電動汽車集成式充電系統設計與應用

劉洪世　黃小洪　秦健璇　鄧海文　黃祖朋

【摘? 要】車載充電系統是電動汽車進行能量交換必不可少的零部件之一，性能良好的車載充電系統對于電動汽車的發展有著至關重要的作用。本文提出一種集成式充電系統的結構和拓撲，通過樣機驗證其性能完全滿足行業指標要求，且成本和體積具有十分顯著的優勢。

【關鍵詞】電動汽車；集成式；車載充電系統；OBC；DC/DC

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）06-0033-03

Design and Application of Integrated Charging System for Electric Vehicle*

LIU Hong-shi，HUANG Xiao-hong，QIN Jian-xuan，DENG Hai-wen，HUANG Zu-peng

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Guangxi Key Laboratory of

Automobile Four New Feature，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】Vehicle-mounted charging system is one of the essential parts for the energy exchange of electric vehicles. The vehicle-mounted charging system with good performance plays a vital role in the development of electric vehicles. In this paper，the structure and topology selection of an integrated charging system are proposed，and a prototype is made to verify that its performance fully meets the requirements of industry indicators，and has significant advantages in cost and volume.

【Key words】electric vehicles；integrated；vehicle charging system；OBC；DC/DC

新能源汽車以能源利用率高、污染少、出行使用成本低等優點成為當前汽車產業主流的發展方向。中國在2012年6月國務院發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020）》中明確指出了電動汽車、插電式/增程式混合動力汽車和燃料電池汽車作為未來重要發展方向[1]。

對于純電動汽車而言，動力電池是電動汽車的動力來源，動力電池的充電技術是發展電動汽車的關鍵技術之一。設計一套良好的充電系統不僅能夠保證充電安全、提升時間效率，還能有效延長電動汽車續航里程和動力電池的使用壽命。當前市場，電動汽車充電系統中車載單體分布式、集成式或非車載式等多技術路線并存，隨著電動汽車對可靠性、高效性、輕量化等有了更高的要求，集成式的充電系統越來越受青睞。

本文設計了一種車載集成式充電系統，其分別集成了車載充電機（On-Board Charger，OBC）、DC/DC變換器、高壓配電盒等電動汽車的關鍵零部件。該集成方案顯著減少汽車體積和質量，節約成本，同時充電也非常方便，在搭鐵良好的情況下只要有220V交流電就能充電，并且能兼容市場上幾乎所有的交流充電樁（非標樁除外）。

1? 系統總體結構設計

集成式充電系統的結構框圖如圖1所示，系統將車載充電機、直流/直流變換器（DC/DC Converter，DC/DC）和電動汽車的高壓配電盒（Power Distribution Unit，PDU）進行集成。車載充電機部分采用當前主流的兩極結構，即前級用的是帶有有源功率因素矯正（APFC）的Boost型交流轉直流（AC/DC Converter，AC/DC）矯正模塊，其可提高輸入的功率因數和抑制高次諧波，使總諧波的失真較小，再經過第2級使用隔離與調壓的DC/DC變換模塊，最后進行整流濾波后輸出電能給動力電池進行充電。這種結構能有效抑制輸入電流的諧波，對電網的污染較小，可實現低諧波高功率因數的需求，同時又可為負載提供一個寬輸出電壓范圍、低紋波、高品質的直流電，具有寬負載范圍充電、高功率密度、高效率和高可靠性的特點。

車載DC/DC變換器通過其直流（DC）輸入部分與車載充電機的輸出部分進行并聯集成，充電時可直接取OBC的電能供給DC/DC變換器工作，車輛上高壓時可直接將動力電池的電能通過PDU配電到DC輸入端，供其正常工作輸出。該DC/DC變換器的輸入前級巧妙地利用Boost升壓電路，將寬范圍的輸入電壓調節為穩定電壓，作為后級電路的輸入；后級使用移相全橋加同步整流電路，從而可實現在整個工作范圍內主開關管零電壓開通。PDU在電動汽車中的作用是給各高壓電器進行電能配送或相關控制的功能模塊。

