電動汽車車載充電器輔助電源的高效設(shè)計(jì)

吳峰 楊小春 劉勇剛

摘? 要：在節(jié)能減排綠色發(fā)展理念背景下，新能源汽車擁有巨大的發(fā)展空間，尤其是電動汽車。但是動力電池問題嚴(yán)重影響到電動汽車的發(fā)展，導(dǎo)致目前為止，電動汽車仍無法全面替代傳統(tǒng)的汽油燃料汽車，因此，當(dāng)下除了要解決電動汽車的電池性能外，還需要設(shè)計(jì)出完善的車載充電器。在電動汽車車載充電器中擁有多個功能模塊，包括各自的控制模塊、輔助電源模塊、后級DC/DC變換器和AC/DC變換器等等，在車載充電器功能模塊中，不同的模塊對電源的需求不同，甚至需要多路電源同時(shí)供電，而這些模塊所需要的電源全部由輔助電源提供，所以對電動汽車充電器輔助電源的設(shè)計(jì)十分重要。基于此，本文簡單介紹了輔助電源設(shè)計(jì)的理論，并針對2kW車載充電器輔助電源系統(tǒng)，使用多路輸出的單端反激式輔助電源設(shè)計(jì)，目的是減少開關(guān)管損耗，提高整個系統(tǒng)的效率。

關(guān)鍵詞：電動汽車;車載充電器;輔助電源系統(tǒng);同步整流技術(shù)

中圖分類號：U469.72? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）21-0032-03

Abstract：Under the background of green development concept of energy saving and emission reduction，new energy vehicles have huge development space，especially electric vehicles. However，the power battery problem has seriously affected the development of electric vehicles. Until now，it has not been able to completely replace the traditional gasoline fuel vehicles. Nowadays，not only to solve the battery performance of electric vehicles，but also to design a complete vehicle charger. There are multiple functional modules in the electric vehicle car charger，including the respective control module，auxiliary power module，rear stage DC/DC converter and AC/DC converter，etc. In the car charger function module，different modules have different requirements for power supply，and even multiple power supplies are required to supply power at the same time. The power supplies required by these modules are all provided by the auxiliary power supply，so the design of the auxiliary power supply for the electric vehicle charger is very important. Based on this，this paper briefly introduces the theory of auxiliary power supply design，and uses a multi-output single-ended flyback auxiliary power supply design for the 2kW vehicle charger auxiliary power supply system. The purpose is to reduce the switching tube loss and provide the whole system.

Keywords：electric vehicle;car charger;auxiliary power system;synchronous rectification technology

0? 引? 言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對汽車這一交通工具的需求量在逐日增加，并帶動了汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，但同時(shí)也引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問題。汽車行業(yè)要想持久發(fā)展，必須要向節(jié)能、環(huán)保兩個方向進(jìn)行發(fā)展。電動汽車具有低噪聲、節(jié)能、高效和零污染等優(yōu)勢，成為當(dāng)下最具有環(huán)保性的汽車[1]。動力電池是電動汽車最重要的部件，且其質(zhì)量直接影響到電動汽車的動能存儲和能量補(bǔ)給，因此，車載充電器的設(shè)計(jì)顯得格外重要。

1? 輔助電源設(shè)計(jì)的理論

1.1? 開關(guān)電源的基本工作原理

電感元件和電容元件的儲能特性就是開關(guān)電源，在開關(guān)過程中，將交流電能量或者是將直流電能量以磁場能的形式儲存在電感中，并通過濾波器傳遞給負(fù)載，得到對應(yīng)的直流電，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為動能。開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)主要由四個部分組成，分別是輸入整流濾波電路、開關(guān)變換器、輸出整流濾波電路和PWM控制電路，其中開關(guān)變換器包括高頻變壓器和功率開關(guān)管，PWM控制器電路是整個開關(guān)電源的核心，包括PWM比較器、誤差放大器、基準(zhǔn)電壓源、振蕩器[2]。

1.2? 開關(guān)電源的常用拓?fù)?/p>

在電動汽車行業(yè)中，常見的開關(guān)電源拓?fù)溆泻芏喾N，且每種拓?fù)涠加凶约旱膽?yīng)用市場和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，常用的四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別為：Boost變換器、Buck變換器、正激式變換器、反激式變換器[3]。本次設(shè)計(jì)主要應(yīng)用到反激式變換器，反激式變換器工作原理如圖1所示，其特點(diǎn)主要是在開關(guān)管截止時(shí)，可將能量傳給二次側(cè)，對工作模式?jīng)]有具體的要求，電壓的輸入和輸出主要由高頻變壓器的匝數(shù)比決定，可實(shí)現(xiàn)多路輸出等等。

在四種常用拓?fù)渥儞Q器中，Boost變換器只有一個輸出電壓，且始終保持輸出電壓高于輸入電壓;Buck變換器有很多限制因素，且電路上只有一個電感;正激式變換器不能在空載狀態(tài)工作，對功率沒有限制因素;反激式變換器在開關(guān)管開通時(shí)儲備能量，且所需的元件少，電路比較簡單，主要應(yīng)用在小功率開關(guān)電源中[4]。所以在電動汽車車載充電器輔助電源設(shè)計(jì)中使用反激式變換器作為主電路拓?fù)洹?/p>

1.3? 反激式開關(guān)電源的控制模式

電壓控制和電流控制是目前最主要的兩種反饋控制模式，無論是哪種控制模式都不是絕對完美的，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇最合適的模式。

電壓控制模式如圖2所示。電壓控制電路設(shè)計(jì)比較簡單，只有電壓反饋控制環(huán)，電壓信號相位延遲是該模式最大的缺點(diǎn)，且其響應(yīng)速度慢，補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，還需要設(shè)計(jì)過電流保護(hù)[5]。

