電動汽車車載充電機的研究與設計

王 虎, 高桂芬

(上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術中心， 廣西 柳州 545007)

0 引 言

隨著社會的發展與科技的進步，機動車輛數量急速上升，人類對能源的需求也越來越大，而石油、天然氣等非可再生資源隨著持續消耗日益呈現短缺，同時帶來了環境污染、生態破壞等嚴峻問題，這一矛盾促使發展新型、潔凈、可再生能源成為必然趨勢。電動汽車以零污染、能源利用率高，以及夜晚充電有助于平復電網峰谷差、減少谷電浪費等優點成為了新能源汽車發展的主流。

充電機是將交流市電轉換為電動汽車動力電池需求電能的關鍵設備，根據位置不同可分為非車載充電機與車載充電機，非車載充電機一般安裝在充電站等固定位置，可對多種動力電池充電，但限制了電動汽車的活動范圍，不具有便利性；車載充電機安裝在電動汽車上，匹配動力電池，具有針對性與高效性，只要有220 V交流市電插座即可充電，大大提高了充電便利性，因此市場應用更為廣泛[1]。

文中提供了一種車載充電機的設計方案，給出了系統硬件結構，闡明了工作原理與控制方式，并進行了相應試驗測試。

1 車載充電機系統結構設計

車載充電機系統結構應用最廣泛的是前后兩級功率架構，即前級AC/DC整流校正模塊，后級DC/DC隔離調壓模塊。根據前級是否進行功率因數校正(PFC)可將車載充電機分為兩種:

1)不進行功率因數校正的結構，將電網的交流電經過整流電路與濾波穩壓電路后轉變為直流電，再經過DC/DC隔離變換器轉換為將電能變換成可以對蓄電池進行充電的電能。這種結構因功率因數無保證，使用時無功功率較大，如果整機功率設計較大勢必對電網有較大污染，甚至造成不穩定影響。因此，該結構多用于低成本、低功率、小型化的充電機，通常適用于鉛酸電池的充電[2]。

2)結構在整流電路模塊加入功率因數校正(PFC)電路，其可提高輸入的功率因數并抑制高次諧波，再經過第二級為DC/DC 變換器，將電能變換為可以對蓄電池進行充電的電能。這種結構對電網污染小，能實現低諧波和高功率因數的需求，滿足安全要求，一般體積會較大，成本較高，通常應用于高功率大容量的充電系統[3]。電動車車載充電機是直接接電網大功率的電力電子設備，對電網質量的影響及電氣安全隔離問題需要重點考慮，因此,文中設計采用第二種結構，系統結構如圖1所示。

圖1 車載充電機系統結構圖

2 車載充電機硬件電路設計

2.1 主功率電路設計

2.1.1 AC/DC整流校正模塊設計

AC/DC整流模塊主要包括以下幾個部分：

1)輸入過流保護熔斷器。用于防止充電輸入電流過大損害后級電路。

2)電磁干擾(EMI)抑制電路。用于防止充電機與電網之間的諧波相互影響，主要由X電容、Y電容和共模電感組成。

3)軟啟動電路。用于防止由自啟動和雷電浪涌過電壓、過電流損害后級電路。

4)整流電路。用于將交流市電轉變正弦半波直流電，主要由整流二極管組成。

5)基于BOOST電路的有源功率因數校正(APFC)電路。用于直流升壓與電壓電流相位差調整，主要由電感、開關管、二極管及電容組成。

交流市電經過以上電路為后級DC/DC隔離電路提供穩定可靠的直流電[4]。

該部分電路中有源功率因數校正(APFC)電路為主要設計難點，BOOST電路可將電壓升高，降低同功率下的電流，從而降低電路損耗與發熱量[5]。通過計算輸出電壓、輸入電流采樣值相位偏差控制開關的驅動脈沖信號，使輸入的正弦半波電流與電壓相位相同，從而降低對電網造成的無功功率損耗。升壓電感可作為濾波器抑制干擾噪聲，還可防止電網浪涌電流的高頻瞬態沖擊[6]。

電路原理如圖2 所示。

圖2 基于BOOST電路APFC電路圖

2.1.2 DC/DC隔離調壓模塊設計

DC/DC隔離調壓模塊的作用有兩條，一是實現輸入輸出電氣隔離；二是調節直流電壓到動力電池需求的電壓。全橋拓撲兼具較高的功率密度和功率傳輸能力，因而被廣泛采用為DC/DC 變換器拓撲，DC/DC變換器的運行效率對車載充電機總體效率起著決定性作用，因此控制變換器開關器件運行在軟開關狀態以降低開關損耗，是保證車載充電機總體效率的關鍵。

移相全橋直流變換器和LLC串聯諧振全橋DC/DC變換器是目前最常見的DC/DC變換器全球拓撲。前者有寬輸入/寬輸出范圍、低輸出紋波等優點，但存在輕載時難于實現滯后橋臂零電壓開關(ZVS)、副邊整流二極管存在反向恢復等問題[7]；后者有高效率、全負載范圍實現ZVS 軟開關等優點，但存在諧振電感變壓器設計較難、難實現寬輸入和寬輸出范圍等問題。鑒于電動汽車動力電池組充電的特殊應用需求，LLC串聯諧振全橋DC/DC變換器能更好地實現在恒流- 恒壓(CC-CV)寬負載范圍內的高效運行，是文中選擇的設計方案。