2? 集成式充電系統模塊電路設計

2.1? APFC主電路結構設計

2.1.1? APFC工作原理[2]

APFC電路主要由抑制電路和Boost升壓電路構成，對充電機的交流輸入電流進行功率校正，對于單相輸入一般PFC電路輸出的直流電壓在350～400V之間。利用功率因數校正技術可以使交流輸入電流的波形完全跟蹤交流輸入電壓的波形呈純正弦波形，并且和輸入電壓同相位。本文采用平均電流法控制進行功率因數校正，可使電路的失真率達到最小，能夠更好地抑制電路的諧波電流的波動，并且可以采用連續導通模式（CCM）和非連續導通模式（DCM）。用該控制方法控制的APFC輸入電流波形如圖2所示。

針對采用平均電流控制的升壓型APFC電路，一般需要對輸入電壓、電感電流和輸出電壓進行同時檢測，其控制框圖如圖3所示[3]。控制框圖中，主要由電壓外環電路和電流表內環電路構成雙閉環系統，外環電路主要提供電壓控制信號，經過乘法器運算后作為內環的基準信號，并與輸入電流進行比較，而后進入電流內環電路，然后再輸出PWM波的電壓信號控制功率MOS開關管的通斷來調整電流波形，使輸入電流波形緊跟輸入電壓波形。

2.1.2? APFC的主電路結構拓撲

該電路拓撲主要包含以下幾個部分。

1）輸入過流保護熔斷器，用于防止充電時輸入電流過大而損壞后級電路。

2）EMI抑制電路，主要由X電容、Y電容和共模電感等元器件組成，用于防止充電時充電機與電網之間的諧波影響，防止污染電網，目的是濾除所有電磁干擾對系統電路和其他電氣設備之間的影響。

3）軟啟/預充電路，用于防止輸入電路在上電瞬間沖擊及浪涌電流過大而導致熔斷器、電容器、整流橋等電路元件損壞或影響其使用壽命，以保證充電系統能夠正常工作運行。

4）整流電路，主要由整流橋組成，用于將交流市電轉變為正弦半波直流電。

5）基于Boost升壓型的有源功率因素校正（APFC）電路，主要由PFC電感、電容、電阻、二極管、功率MOS開關管組成，用于直流升壓和電流的相位跟隨電壓調整，以及為后級的LLC全橋變換電路提供穩定可靠的直流電能。同時Boost電路將電壓升高后的優勢是能夠降低同功率下的電流，從而降低電路損耗和發熱量，提高轉換效率[3]。其主電路結構圖如圖4所示。

2.2? LLC諧振變換模塊設計

對于電動汽車的OBC模塊而言，其PFC電路后級的變換電路中當前主流的方案是移相全橋直流變換器和LLC串聯諧振全橋變換器。鑒于電動汽車的動力電池組的充電特性和充電系統高效率、大功率的應用要求，本文選擇LLC串聯諧振全橋DC/DC變換器的拓撲方案，因為其具有以下優點[4]。

