大功率電動(dòng)汽車充電機(jī)的設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車以鋰電池為動(dòng)力源，充滿電后，以電力做功推動(dòng)汽車。不同于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車需要添加汽油，純電動(dòng)汽車在電力耗光后通過外置電源對(duì)其進(jìn)行充電，通常單次行駛里程在100～200公里。與傳統(tǒng)汽車相比，純電動(dòng)車在使用成本上有著無(wú)以比擬的優(yōu)勢(shì)，百公里約消耗15度電，成本8元，僅相當(dāng)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車成本1/10。目前，國(guó)家已著手進(jìn)行電動(dòng)汽車和新能源汽車的示范推廣，電動(dòng)汽車充電站則是主要環(huán)節(jié)之一，必須與電動(dòng)汽車其他領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)共同協(xié)調(diào)發(fā)展。

充電模式
電動(dòng)汽車能源供給系統(tǒng)主要由供電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)和動(dòng)力蓄電池構(gòu)成。另外，還包括充電監(jiān)控、電池管理和煙霧報(bào)警監(jiān)控等。充電機(jī)是充電系統(tǒng)的重要組成部分。充電站給汽車充電一般分為三種方式：普通充電、快速充電、電池更換。普通充電多為交流充電，對(duì)于容量不超過5kW的交流充電機(jī)，輸入為額定電壓220V、50Hz的單相交流電，對(duì)于容量大于5kW的交流充電機(jī)，輸入為額定線電壓380V、50Hz的三相交流電。將交流插頭直接插在電動(dòng)汽車充電接口，充電時(shí)間大約需要4～8小時(shí)?？焖俪潆姸酁橹绷鞒潆?，直流充電機(jī)輸入為額定線電壓380V、50Hz的三相交流電，輸出電壓一般不超過700V，輸出電流一般不超過700A。交流輸入隔離型AC/DC充電機(jī)的輸出電壓為額定電壓的50%～100%，并且輸出電流為額定電流時(shí)，功率因數(shù)應(yīng)大于0.85，效率應(yīng)不小于90%。

充電機(jī)應(yīng)能夠保證在充電過程中動(dòng)力蓄電池單體電壓、溫度和電流不超過允許值。充電機(jī)應(yīng)具備防輸出短路和防反接功能。充電機(jī)至少能為以下三種類型動(dòng)力蓄電池中的一種充電：鋰離子蓄電池、鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池。

動(dòng)力電池組充電模式采用“恒流―恒壓”兩階段充電模式。充電開始階段，一般采用最優(yōu)充電倍率(鋰離子電池為0.3C)進(jìn)行恒流充電。(C是電池的容量，如C=800mAh，1C充電率即充電電流為800mA）在這一階段，由于電池的電動(dòng)勢(shì)較低，即使電池充電電壓不高，電池的充電流也會(huì)很大，必須對(duì)充電電流加以限制。所以，這一階段的充電叫“恒流”充電，充電電流保持在限流值。隨著充電的延續(xù)，電池電動(dòng)勢(shì)不斷上升，充電壓也不斷上升。當(dāng)電池電壓上升到允許的最高充電電壓時(shí)，保持恒壓充電。在這一階段，由于電池電動(dòng)勢(shì)還在不斷上升，而充電電壓又保持不變，所以電池的充電流呈雙曲線趨勢(shì)不斷下降，一直下降到零。但在實(shí)際充電過程中，當(dāng)充電電流減小到0.015C時(shí)，說(shuō)明充電已滿就可停止充電。這一階段的充電叫“恒壓”充電，這一階段的充電電壓：U=E+IR為恒壓值。這是鋰離子動(dòng)力電池組對(duì)充電模式的基本要求。此外，充電系統(tǒng)還必須具有自動(dòng)調(diào)節(jié)充電參數(shù)、自動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)功能。尤其在恒壓充電階段，如果單體電池的充電電壓超過允許的充電電壓時(shí)，充電機(jī)應(yīng)能自動(dòng)減小充電電壓和電流，使該電池的充電電壓不超過允許的充電電壓，防止該電池過壓充電。充電過程及充電電壓、電流的變化如圖1所示。

圖1 充電曲線（n為電池組中串聯(lián)的單體電池個(gè)數(shù)）

根據(jù)電池的充電特性和電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的充電要求，常用充電設(shè)備為充電機(jī)，可分為直流充電機(jī)和脈沖充電機(jī)兩類。直流充電機(jī)就是把電網(wǎng)電源經(jīng)過整流濾波后隔離穩(wěn)壓輸出直流電源，供給動(dòng)力電池組進(jìn)行充電。目前使用最多的直流充電機(jī)是高頻開關(guān)電源充電機(jī)。它具有體積小、重量輕、工作可靠、效率高、功率因數(shù)高、電網(wǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)、功率可小可大，容易實(shí)現(xiàn)智能化等優(yōu)點(diǎn)。脈沖充電機(jī)可以減少電池在充電時(shí)產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，從而提高電池的充電效率，減少充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速充電，但脈沖充電器技術(shù)有待進(jìn)一步研究。