LLC串聯諧振全橋DC/DC變換器電路如圖3所示。

圖3 LLC串聯諧振全橋DC/DC變換器電路圖

MOS管T1～T4構成全橋逆變電路，工作時分為兩組， T1、T4為一組，T2、T3為一組，每組為同一驅動信號，兩組驅動信號相反，即一組導通時，另一組關斷，在切換過程驅動信號之間保留一定死區，所以驅動信號占空比小于但接近50%。D1～D4為MOS管的寄生二極管，Lr諧振電感、Cr諧振電容、Lm激磁電感與二次側反射過來的負載共同組成串聯諧振網絡，D5、D6構成全波整流電路，Cf為濾波電容[8]。

2.2 控制與保護電路設計

控制與保護電路主要包括信號采集、邏輯運算、驅動輸出三部分，對采集電路相關位置的電流與電壓信號，按照設定的邏輯運算，輸出對相應開關管與繼電器的驅動信號，實現對動力電池進行高效、智能的充電與保護控制。由于該部分電路較為簡單，文中不再對此進行贅述。

2.3 輔助電源與通訊電路設計

輔助電源電路為車載充電機內部低壓電路如控制芯片、通訊結構等提供低壓電源，包括24、12、5、3.3、1.8 V等多種電壓值供電電源，是將220 V交流電轉化為低電壓的低功率整理調壓電路。車載充電機需求的低壓電源是從220 V交流電轉換，而不是從整車12 V低壓蓄電池轉換，這樣設計符合車載充電機只有在充電時才工作的工況需求，避免了對整車靜態電流與CAN總線負荷率的負面影響。

CAN-BUS 通信主要是車載充電機與電池管理系統(BMS)及整車控制單元(VCU)之間的通信，實現對充電操作上下電邏輯執行及對BMS電池特性進行實時監測，從而選擇最優的電池充電曲線，實現對電池進行高效快速充電。CAN 通訊接口電路也是比較成熟通用型電路，詳細電路如圖4所示。

圖4 CAN通訊接口電路

3 車載充電機控制系統

3.1 車載充電機充電控制方式

為了提高動力電池的循環使用壽命與電池組的充電效率，充電方式必須符合動力電池的充電特性，其中恒功率-恒流-恒壓方式充電策略應用最為廣泛，即充電機工作時以額定功率或不超過額定功率工作，充電前期輸出電壓高出負載動力電池固定壓差，從而保持恒流充電，充電后期輸出電壓隨著負載動力電池電壓上升達到上限值后不再上升，維持恒定電壓輸出，即恒壓模式，而動力電池作為充電機的負載也逐漸由滿載拉載變為空載，充電電流同步下降，直至充電結束。此外，當充電機輸出電壓達到限壓值前如果功率達到了額定功率值，充電電流也要下降，以保證電壓能繼續上升及功率恒定。

3.2 基于BOOST電路的PFC控制流程

PFC控制程序如圖5所示。

3.3 LLC串聯諧振控制方式

諧振LLC電路采用變頻控制來實現諧振參數增益的變化，進而改變輸出范圍，為實現諧振LLC寬輸入/輸出范圍，采用的控制策略是結合調頻調寬調制(PFM+PWM)，在高電壓輸出下諧振變頻工作，當輸出電壓降低和開關頻率到達最高限制頻率的時候，轉換為調寬PWM工作完成低電壓輸出目的。

圖5 PFC控制程序流程圖

4 樣機試驗測試

根據上述設計方案制作出一臺2 kW 車載充電機樣機，進行臺架測試功率因數。國標QC/T 895要求車載充電機功率因數不得低于0.92，樣機測試結果為0.987 9，滿足國標要求。

功率因數測試如圖6所示。

圖6 功率因數測試

裝配實車上對某型號動力電池進行充電全程測試(SOC20%～SOC100%)，測試結果表明,充電過程中是恒功率工作，輸出電壓隨著動力電池SOC與電壓的上升同步上升，輸出電流在一定的壓差下保持恒流。充電機輸出功率在進入后期的涓流充電前一直都是滿功率充電，即以額定功率2 kW進行充電，隨著輸出電壓的上升，輸出電流反比下降。為保護動力電池避免過充損壞，后期進入涓流充電階段，充電效率與充電電流受限降低。試驗記錄數據如圖7～圖9所示(為了便于分析，圖中功率單位為0.1 kW)。

圖7 充電全程記錄圖

圖8 充電前期記錄圖

圖9 充電后期記錄圖

5 結 語

提出了一種電動汽車車載充電機的設計方案，詳細介紹了基于BOOST型有源功率因數校正電路的設計與LLC串聯諧振全橋DC/DC變換器主電路的設計，對控制電路與控制方案進行了闡述，并按照本方案制作了1臺2 kW樣機。對實驗樣機進行實車充電全程測試，測試結果與預期相符，證明車載充電機的設計方案合理可行，可以滿足市場需求。

文中設計方案僅用于制作了一臺2 kW車載充電機，對于6.6 kW等市場需求量大的大功率車載充電機沒有進行試驗制作，大功率車載充電機對電子元器件、功率元器件的選型上會有所不同，對熱平衡的實現也會更困難，還需要進一步深入研究。