男,講師,主要研究方向?yàn)?電力電子變換技術(shù)與DSP應(yīng)用.E-mail:Bainiangudu1999@163.com