1）可以增大開關頻率來減小無源器件體積，提高功率密度。

2）在全負載范圍內功率開關管都能實現ZVS零電壓開通，極大地降低了開關損耗。

3）副邊的整流二極管能實現ZCS關斷，且不存在反向恢復問題。

4）電壓調節性能好，通過變壓器可以進行電氣隔離和升降壓變換，輸出電壓寬范圍。

5）能夠更好地實現在恒流-恒壓（CC-CV）模式的寬負載范圍內的高效運行。

LLC串聯諧振全橋變換器的主電路結構如圖5所示。

圖5中的Q₁～Q₄為功率MOS開關管，構成全橋逆變電路，Q₁和Q₄為一組，Q₂和Q₃為一組，兩組開關交替導通。驅動信號的占空比取49%，小于但接近于50%，目的是在逆變橋臂切換的過程中保留一定的死區。D₁～D₄和C₁～C₄為MOS管的寄生二極管和寄生電容，D₄和D₅為副邊的整流二極管。諧振電感L_r、諧振電容C_r和勵磁電感L_m構成串聯諧振網絡，C_f為濾波電容，原、副邊通過高頻變壓器進行電氣隔離。當開關頻率fs滿足f_r＜f_s＜f_m時[5]，即可實現原邊主開關管ZVS導通和副邊整流二極管的ZCS關斷工作。并且該部分電路采用基于DSP數字控制的PFM+PWM控制模式[6]，即在寬范圍輸出電壓的低壓輕載段（高頻段）采用PWM控制，在高壓輸出和負載大電流輸出的區段（低頻段）又切換為PFM控制，該控制方式可以良好地調節輸出電壓的作用。

3? 集成式充電系統DC/DC模塊電路設計

由于本文中DC/DC變換器模塊的功能及作用是為電動汽車的低壓蓄電池進行恒壓充電，即為整車低壓電器及控制系統提供穩定的電源。在當前新能源乘用車領域，低壓蓄電池一般都采用的是鉛酸蓄電池或鋰電池方案，但由于成本、安全、空間布置等因素，市場主流基本采用標稱電壓為12V鉛酸蓄電池方案，結合鉛酸電池的充電特性及14V恒壓輸出的供電模式。本文將采用與前述的OBC中LLC變換電路中不同的一種電路拓撲，即帶鉗位二極管的移相全橋變換拓撲結構，如圖6所示。

圖6中，電感L₁、開關管Q₁、二極管D₁和電容C₂共同組成一個典型的Boost升壓電路環節，其作用是為移相全橋逆變電路的輸入級電路提供一個更加穩定的輸入，讓輸入電壓的范圍更大，能更好地應對電動汽車復雜的工況變化。Q₂～Q₅為功率MOS開關管，構成全橋逆變電路，并通過高頻變壓器T進行隔離降壓變換至副邊側，再通過Q₆～Q₇MOS管進行同步整流成14V低壓直流電；L_f和C_f構成副邊整流側的L_C濾波電路；L_r為諧振電感，輕載時也能實現ZVS功能；D₂～D₃為鉗位二極管；C_b為隔直電容，防止變壓器磁飽和作用。綜上可得出圖6的電路拓撲結構較傳統移相全橋電路具有以下優點[7]。

1）具有更寬的輸入電壓范圍，穩定性更高。

2）即使輕載時，滯后橋臂也能實現ZVS。

3）在原邊側增加鉗位二極管，可以抑制副邊整流管的電壓振蕩，減少反向恢復損耗，同時又不增加額外損耗。

4）副邊側使用MOS管替代二極管，可以降低導通損耗，提高整機效率。

4? 樣機驗證

4.1? 臺架測試

本文根據上述的方案制作出了一臺3.3kWOBC+1.0kWDC+PDU的充電系統樣機（圖7）進行測試，測得在額定功率下功率因數≥0.996，OBC輸出功率≥0.95，DC轉換效率≥0.93（表1），滿足并優于國標及行業普遍要求。

4.2? 實車充電驗證

將該樣機進行實車充電驗證，由圖8可知，測試的結果滿足動力電池的恒流-恒壓充電曲線，在整個滿充過程中，充電前期基本都是恒功率輸出，隨著輸出電壓的逐步上升，輸出電流也跟著反比下降，到充電末期進入涓流充電，直至充滿后停止。

5? 結論

本文深入研究了集成式車載充電系統的結構和主電路拓撲，將OBC、DC/DC和PDU進行了集成設計，其中OBC模塊采用APFC+LLC主電路拓撲，DC/DC變換器模塊采用移相全橋+同步整流電路。通過實施該方案制作樣機并測試，測得集成式車載充電系統在額定功率下系統功率因素≥0.996，OBC輸出功率≥0.95，DC轉換效率≥0.93，證明了該集成式車載充電系統具有高效節能的優勢。

參考文獻：

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（編輯? 楊凱麟）