大功率电动汽车充电机的设计

大功率电动汽车充电机的设计(图)作者：何占伟刘捷王志本纯电动汽车以锂电池为动力源，充满电后，以电力做功推动汽车。

不同于汽油发动机汽车需要添加汽油，纯电动汽车在电力耗光后通过外置电源对其进行充电，通常单次行驶里程在100～200公里。

与传统汽车相比，纯电动车在使用成本上有着无以比拟的优势，百公里约消耗15度电，成本8元，仅相当于汽油发动机汽车成本1/10。

目前，国家已着手进行电动汽车和新能源汽车的示范推广，电动汽车充电站则是主要环节之一，必须与电动汽车其他领域实现共同协调发展。

充电模式电动汽车能源供给系统主要由供电系统、充电系统和动力蓄电池构成。

另外，还包括充电监控、电池管理和烟雾报警监控等。

充电机是充电系统的重要组成部分。

充电站给汽车充电一般分为三种方式：普通充电、快速充电、电池更换。

普通充电多为交流充电，对于容量不超过5kW的交流充电机，输入为额定电压220V、50Hz的单相交流电，对于容量大于5kW的交流充电机，输入为额定线电压380V、50Hz的三相交流电。

将交流插头直接插在电动汽车充电接口，充电时间大约需要4～8小时。

快速充电多为直流充电，直流充电机输入为额定线电压380V、50Hz的三相交流电，输出电压一般不超过700V，输出电流一般不超过700A。

交流输入隔离型AC/DC充电机的输出电压为额定电压的50%～100%，并且输出电流为额定电流时，功率因数应大于0.85，效率应不小于90%。

充电机应能够保证在充电过程中动力蓄电池单体电压、温度和电流不超过允许值。

充电机应具备防输出短路和防反接功能。

充电机至少能为以下三种类型动力蓄电池中的一种充电：锂离子蓄电池、铅酸蓄电池、镍氢蓄电池。

动力电池组充电模式采用“恒流―恒压”两阶段充电模式。

充电开始阶段，一般采用最优充电倍率(锂离子电池为0.3C)进行恒流充电。

(C是电池的容量，如C=800mAh，1C充电率即充电电流为800mA）在这一阶段，由于电池的电动势较低，即使电池充电电压不高，电池的充电流也会很大，必须对充电电流加以限制。

所以，这一阶段的充电叫“恒流”充电，充电电流保持在限流值。

随着充电的延续，电池电动势不断上升，充电压也不断上升。

当电池电压上升到允许的最高充电电压时，保持恒压充电。

在这一阶段，由于电池电动势还在不断上升，而充电电压又保持不变，所以电池的充电流呈双曲线趋势不断下降，一直下降到零。

但在实际充电过程中，当充电电流减小到0.015C时，说明充电已满就可停止充电。

这一阶段的充电叫“恒压”充电，这一阶段的充电电压：U=E+IR为恒压值。

这是锂离子动力电池组对充电模式的基本要求。

此外，充电系统还必须具有自动调节充电参数、自动控制和自动保护功能。

尤其在恒压充电阶段，如果单体电池的充电电压超过允许的充电电压时，充电机应能自动减小充电电压和电流，使该电池的充电电压不超过允许的充电电压，防止该电池过压充电。

充电过程及充电电压、电流的变化如图1所示。

图1 充电曲线（n为电池组中串联的单体电池个数）根据电池的充电特性和电动汽车动力电池组的充电要求，常用充电设备为充电机，可分为直流充电机和脉冲充电机两类。

直流充电机就是把电网电源经过整流滤波后隔离稳压输出直流电源，供给动力电池组进行充电。

目前使用最多的直流充电机是高频开关电源充电机。

它具有体积小、重量轻、工作可靠、效率高、功率因数高、电网适应能力强、功率可小可大，容易实现智能化等优点。

脉冲充电机可以减少电池在充电时产生的极化现象，从而提高电池的充电效率，减少充电时间，实现快速充电，但脉冲充电器技术有待进一步研究。

电动汽车充电时间长，充电难是电动汽车推广应用的一个难题。

以一辆大型锂动力电动大巴为例，配置电池容量700Ah。

最大充电电流210A（相当于700AH电池容量的0.3C充电率），最高充电电压700V（相当于165只最高充电电压4.2V左右的锂电池单体串联电压），那么需要充电器的最大输出功率为245kW。

