基于LLC變換器的電動汽車充電機設計

張 濤 朱小平

（浙江交通職業技術學院，杭州 311112）

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基于LLC變換器的電動汽車充電機設計

張 濤 朱小平

（浙江交通職業技術學院，杭州 311112）

動力電池是電動汽車應用的核心技術之一，應用中需要進行充放電管理，充電機可以把交流電轉變為直流電，為動力電池補充能量；本文介紹了一種基于LLC變換器的電動汽車充電機設計方法，LLC諧振電路充電機工作在諧振頻率，能夠實現ZVS和ZCS，降低開關應力，減小了開關損耗，提高了充電效率；通過分析LLC諧振電路的工作特點，研究變換器的參數設計原理，并根據分析，設計了試驗樣機，進行了試驗驗證，獲得較好的實驗效果。

LLC諧振；直流-直流變換器；電動汽車

我國的動力電池的充電方式一般分為3種：車載充電機充電、外置普通充電機充電、外置快速充電機充電[1-3]。在這3種充電形式中，外置快速充電技術以其高功率、大電流、高效率、高可靠的技術要求成為研究的重點和難點。在電動汽車的推廣過程中，大眾普遍擔心的問題之一就是充電問題。電動汽車和續航里程和電池的容量相關，而電池的能量要靠充電機的持續充電完成；對于一般充電，其充電時間需要5～10h，這個時間長度極大的限制了電動汽車的使用便捷性；因而開發充電時間在20min以內的快速充電技術，是電動汽車發展中必須解決的問題。

快速充電機目前普遍采用模塊化設計技術，本文將介紹基于LLC諧振變換的電動汽車充電機直流-直流變換電路，該電路具有結構簡單、效率高的特點。

1　LLC諧振變換充電機特點

傳統PWM變換器是一種硬開關技術，其功率開關管開通或關斷時，器件上的電壓或電流不等于零，即存在開關損耗。隨著工作頻率增加，開關損耗也隨著增加，這就限制了硬開關變換器的最高工作頻率。諧振變換器是最早提出的軟開關變換器。

LLC諧振變換器是從SRC發展過來的。實際上，采用變壓器隔離的 SRC變換器[4-7]，變壓器的勵磁電感就相當于在傳統SRC變換器上增加了一個與負載并聯的電感，如圖1所示。

當LLC-SRC工作在高于諧振頻率fr處，穩態工作時一個開關周期的工作過程可分為8個階段，其工作波形和階段如圖2所示。各電流的參考方向如圖1所示，圖1中標的是電流的實際流向。

圖1　LLC諧振變換器的原理圖

圖2　LLC諧振變換器高于諧振頻率時的工作波形

當t=t1，副邊電流開始從負變正，二極管D2截止，D1導通續流，原邊電壓被箝位在nVO，勵磁電感不參與諧振，勵磁電流開始線性增加。原邊諧振電流還是為負，繼續通過Q1的寄生二極管續流。當t=t2時，諧振電流到零，該過程結束。Q1的驅動信號要在諧振電流過零前施加，這樣才能實現ZVS。同樣的道理，在t=t4時，Q2的驅動信號在來臨之前，Q2上的電壓已經降為零，可以實現ZVS。

2　LLC諧振變換器充電機參數設計

動力電池的充電過程為“恒流/恒壓”方式，充電開始為恒流充電過程，電池容量快充滿時，采用恒壓充電模式，防止電池過充；在恒流模式中，電池的充電電流固定，但電池電壓也是緩慢上升的，這要求LLC直流變換器具有較好的調壓功能，本文采用半橋式LLC變換電路，通過變壓器調整電壓的變比，以實現高壓輸出；LLC-SRC要設計的參數比較多，并且與變換器的工作狀態有很大關系，尤其是輸入電壓范圍和輸出功率范圍。要設計好參數，就要了解變換器的工作場合，以及各參數對電路性能的影響情況。在設計中要考慮的主要是輸入輸出電壓的范圍，最大輸出功率和動態響應性能等指標。

2.1變壓器參數設計

變壓器匝比主要根據輸入輸出電壓的關系和LLC變換器的增益設定確定，充電機的輸入電壓一般由PFC電路決定，是系統的直流母線電壓，比較恒定，輸出電壓是電池的充電電壓，由電池特性決定，在LLC半橋變換器中，變換器增益主要由開關頻率決定，系統的工作狀態將發生改變，具體如圖3所示。

圖3　LLC變換器輸出增益曲線

根據LLC半橋電路的工作特性可知，工作頻率等于諧振頻率時，軟開關環境最好，因此，我們根據磷酸鐵鋰電池的工作電壓曲線，鋰電池有個充電平臺，充電過程中，電壓基本不變，所以在LLC變換器充電系統中，把電池充電平臺的電壓設定為諧振頻率，這樣充電機將獲得最優的工作效率。

