集成式電動(dòng)汽車用車載充電器的研究_熊云

1、集成式電動(dòng)汽車用車載充電器的研究熊云1 鐘再敏 1 孫澤昌1 牛宇航2（1.同濟(jì)大學(xué)；2.上海燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)有限公司）【摘要】論述了一種應(yīng)用于電動(dòng)汽車的集成式多功能車載充電器的開發(fā)與應(yīng)用背景，介紹了該款充電器的主電路結(jié)構(gòu)、工作原理和主要特點(diǎn)，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行了檢驗(yàn)與優(yōu)化。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了功能與性能測試試驗(yàn)，結(jié)果表明，該款充電器具備高效和運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，適合車載運(yùn)行。主題詞：電動(dòng)汽車 車載充電器 集成式中圖分類號(hào)：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：10003703（2009）11002004 1前言電動(dòng)汽車充電裝置總體上可分為非車載充電裝置和車載充電裝置。非車載充電裝置

2、亦稱地面充電裝置，包括專用充電機(jī)、專用充電站、通用充電機(jī)、公共場所用充電站等，它可以滿足各種電池的各種充電方式要求。通常，非車載充電器的功率、體積和質(zhì)量均比較大，能夠滿足各種功率需求。車載充電裝置是指安裝在電動(dòng)汽車上的、采用地面交流電網(wǎng)或車載電源對(duì)電池組進(jìn)行充電的裝置，包括車載充電機(jī)、車載充電發(fā)電機(jī)組和運(yùn)行能量回收充電裝置，它將交流動(dòng)力電纜線直接插到電動(dòng)汽車的插座中給電動(dòng)汽車充電。車載充電裝置通常使用結(jié)構(gòu)簡單、控制方便的接觸式充電器，也可以是感應(yīng)充電器，其完全按照車載蓄電池的種類進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)性較強(qiáng)。本文重點(diǎn)介紹一款車載集成式充電機(jī)，其兼具高壓交直流充電機(jī)與直流轉(zhuǎn)換器的功能特點(diǎn)。2.集成式充電

3、機(jī)的電路結(jié)構(gòu)與工作原理該款集成式充電機(jī)主要針對(duì)上海燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)有限公司自主研發(fā)的高、低速微型電動(dòng)車。但從功能角度，它也適合目前所有配備動(dòng)力蓄電池的電動(dòng)汽車。2.1集成式充電機(jī)的主電路結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)集成式車載充電機(jī)，按照功能可劃分為交直流高壓充電器（Charger）和低壓直流變換器（DCL）兩部分，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1集成式車載充電機(jī)結(jié)構(gòu)圖由圖1可知，該集成式充電機(jī)的變壓器電路為一組輸入、兩組輸出；兩組輸出電路共用一組控制電路，通過控制充電機(jī)變壓器輸入側(cè)4個(gè)開關(guān)管的通和斷，來實(shí)現(xiàn)不同的輸入源對(duì)應(yīng)不同的隔離輸出電源。因此，該充電機(jī)的工作分為兩個(gè)模式，其電路結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：a.集成度高。在

4、交直流高壓充電器基礎(chǔ)上，在變壓器副邊，另外集成了一組繞組線圈以及對(duì)應(yīng)的整流電路，實(shí)現(xiàn)了低壓直流變換器的功能。通過這種集成方案，不僅降低了成本，而且大大減小了產(chǎn)品體積，便于實(shí)現(xiàn)車載運(yùn)行的要求。b.隔離輸出。通過直流變壓器的電磁轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了直流直流變壓隔離輸出。 c.能量轉(zhuǎn)換效率高。主要由于該電路具備實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件，通過采用全橋移相控制策略，實(shí)現(xiàn)功率管（MOSFET）零電壓開通（ZVS），顯著提升了電源轉(zhuǎn)換效率。d.控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。由于集成了Charger和DCL功能，并要求實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率，因此，控制系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)兩種工作模式的切換與保護(hù)，兩種工作模式的恒流、恒壓控制與功率限制等功能導(dǎo)

