關于電動汽車車載充電機開發設計

趙忠武

（弘安新能源汽車研究院， 江蘇 徐州 221000）

目前電動汽車的發展已經上升為國家十三五戰略性規劃，特別是2011年之后，國家已出臺一系列鼓勵政策，經過10多年的努力，中國新能源汽車推廣規模世界領先，電動汽車“三電”核心技術也走在了世界前列。車載充電機是新能源汽車核心零部件同時也是整車故障率最高的電器部件，車載充電機的選型匹配、安全設計、充電策略成為新能源汽車設計要點。

1 車載充電機的分類

1） 車載充電機按照連接方式的不同分為：傳導式充電機（圖1） 和感應式充電機（圖2）。詳見表1。

圖1 傳導式充電機

圖2 感應式充電機示意圖

表1 車載充電機連接方式分類

2） 目前車載充電機按照電池類型分為車載鉛酸和車載鋰電充電機，其中低壓平臺以60V、72V為主，功率規格1.3kW、1.5kW、1.8kW為主，散熱方式風冷，產品主應用低速鉛酸和鋰電車型；高壓平臺主要以96V、144V、288V、320V、346V、576V為主，功率規格以3.3kW、6.6kW兩種功率為主，散熱方式以液冷為主，產品應用于高速鋰電汽車。

3） 車載充電機按照集成程度不同分為單體式車載充電機和集成式多合一，目前市場集成式充電總成多以二合一（OBC&DC），三合一 （OBC&DC&PDU） 為主，優勢是充電系統集成后可以共用控制電路和部分功率電路，節省成本，避免單體部件存在的布局困難、連接點繁多、EMI分散處理難度較大、CAN總線控制復雜等特點。

2 車載充電機工作原理

車載充電機是一種電池充電裝置，輸入為AC，輸出為DC，輸出電壓與車載電池充電要求一致，受控于BMS以及VCU，能動態調節充電電流與電壓參數，完成電池充電過程。車載充電機是一個高頻可變開關電源系統，主要由APFC、功率變換和控制電路組成。功率電路主要由半導體器件、磁性器件以及開關接口器件等組成。控制電路是實現與電源管理進行通信，控制功率變換輸出以及進行各種保護、報警的裝置。車載充電機系統功能框圖如圖3所示。

圖3 車載充電機系統功能框圖

車載充電機主要由5大部分組成。

1） 電磁兼容濾波器：主要是針對EMC/EMI干擾進行濾波以防止干擾或被干擾而引起的不兼容問題，EM電源濾波器是一種低通濾波器可以有效對頻率較高的其他信號和干擾信號有衰減作用。

2） APFC功率因數校正：為了減小非線性整流裝置產生的諧波干擾，非線性整流裝置必須要設計功率因數校正電路，行標要求功率因數不低于0.92。充電機APFC電路示意如圖4所示。

3） 整 流 器：將220V 交流電經過功率因數的校正，升高為直流高壓電。

4） 高頻隔離變壓器：因電網電壓較強，直接充電會導致安全問題，因此，為了符合安規隔離需要，必須安裝隔離電路。

全橋LLC諧振由4個MOS管、諧振電容、諧振電感、勵磁電感組成，開關管Q1、Q2、Q3、Q4循環導通時應該預留一定的死區，防止直通。充電機LLC全橋電路示意如圖5所示。

5） 信號采集控制電路：根據采集輸入電壓電流和輸出電壓電流信息、溫度信息、故障信息完成自檢，按照BMS指令要求在可調范圍內對電池進行不同狀態下的恒流、恒壓充電，可調范圍內對純阻性負載進行不同功率需求的供電，實現電池加熱；可根據整車的CAN信息與自身監測的信息實現OBC模塊的診斷、自檢和保護功能。充電機信號控制框圖如圖6所示。

圖4 充電機APFC電路示意圖

圖5 充電機LLC全橋電路示意圖

3 車載充電機的外部連接和充電流程

車載充電機的外部電路連接分為交流輸入、直流輸出、信號接插件3部分。交流輸入和充電插座對接，直流輸出直接或間接和電池連接，信號端口包含有CANH、CANL、充電互鎖、充電喚醒、電子鎖開閉、低壓電源等信號。車載充電機連接示意如圖7所示。

1） 車載鉛酸充電機電路連接較為簡單，基于成本化考慮，直流輸出直接經過應急開關和熔斷絲接入電池正負極，插入充電槍后，充電輸出端檢測電池電壓在正常電壓范圍，按照鉛酸電池6段式充電曲線恒流恒壓涓流進行充電，部分車載充電機采用脈沖方式充電。鉛酸充電機充電曲線如圖8所示。