因此變壓器的匝比計算中，變換器的增益可以設定為1，可知

2.2勵磁電感和諧振電感參數設計

勵磁電感與諧振電感的比值k是LLC-SRC有別于傳統SRC的一個關鍵參數。k值的引入，會在低于諧振頻率fr時會出現增益大于1的區間，增加了SRC實現ZVS的區間，使得變換器可以在高輸入電壓下得到優化；其次增加了輕載時增益曲線的斜率，降低了輕載時的工作頻率，能夠在空載時實現調壓，控制變得容易；最后，利用勵磁電感上的能量，可以使得SRC在輕載時也能實現ZVS。首先確定最低增益，由下式獲得

計算最低增益：

滿足變換器能在最高工作頻率時獲得穩定的輸出增益，可以得到

式中，fmax為系統最高工作頻率。

3　實驗結果

根據分析建立一套實驗系統，根據磷酸鐵鋰電動汽車小型汽車規格輸出電壓等級正常值為 360V DC，輸出電壓范圍：300V DC～400V DC；輸入電壓為前級PFC的輸出，電壓穩定在380V DC～400V DC值之間，設計實驗樣機的輸出功率為 3000W，根據前面分析的設計依據，諧振參數設計首先要滿足輸入輸出電壓要求，其次再考慮盡可能提高效率。因為電動汽車充電機比較關注平臺電壓 360V輸出時的效率，所以最好是將390V DC～360V DC時的增益曲線落在諧振頻率 fr附近，以優化該工作條件下的效率。

主要設計參數選擇如下：這樣變壓器原副邊的匝比初步定為

式中，Vfd是輸出二極管的正向壓降（forward drop），假設為1V。

諧振頻率：fr=500kHz

最低工作頻率：fsmin=300kHz

最高工作頻率：fsmax=700kHz

工作頻率，應用 AP法計算，變壓器鐵芯材料選擇3F35，規格選用EE42/21/20。

變壓器實際匝比選為

根據輸出電壓增益、空載穩定條件以及ZVS條件，選取

據電LLC諧振可以實現軟開關得類型是零電壓開通和零電流關斷（ZVS和 ZCS），開關管的驅動波形如圖4所示，可見在開關管開通前，Vds已經下降為零，通過輸出整流管電流和諧振電流可知開關管關斷時，電流下降接近于零。

圖4　諧振工作驅動和電流波形

LLC變換器的驅動波形如圖5所示。

圖5　開關管驅動波形

充電機的輸出電壓可以連續調節，一般工作在恒流模式，設定 360V的輸出為諧振點，所以輸出效率最高點出現在 360V的輸出，不同輸出電壓的功率曲線如圖6所示。

圖6　不同輸出電壓的輸出效率圖

4　結論

本文根據電動汽車充電機的技術要求，設計基于LLC諧振變換器充電機；通過分析LLC諧振變換器的工作特點和實現ZVS-ZCS的，研究了諧振變換充電機的變壓器參數和諧振電感等參數的設計方法；通過設計試驗樣機，驗證了LLC諧振變換器的優點，并實現了高效率的輸出，降低了開關損耗。

[1] 阮新波, 嚴仰光. 脈寬調制 DC/DC全橋變換器的軟開關技術[M]. 北京: 科學出版社, 1999.

[2] 顧越. 電動汽車充電機及其電氣性能測試研究[D].北京: 北京交通大學, 2012.

[3] 王兆安, 黃俊. 電力電子技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2000.

[4] 李霽雰, 陳陽生, 章瑋. 基于 CAN總線的電動汽車中繼站研究[J]. 機電工程, 2015(3): 379-383.

[5] 梁昊, 張軍明. 一種簡化的 LLC諧振變換器小信號分析方法[J]. 電力電子技術, 2011(10): 71-72, 95.

[6] 陳曦. LLC諧振變換器控制性能分析及優化研究[D].武漢: 華中科技大學, 2013.

[7] 劉一希. 基于全數字控制LLC諧振變換器的電動汽車電池充電器研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2014.

The Design of EV Charger based on LLC Converter

Zhang Tao Zhu Xiaoping
(Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112)

The power battery is one of the core technology of the electric vehicle application, the application need to charge and discharge management, the EV charger can turn AC to DC, added to the power battery energy; This paper introduce the design method of EV charger based on LLC converter; LLC resonant circuit charger work at resonant frequency to achieve ZVS and ZCS, reduces the switch voltage stress, the switching loss is reduced, and improve the charging efficiency; through the analysis of the working characteristics of the LLC resonant circuit, parameter design principle of the converter is studied and according to the analysis design prototype test, and obtain a better test results.

LLC resonant circuit; dc-dc converter; electric vehicle

張 濤（1980-），男，碩士研究生，工程師，主要從事電力電子與電力傳動方面的研究。

浙江省交通運輸廳科研計劃項目（2014T10）