5、致了控制算法相對(duì)復(fù)雜。2.2集成式充電機(jī)的工作原理由圖1可知，通過對(duì)交流電輸入以及動(dòng)力蓄電池供電繼電器的控制，實(shí)現(xiàn)了兩種工作模式的切換。同時(shí)，在輸出電流較小的高壓輸出端，采用開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)了高、低壓的可控輸出。另外，結(jié)合目前電動(dòng)車的功率需求以及普通民用電源插座允許輸出功率范圍，該集成式充電機(jī)的額定輸出功率為2kW。 a. Charger模式工作原理：將公共電網(wǎng)的220V、50Hz交流電進(jìn)行整流（包含功率因數(shù)調(diào)制功能），得到312V的直流電源作為變壓器的直流輸入，通過全橋變換以及整流處理，可以實(shí)現(xiàn)加大范圍的直流電壓輸出，為不同電壓等級(jí)的動(dòng)力蓄電池充電。該模式通過閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)恒流輸出與恒功率保

6、護(hù)等功能。b. DCL模式工作原理：以動(dòng)力蓄電池的高壓直流電源作為變壓器的直流輸入，通過全橋變換以及整流處理，可以得到穩(wěn)定的直流電壓輸出，為12 V蓄電池充電；通過閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)恒壓輸出與恒功率保護(hù)。通過電路結(jié)構(gòu)以及控制邏輯設(shè)計(jì)，可以確保集成式充電機(jī)在某一時(shí)刻只能在一種確定的模式下工作；通過計(jì)算分析得到關(guān)鍵零部件以及主電路設(shè)計(jì)能夠滿足兩種工作模式的需求。 3.計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果分析針對(duì)目前某公司相關(guān)車型的需求，相關(guān)參數(shù)如下：Charger模式下，功率為2kW，輸入為220V交流電壓，輸出為140V直流電壓，采用恒定電流控制模式；DCL模式下，功率為1.5kW，輸入為140V直流電壓，輸出為13.

7、5V直流電壓，采用恒定電壓控制模式。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行變壓器鐵芯的選型、變壓器原副邊線圈匝數(shù)以及原副邊線圈線徑的確定。 3.1 Charger模式仿真分析 Charger模式工作時(shí)，控制從動(dòng)力蓄電池到車載充電器變壓器鐵芯的原邊繞組接觸器切斷，作為高壓輸出線路開關(guān)的MOSFET閉合，并使用220V交流電為整個(gè)系統(tǒng)供電，通過整流處理以及全橋變換實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力蓄電池進(jìn)行恒流充電的功能。通過Matlab的仿真工具箱Sim Powersystem對(duì)該充電機(jī)進(jìn)行建模仿真，其仿真模型如圖2所示。圖2 Charger模式仿真模型按2kW的輸出功率需求，可得到圖3所示的仿真結(jié)果：輸出高壓約為140V，充電電流約為20

8、 A?？芍摻Y(jié)果與需求基本相符。圖3 Charger模式仿真結(jié)果3.2 DCL模式仿真分析在DCL模式下，控制從動(dòng)力蓄電池到變壓器原邊電源輸入的接觸器閉合，作為高壓輸出線路開關(guān)的MOSFET切斷，同時(shí)，公共電網(wǎng)的220V交流電輸入斷開，使用動(dòng)力蓄電池作為變壓器原邊輸入，為12V低壓蓄電池供電，其仿真模型如圖4所示。圖4 DCL模式仿真模型圖5為該模型仿真得到的各個(gè)電壓、電流變化波形，其中動(dòng)力蓄電池放電電流為7A，輸出低壓從12V逐漸升到12.25V，輸出電流為25A。由仿真結(jié)果可以看出，該輸出電壓略低于設(shè)計(jì)預(yù)期，主要是由于之前的設(shè)計(jì)忽略了各器件的能量損耗，造成能量輸出略低。但是，可對(duì)變壓器匝數(shù)