電動(dòng)汽車充電時(shí)間長(zhǎng)，充電難是電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的一個(gè)難題。以一輛大型鋰動(dòng)力電動(dòng)大巴為例，配置電池容量700Ah。最大充電電流210A（相當(dāng)于700AH電池容量的0.3C充電率），最高充電電壓700V（相當(dāng)于165只最高充電電壓4.2V左右的鋰電池單體串聯(lián)電壓），那么需要充電器的最大輸出功率為245kW。按最優(yōu)充電要求對(duì)電動(dòng)汽車充電的充電時(shí)間，至少需要3小時(shí)。因此，電動(dòng)汽車的充電方式不能像燃油汽車在加油站加油那樣進(jìn)行充電。如果20分鐘快速充滿電，至少要用3C的充電倍率進(jìn)行充電，這對(duì)于磷酸鐵鋰鋰離子電池來(lái)說(shuō)是可能的。

綜上所述，電動(dòng)汽車的充電還是采用普通充電為主、快速補(bǔ)充充電為輔的充電方式。對(duì)于電動(dòng)公交車而言，充電站設(shè)在公交車總站內(nèi)。在晚間下班后利用低谷充電，時(shí)間5～6小時(shí)。全天運(yùn)行的車輛，續(xù)駛里程不夠時(shí)，可利用中間休息待班時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)充充電。充電器的數(shù)量和容量根據(jù)車隊(duì)的規(guī)模而定，充電站由車隊(duì)管理。例如，12輛大型鋰動(dòng)力電動(dòng)大巴需要12臺(tái)充電機(jī)。快速充電時(shí)，可用6臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)充電，最大輸出功率為1470kW，最大充電電流2100A（相當(dāng)于700AH電池的3C充電率）?；蛘哂?臺(tái)充電機(jī)平時(shí)為8輛電動(dòng)車輛充電，每臺(tái)輸出最高充電電壓700V，最大充電電流500A（相當(dāng)于700AH電池用量0.7C的充電率）。1C～3C的快速充電模式，已經(jīng)在探討應(yīng)用，但應(yīng)確保在電池的安全和使用壽命的前提下進(jìn)行。按照上述充電機(jī)的最大功率配置，電力變壓器有效總功率約為3000kW以上。

目前汽車各大廠商紛紛研制上產(chǎn)油電混合動(dòng)力車和純電動(dòng)汽車。以比亞迪E6純電動(dòng)汽車為例，電池類型為磷酸鐵鈷鋰電池，配置電池容量200Ah，3C的充電電流為600A，標(biāo)稱電壓316.8V（相當(dāng)于96只充電電壓3.3V左右的磷酸鐵鈷鋰電池單體串聯(lián)電壓）。充電器的輸出功率為192kW?？焖俪潆姇r(shí)間15分鐘充滿80%。百公里能耗為21.5度電左右，相當(dāng)于燃油車1/3至1/4的消費(fèi)價(jià)格。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
大功率電動(dòng)汽車充電機(jī)的輸入為額定線電壓380V、50Hz的三相交流電，輸出額定電壓700V，額定電流600A。系統(tǒng)采用19"標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、外型美觀大方。外型尺寸：高×寬×深為2200mm×600mm×600mm。采用60個(gè)模塊并聯(lián)，每個(gè)模塊10A/700V，模塊尺寸：高×寬×深為133mm×425mm×270mm，15層4列，分四個(gè)柜體安放，四個(gè)柜體可分開運(yùn)輸，使用時(shí)緊湊左右排列。機(jī)架前門、后門均為雙開門，方便檢修。電源進(jìn)線和匯流排輸出位置均在底部輸入。電源輸入斷路器及監(jiān)控單元觸摸屏安裝在主機(jī)中間控制柜前部。充電機(jī)控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 充電機(jī)控制結(jié)構(gòu)示意圖

開關(guān)電源主回路設(shè)計(jì)
電動(dòng)汽車充電機(jī)采用的大功率高頻開關(guān)電源的原理框圖如圖3所示，由三相橋式不可控整流電路對(duì)三相交流輸入進(jìn)行濾波整流，功率因數(shù)校正預(yù)穩(wěn)壓800V后經(jīng)高頻DC/DC半橋功率變換器，濾波輸出直流700V為動(dòng)力蓄電池充電。經(jīng)過分析計(jì)算，變壓器采用雙E65磁芯，初級(jí)線圈12匝，則根據(jù)輸出電壓最高700V、輸入電壓最低780V、最大占空比0.95可求得次級(jí)繞組圈數(shù)N2，N2=(12/780)×(700/0.95)=11.33，考慮漏感、次級(jí)整流壓降等因素取N2為12匝。

