大功率直流快充充電樁關鍵技術及性能測試

吳 冬 王 兵 孫 木 張亞萍

（天津平高智能電氣有限公司，河南 平頂山 467000）

統計數據顯示，2020 年全球電動汽車銷量超過300 萬輛，同比增長43%。其中僅中國就達到了130 萬輛，占比近2/5。在國家政策支持、財政補貼以及行業大環境等各種因素的影響下，電動汽車的發展前景廣闊。充電樁是電動汽車能源供給的主要設施，目前主要有AC220V 交流充電樁和AC380 直流充電樁2 種類型，前者需要8h 左右充滿，而后者最快僅需2h 即可充滿。充電效率是充電樁技術創新的關鍵，本文提出一種將AC/DC 和DC/DC 兩種變換電路相結合的思路，實現了兩者的有機互補，最終滿足直流充電的大功率、高效率和穩定性要求。

1 大功率直流快充充電樁的關鍵技術

1.1 直流充電模塊AC/DC 變換電路

VIENNA 整流電路在實際應用中具有拓撲結構簡單、有源功率器件電壓應力較小等特點，因此在通信等領域有廣泛使用，根據電路結構的不同，又可分為單相、三相兩種型式。單相VIENNA 整流電路相比于傳統電路具有諸多優勢，例如可輸出雙極性直流電壓，并且電壓可以達到1kV 以上，而后者只能輸出單極性電壓，并且電壓最高為380V。為了滿足大功率充電需求，將3 個單相電路采用混連方式，組成三相VIENNA 整流電路，其結構如圖1 所示。

圖1 三相VIENNA 整流電路

圖1 中，S1-3為全控型開關器件，C1-2為輸出電容，R 為負載、M 為連接點，Dam等為二極管，La等為輸入電感，Ua等為交流電源。分析電路結構可以發現，三相VIENNA 整流電路具有較好的對稱性，A、B、C 三相在結構組成和工作原理上保持一致。

1.2 直流充電模塊DC/DC 變換電路

上文介紹的AC/DC 變換電路雖然能夠滿足高頻化、大功率的充電要求，但是由此也產生了一些新的問題，例如開關損耗增加、工作效率降低等。而基于全橋LLC 諧振變換原理的DC/DC 變換電路，則很好地解決了這一問題。其結構組成如圖2所示。

圖2 全橋LLC 諧振變換電路

1.3 直流充電模塊的硬件技術

硬件部分的控制系統，采用TM2320 芯片作為終端控制單元，除了實現信息處理、指令下達等基本功能外，還具有故障自檢和處理、系統狀態監測等功能。除此之外，硬件部分還包括：（1）三相VIENNA 驅動電路。使用三端穩壓元件，能夠為電力中的光耦元件和驅動芯片提供穩定的電壓，避免大功率快充時因為瞬時電壓過高而對靈敏元件造成損害。（2）全橋LLC 諧振變換驅動電路。使用兩臺獨立變壓器，將主電路與控制電路隔離開來，同時每個電路上分別提供一個帶有驅動芯片的開關管，保證電路控制響應的及時性。（3）電流、電壓檢測電路。同時提供輸入電流和電壓的檢測功能。為降低干擾、保證檢測的靈敏度，需要采取電流信號的隔離措施；為保證驅動能力，需要將輸入電壓通過A/D 轉換模塊進行調制。

1.4 直流充電模塊的軟件技術

為保證大功率直流快充功能的實現，整個系統的軟件部分主要由以下幾部分組成：（1）系統主程序。軟件上電運行后，在主程序的控制下，首先完成各控制量的初始化。包括變量、常量初始化、A/D 轉換模塊初始化等，使系統處于待機狀態。初始化結束后，開始進入主程序，根據A/D 中斷信號的判斷，決定是否進入A/D 中斷服務程序。（2）A/D 中斷服務程序。當該程序被啟動后，系統首先利用A/D 采樣模塊，讀取采集到的數字信號。同時，將實時信號與系統預設的保護值進行對照，從而判斷是否存在過流、過壓情況。如果采集信號超出保護值，則發出相應指令實現過流、過壓保護。（3）數字PI 調節程序。該程序的功能是糾正系統運行時產生的偏差值，從而使系統的電壓給定值與電壓反饋值維持在較小范圍。PI 調節的變量可由公式計算得出：

上式中，u（n）為第n 次采樣時，PI 調節的輸出量，e（n）為第n 次電壓反饋值與電壓給定值的差。通過該程序調節，將會使系統維持在額定電壓范圍內安全運行。

2 大功率直流快充充電樁的性能測試

2.1 測試結果

基于上述軟、硬件設計，制作一臺額定輸出動力為15kW、輸出電壓500VDC 的樣機，以25A 恒定電流運行。直流充電的測試結果為：當輸出電壓為500V 時，空載狀態下輸出兩條相互獨立的電壓紋波，隨著負載的增加，兩條電壓波紋的間隔距離縮小，在滿載時兩者相互交叉，變化過程如圖3 所示。

圖3 AC/DC 電路輸出電壓紋波

另外，結合實驗中檢測數據，在額定電壓范圍內，通過調整電壓，在不同電壓下，直流充電模塊波形頻率雖然保持相同，但是峰值變化明顯。電壓越大，則波峰、波谷之間的差值相應增加。另外，在達到額定電壓500V，在電路滿載之后繼續增加負載時，會出現直流充電模塊突然短路的情況，電壓波紋波形消失。這說明該系統具有較好的過載保護能力，對保證系統運行安全有積極幫助。

2.2 直流充電模塊的效率

以380V 恒定電壓作為該直流充電模塊的輸入電壓，從空載狀態按照相同幅度持續加載直到滿載，分別記錄電壓、電流和功率因數的變化。根據測得數據繪制輸出電流（A）和系統效率（η）的二維坐標圖，如圖4 所示。

圖4 輸出電流與效率的關系圖

結合上圖中的變化曲線可以發現，隨著直流充電模塊的輸出電流不斷增加，其運行效率在1-6A 區間內，上升速度較快；當輸出電流達到10A 之后，其運行效率維持在一個相對恒定的狀態，甚至在20A 以后有小幅度的下降。判斷在空載、輕載狀態下，系統運行效率較低的原因可能有兩種：其一是輸入功率較小，此時輸出電壓、輸出電流都會受到影響，進而導致功率因數不高；其二是存在較高的功率損耗，特別是開關管和驅動電機，都是比較容易發生功率嚴重損耗的部位。

2.3 直流充電模塊的輸出外特性

在直流充電模塊輸出、輸入功率不變的狀態下，從空載狀態下持續加載，直到滿載，記錄其輸出電壓、電流的變化情況。觀察數據表明，隨著輸出電流的不斷增加，輸出電壓呈現出穩定下降趨勢。兩者之間表現出較為良好的線性關系，說明直流充電模塊的輸出外特性良好，整體性能穩定。

3 結論

在能源緊張和產業升級的大背景下，電動汽車的發展前景廣闊。而普及電動汽車的關鍵之一，就在于修建更多數量的大功率直流快速充電樁，縮短車主停車充電的等待時間，提高充電效率。本文設計的一種大功率直流快速充電系統，將前級AC/DC 變換電路和后級DC/DC 變換電路的優勢結合起來，通過仿真驗證，表明該系統能夠兼顧大功率和高效率的充電需求，且系統運行穩定性好，具有較好的應用前景。