9、比進(jìn)行調(diào)整以提高DCL模式下的輸出電壓。該仿真結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)預(yù)期。通過仿真分析可知，采用高壓輸出控制、匝數(shù)比設(shè)計(jì)以及PWM占空比控制，可以將DCL模式和Charger模式集成并取得較好的應(yīng)用效果。其中，重點(diǎn)要關(guān)注變壓器的匝數(shù)比和繞組圈數(shù)，另外，控制策略的優(yōu)化直接影響集成式充電機(jī)的運(yùn)行效率。 圖5DCL模式仿真結(jié)果4功能樣機(jī)開發(fā)與測試集成式充電機(jī)功能樣機(jī)的開發(fā)與測試主要包含硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)和軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)兩方面的內(nèi)容。4.1硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)充電機(jī)控制器主要由DSP2812與型號(hào)為EPM570T100C5的CPLD組合完成。DSP2812實(shí)現(xiàn)控制算法、數(shù)據(jù)采集以及通訊功能，CPLD實(shí)現(xiàn)移相控制功能（

10、軟開關(guān)）、輸出PWM控制信號(hào)以及過流、過壓保護(hù)?？刂破鞯腜CB布置如圖6所示。圖6集成式車載充電機(jī)控制器PCB布置示意4.2軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)集成式充電機(jī)兩種工作模式均采用雙閉環(huán)控制策略，具有恒流控制與恒壓控制功能，具備CAN信號(hào)的通訊傳輸功能，可以接受外部的控制器信號(hào)，同時(shí)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷與保護(hù)功能?？刂葡到y(tǒng)原理以及兩種工作模式下控制系統(tǒng)邏輯框圖分別如圖7圖9所示。 圖7Charger和DCL控制系統(tǒng)原理圖8Charger控制系統(tǒng)邏輯框圖圖9 DCL控制系統(tǒng)邏輯框圖4.3試驗(yàn)結(jié)果分析為驗(yàn)證集成式充電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效果，將其置于環(huán)境溫度40的熱烘箱中，采用220V的交流電源以及140V的直流電

11、源作為輸入電源，并應(yīng)用電子負(fù)載（由美國TDI公司生產(chǎn)）分別進(jìn)行了Charger模式和DCL模式下的變負(fù)荷加載考核。經(jīng)過各兩小時(shí)測試表明，該集中式充電機(jī)在兩種模式下均能連續(xù)穩(wěn)定工作。實(shí)際測試結(jié)果見圖10圖12所示。圖10和圖11為Charger模式下變壓器鐵芯原邊繞組的電壓、電流波形，其轉(zhuǎn)換效率約為83%。圖12為DCL模式下直流電源的轉(zhuǎn)換效率曲線，可見在大部分工作區(qū)間，其整體效率達(dá)到88%左右。整體而言，試驗(yàn)結(jié)果和仿真分析結(jié)果比較接近。圖10 Charger模式下變壓器原邊電壓波形圖11Charger模式下變壓器原邊電流波形圖12 DCL模式下工作效率曲線5結(jié)束語集中式車載充電機(jī)巧妙的將高、低

12、壓充電器的功能結(jié)合起來，主電路以及功率器件大部分能夠復(fù)用，具有成本、體積優(yōu)勢；而且，合適的變壓器鐵芯材料選用以及軟開關(guān)技術(shù)的運(yùn)用，使得產(chǎn)品具備高功率密度、高轉(zhuǎn)換效率的特點(diǎn)。同時(shí)，作為車載變流器，它采用功率因數(shù)調(diào)制以及隔離變壓方式，其安全性符合車用電器設(shè)備的通用規(guī)范。目前，應(yīng)用于功能樣機(jī)的該集成式充電器已經(jīng)達(dá)到先期預(yù)期目的。后期主要進(jìn)行優(yōu)化工作，包括提高Charger模式下的工作效率、DCL模式下的輸出功率及壓縮功能樣機(jī)整體尺寸、提高整機(jī)性價(jià)比。參考文獻(xiàn)1黃俊，王兆安 電力電子變流技術(shù)（第三版）.北京 :機(jī)械工業(yè)出版社，1994. 2高頻功率電子學(xué).北京 :科學(xué)出版社，1993. 3張衛(wèi)平.開關(guān)變換器的建模與控制.北京：中國電力出版社, 2005. 4蔡宣三 .雙環(huán)控制的開關(guān)電源系統(tǒng)瞬態(tài)建模 功率守恒法.電源世界，2002（12）. 5 Slobodart Cuk, M