電流控制模式如圖3所示。電流控制模式為了彌補(bǔ)電壓控制模式的不足，在電壓控制模式的基礎(chǔ)上增加了電流閉環(huán)控制，總的來說電流控制模式是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓調(diào)整率高，輸出電壓穩(wěn)定，可精確限定電流閾值。故本次設(shè)計(jì)使用電流控制模式。

2? 具有多路輸出的單端反激式輔助電源設(shè)計(jì)

2.1? 輔助電源設(shè)計(jì)的基本要求

輔助電源設(shè)計(jì)需滿足寬范圍輸入電壓、高精度輸出電壓、良好的電壓調(diào)整率、波紋小、效率較高等要求[6]。具有多路輸出的單端反激式輔助電源設(shè)計(jì)需要為：電壓（DC+80V～+242V）、輸出電壓（DC+15V、電壓精度2%、額定功率10W;DC+13V或DC+12V、電壓精度10%、額定功率4W;DC+8V、電壓精度10%、額定功率2W）、效率（η≥80%）、工作頻率（f=85kHz）。

如圖4所示，高壓直流電來自電網(wǎng)側(cè)輸出，在四路輸出中，對15V輸出的紋波要求最高，且最重要，在本次設(shè)計(jì)中選用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)相結(jié)合，為了確保電流內(nèi)容穩(wěn)壓輸出，使用峰值電流控制雙閉環(huán)方案。

2.2? 高頻變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器的作用是轉(zhuǎn)換電壓、能量傳輸、電氣隔離、儲存能量，故高頻變壓器設(shè)計(jì)的質(zhì)量將直接影響到整個系統(tǒng)的電磁兼容性和技術(shù)指標(biāo)，還會影響到系統(tǒng)的效率，所以高頻變壓器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)流程為：明確設(shè)計(jì)需求和抑制參數(shù)、確定占空比、選擇磁芯、確定變壓器初級電感、計(jì)算電流參數(shù)、計(jì)算變壓器初級繞組匝數(shù)、計(jì)算變壓器副邊輸出繞組匝數(shù)、計(jì)算各繞組線徑、計(jì)算氣隙長度、校核變壓器設(shè)計(jì)方案[7]。

在校核變壓器設(shè)計(jì)方案時(shí)，趨膚效應(yīng)驗(yàn)證依據(jù)就是所計(jì)算的線徑要全部小于趨膚深度的2倍，從而確保設(shè)計(jì)滿足實(shí)際需求。可使用多股并繞的方式，提升趨膚效應(yīng)的效果。在層與層之間減少繞線層數(shù)，并加入絕緣膠帶，這樣可以減少鄰近效應(yīng)所帶來的損耗。

2.3? RCD電路設(shè)計(jì)

在反激式變換器中，在MOS管關(guān)斷時(shí)高頻變壓器的漏感可能會擊穿MOS管，所以必須要增加RCD鉗位電路。所以RCD的電路參數(shù)將會直接影響到鉗位電路的變化，如果RCD電路參數(shù)不當(dāng)，有很大可能會擊穿MOS管，且會降低系統(tǒng)效率，所以參數(shù)選取十分重要。RCD參數(shù)選取流程：確定RCD電路鉗位電壓，確定鉗位電容、電阻，確定輸出電容，確定功率開關(guān)管，控制電路設(shè)計(jì)。

在控制電路設(shè)計(jì)中，使用雙閉環(huán)控制，就是電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)相結(jié)合的方案，在這里重點(diǎn)說明電流內(nèi)環(huán)，電流內(nèi)環(huán)使用峰值電流控制方案，原理圖如圖5所示，為了確保電壓平穩(wěn)，需要計(jì)算出以下數(shù)值：電流采樣電阻、電壓反饋電阻，并確定控制芯片。

目前市場上的電流型PWM芯片種類較多，在本次設(shè)計(jì)中使用IW691控制芯片，選擇該芯片的主要原因在于性能高，且集中了MOS管柵極驅(qū)動器電路、逐周期峰值電流限制、過流保護(hù)、DC總線電壓檢測電路、關(guān)閉保護(hù)電路、反饋信號處理電路、數(shù)字邏輯控制單元、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等等，另外還集成了模式轉(zhuǎn)換控制和軟開關(guān)控制[8]。IW691控制芯片可同時(shí)在軟開關(guān)中增加模式轉(zhuǎn)換控制和谷值開關(guān)控制，可以不必增加輔助MOS管，并能達(dá)到理想的效果。

2.4? 系統(tǒng)仿真

在電動汽車車載充電器輔助電源設(shè)計(jì)中，使用建模和仿真的方式確定系統(tǒng)效果，并使用Saber仿真軟件，分別測試輸入電壓為110V和220V時(shí)的系統(tǒng)效果，經(jīng)過測試，本次設(shè)計(jì)中的參數(shù)合理，輸出電壓穩(wěn)定時(shí)間短，且紋波小，電壓穩(wěn)定，從仿真結(jié)果來看，所有的結(jié)果都能滿足設(shè)計(jì)需求。

3? 結(jié)? 論

綜上所述，在本次電動汽車車載充電器輔助電源設(shè)計(jì)中，不僅考慮到成本問題、功能穩(wěn)定和效率穩(wěn)定，還兼顧了實(shí)際應(yīng)用的體積，最終確定了具有多路輸出的單端反激式輔助電源設(shè)計(jì)方案，并給出了具體的設(shè)計(jì)方案。對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測試，測試結(jié)果表明性能良好、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)效率高，為今后的電動汽車車載充電器輔助電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可靠的參考依據(jù)。

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作者簡介：吳峰（1978.09-），男，漢族，湖南常德人，研發(fā)總監(jiān)，高級工程師，研究方向：大功率電源、數(shù)字電源。