圖6 充電機信號控制框圖

圖7 車載充電機連接示意圖

圖8 鉛酸充電機充電曲線

2） 基于鋰電池充電安全特性，車載鋰電充電機的充電流程較車載鉛酸充電機較為復雜，對于輸入連接、充電本體、輸出連接都要進行連接確認和自檢；首先當交流充電槍插入后，通過CC線連接完成車輛端口確認和供電端口連接確認后，車輛控制裝置執行電子鎖閉鎖指令，S1開關從12V切換為PWM狀態，此時檢測點電壓為9V，當車輛控制裝置檢測到CP信號和電子鎖狀態閉鎖后，完成充電狀態確認，充電機完成自檢無故障，連接正常后，車輛控制裝置閉合S2開關，檢測1點電壓為6V，確認車輛就緒后，K1和K2閉合，充電機啟動充電流程發送充電喚醒給BMS，根據BMS具體加熱或者充電指令，執行相應的充電流程；當充滿電時或操作人員對供電裝置停止充電機時，車輛控制裝置斷開S2開關，供電控制裝置控制開關S1切換為12V連接狀態，同時斷開接觸器K1和K2切斷交流供電，電子鎖開啟。

4 車載充電機的選型匹配

車載充電機的選型匹配需要根據整車配置參數：整車電量和充電時間，進行公式計算。

充電機功率匹配計算：

式中：P——充電機功率；T——充電時間；E——電池總電量；δ1——電池耗電系數，0.95～0.9；η1——充電機充電效率，93%～95%；η2——電池轉換效率，一般設定為95%～98%；δ2——充電機充電邏輯系數，0.9～0.93。

數值帶入公式后充電功率P1≤P≤P2，根據市場現有可用產品狀態選擇滿足技術指標的車載充電機。

5 車載充電機失效模式案例分析

5.1 問題1

1） 問題描述：某純電動車測試驗證時發現3臺以上車輛同時充電時，車載充電機出現批量炸機現象。

2） 問題分析：通過示波器現場測試，發現工業變壓器功率不足，當采用多臺充電機進行充電時，輸入端電壓突然拉低，由于充電槍采用模式1連接方式B產品，充電機內部對于輸入電壓跌落缺少相應的保護，導致恒流模式輸出時，輸入端電流過大，保護電流值設定不合理，保護時間不及時，PFC電流MOS管過流擊穿。

3） 問題解決：①把充電機PFC電流保護電路R5電阻取消，PFC逐期電流保護值由57A降為30A （行業經驗25%，MOS管型號OSG6R099P6，Imax=114A）；②輸入電壓跌落后，限制輸出功率，輸入欠壓保護，檢測周期縮短。

4） 問題驗證：按照以上解決措施整改后，按照AC輸入電壓暫降測試，分別將輸入電壓設定為標稱值的50%、70%、95%，持續時間10ms，經過測試充電機正常。經過實際4臺車輛復原原環境狀態測試，充電機也無損害。

PFC保護電路如圖9所示。

圖9 PFC保護電路

5.2 問題2

1） 問題描述：某款純電動汽車冬季續航較短，經過對比同規格不同品牌車載充電機發現不同地區續航確實存在一定差異。

2） 問題分析：根據S4階段轉換條件，恒電壓14.8V，限電流0.05CA充電，充電至電流到0.01CA或充電時間到達2h，充電自動轉換為第5階段，然而在低溫條件下，由于溫度檢測誤差和溫度補償因數，充電機輸出電壓較高，電池在短時間內電壓還是較高，采樣周期內檢測電流值小于S4跳變電流，直接跳過S4階段。

3） 問題解決：根據控制邏輯分析，充電機在S4階段采樣時間較短，需要延長采樣時間，并做系統低溫測試。

4） 問題驗證：將充電機和電池進行低溫環境系統測試，對其采樣時間進行充分驗證，驗證S4階段充電機延遲采樣時間有效，可以滿足電池充電曲線要求。

6 車載充電機發展趨勢

隨著電動汽車技術的快速發展，對充電系統的要求也越來越高，未來車載充電機的發展方向主要集中在以下幾點。

第1，目前國內車載充電機功率基本在3.3kW和6.6kW，隨著電動汽車續航里程的不斷加大，當前充電機功率現狀已經不能滿足整車快速充電的需求，目前國外特斯拉配置了超過11kW的充電機，車載充電機未來必然要功率擴容。

第2，目前碳化硅和IGBT的應用，可以有效提高充電機充電效率，對于V2G、V2L、V2V能量的雙向傳遞增加了電動汽車收益優勢。

第3，目前電動汽車普及一個難點除了續航問題，再就是成本問題，車載充電機的高度集成化已成為未來發展趨勢，目前將車載充電機、直流轉換器、高壓配電盒、電機控制器、中央控制器集成的五合一已經批量應用，未來電器件集成化更高，電器原理的通融和共用特性，可以實現電器件利用最大化。

第4，未來考慮充電的便捷性和安全性，會直接省略充電操作，利用智能化和無線充電技術的結合，對接整車實施自動進行監控和無線充電，解決客戶的里程焦慮。

結合對當前市場上車載充電機的了解，本人對于車載充電機種類、工作原理、連接方式、充電流程、失效案例進行了總結，并對車載充電機的未來發展趨勢提出了一些看法，文中簡要地對車載充電機開發設計進行綜合論述，充電機的高壓安全特性和充電機的測試項目同樣也很重要，國標GB/T18384和行標QC/T895做了詳細介紹。由于各廠家車載充電機內部控制邏輯，參數設定和采樣時間不同，對于車載充電在不同測試環境耐久性、集成式多合一電磁兼容特性系統級測試也是充電機一項關重指標。