圖3 充電機(jī)電源的原理框圖

由于電動(dòng)汽車充電機(jī)為非線性負(fù)荷，會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)是一種污染。必須采取有效措施，如功率因數(shù)校正或無(wú)功補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，限制電動(dòng)汽車充電機(jī)進(jìn)入電網(wǎng)的總諧波量。為提高功率因數(shù)，降低輸入電網(wǎng)諧波，采用有源功率因數(shù)校正電路，如圖4所示。它采用三相三開關(guān)三電平BOOST電路，工作在連續(xù)模式，開關(guān)采用兩個(gè)MOSFET組合成的雙向開關(guān)。圖中，開關(guān)S1，S2，S3是雙向開關(guān)。由于電路的對(duì)稱性，電容中點(diǎn)電位VM與電網(wǎng)中點(diǎn)的電位近似相同，因而通過雙向開關(guān)S1、S2、S3可分別控制對(duì)應(yīng)相上的電流。開關(guān)合上時(shí)對(duì)應(yīng)相上的電流幅值增大，開關(guān)斷開時(shí)對(duì)應(yīng)橋臂上的二極管導(dǎo)通(電流為正時(shí)，上臂二極管導(dǎo)通；電流為負(fù)時(shí)，下臂二極管導(dǎo)通)。在輸出電壓的作用下Boost電感上的電流減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。其控制電路采用三個(gè)控制芯片UC3854A，相電壓通過三相隔離變壓器向UC3854A提供同步信號(hào)和預(yù)校正信號(hào)，電流反饋采用霍爾電流互感器，分別控制三個(gè)開關(guān)，形成三個(gè)電流反饋內(nèi)環(huán)和一個(gè)電壓反饋外環(huán)的多閉環(huán)系統(tǒng)。該電路的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每相僅需一個(gè)功率開關(guān)。具有三電平特性諧波電流小，開關(guān)管電壓電流應(yīng)力小。不需要中線，無(wú)三次諧波，滿載時(shí)功率因數(shù)很高。開關(guān)應(yīng)力小，關(guān)斷壓降低，開關(guān)損耗低，共模EMI低。

圖4 三相三開關(guān)三電平APFC電路拓?fù)鋱D

DC/DC功率變換器采用半橋電路拓?fù)洌β势骷伲刂坪?jiǎn)單，可靠性高。如圖5所示，采用MOSFET和IGBT并聯(lián)技術(shù)，充分利用了MOSFET開關(guān)速度快和IGBT導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。在電路上采取措施，使得MOSFET的關(guān)斷時(shí)間比IGBT延遲一定的時(shí)間，大大減小了IGBT的電流拖尾，降低了開關(guān)通態(tài)損耗，提高了效率和可靠性，使得半橋電路的輸出功率可以實(shí)現(xiàn)7kW。其輸出側(cè)采用的整流方式有半波整流，中心抽頭全波整流及全橋整流。由于輸出電壓較高，全橋整流對(duì)變壓器利用率高，比較適合用于這種場(chǎng)合。

圖5 MOSFET/IGBT并聯(lián)組合開關(guān)電路

圖6 PWM強(qiáng)迫均流法工作框圖

系統(tǒng)采用PWM強(qiáng)迫均流法，工作框圖如圖6所示。這是一種系統(tǒng)電壓控制和強(qiáng)迫均流相結(jié)合的改進(jìn)方法，其工作原理是將系統(tǒng)母線電壓Us和系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓Ur相比較產(chǎn)生誤差電壓Ue，用該誤差電壓控制PWM調(diào)制器，得到的PWM信號(hào)去控制每一模塊的電流。每個(gè)模塊的電流要求信號(hào)都是相同的，PWM信號(hào)通過光耦與模塊的輸出電流進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)模塊參考電壓，從而改變輸出電壓，調(diào)節(jié)輸出電流，實(shí)現(xiàn)均流。這樣，每個(gè)模塊都相當(dāng)于電壓控制的電流源。這種均流方式精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可控制模塊多，可以很方便地組成冗余系統(tǒng)。強(qiáng)迫均流依賴于某一模塊，如果該模塊失效，則無(wú)法均流，所以必須設(shè)計(jì)模塊故障退出功能。在強(qiáng)迫均流中，系統(tǒng)模塊數(shù)可達(dá)100個(gè)，即使模塊電壓相差較大，參數(shù)設(shè)置好后不需任何調(diào)整，均流精度優(yōu)于1％,負(fù)載響應(yīng)快，無(wú)振蕩現(xiàn)象，滿足應(yīng)用需要。