按最优充电要求对电动汽车充电的充电时间，至少需要3小时。

因此，电动汽车的充电方式不能像燃油汽车在加油站加油那样进行充电。

如果20分钟快速充满电，至少要用3C的充电倍率进行充电，这对于磷酸铁锂锂离子电池来说是可能的。

综上所述，电动汽车的充电还是采用普通充电为主、快速补充充电为辅的充电方式。

对于电动公交车而言，充电站设在公交车总站内。

在晚间下班后利用低谷充电，时间5～6小时。

全天运行的车辆，续驶里程不够时，可利用中间休息待班时间进行补充充电。

充电器的数量和容量根据车队的规模而定，充电站由车队管理。

例如，12辆大型锂动力电动大巴需要12台充电机。

快速充电时，可用6台充电机并联充电，最大输出功率为1470kW，最大充电电流2100A（相当于700AH电池的3C充电率）。

或者用8台充电机平时为8辆电动车辆充电，每台输出最高充电电压700V，最大充电电流500A（相当于700AH 电池用量0.7C的充电率）。

1C～3C的快速充电模式，已经在探讨应用，但应确保在电池的安全和使用寿命的前提下进行。

按照上述充电机的最大功率配置，电力变压器有效总功率约为3000kW以上。

目前汽车各大厂商纷纷研制上产油电混合动力车和纯电动汽车。

以比亚迪E6纯电动汽车为例，电池类型为磷酸铁钴锂电池，配置电池容量200Ah，3C的充电电流为600A，标称电压316.8V（相当于96只充电电压3.3V左右的磷酸铁钴锂电池单体串联电压）。

充电器的输出功率为192kW。

快速充电时间15分钟充满80%。

百公里能耗为21.5度电左右，相当于燃油车1/3至1/4的消费价格。

系统结构大功率电动汽车充电机的输入为额定线电压380V、50Hz 的三相交流电，输出额定电压700V，额定电流600A。

系统采用19"标准机架，结构紧凑、布局合理、外型美观大方。

外型尺寸：高×宽×深为2200mm×600mm×600mm。

采用60个模块并联，每个模块10A/700V，模块尺寸：高×宽×深为133mm×425mm×270mm，15层4列，分四个柜体安放，四个柜体可分开运输，使用时紧凑左右排列。

机架前门、后门均为双开门，方便检修。

电源进线和汇流排输出位置均在底部输入。

电源输入断路器及监控单元触摸屏安装在主机中间控制柜前部。

充电机控制结构示意图如图2所示。

图2 充电机控制结构示意图开关电源主回路设计电动汽车充电机采用的大功率高频开关电源的原理框图如图3所示，由三相桥式不可控整流电路对三相交流输入进行滤波整流，功率因数校正预稳压800V后经高频DC/DC半桥功率变换器，滤波输出直流700V为动力蓄电池充电。

经过分析计算，变压器采用双E65磁芯，初级线圈12匝，则根据输出电压最高700V、输入电压最低780V、最大占空比0.95可求得次级绕组圈数N2，N2=(12/780)×(700/0.95)=11.33，考虑漏感、次级整流压降等因素取N2为12匝。

图3 充电机电源的原理框图由于电动汽车充电机为非线性负荷，会产生谐波，对电网是一种污染。

必须采取有效措施，如功率因数校正或无功补偿等技术，限制电动汽车充电机进入电网的总谐波量。

为提高功率因数，降低输入电网谐波，采用有源功率因数校正电路，如图4所示。

它采用三相三开关三电平BOOST电路，工作在连续模式，开关采用两个MOSFET 组合成的双向开关。

图中，开关S1，S2，S3是双向开关。

由于电路的对称性，电容中点电位VM与电网中点的电位近似相同，因而通过双向开关S1、S2、S3可分别控制对应相上的电流。

开关合上时对应相上的电流幅值增大，开关断开时对应桥臂上的二极管导通(电流为正时，上臂二极管导通；电流为负时，下臂二极管导通)。

在输出电压的作用下Boost电感上的电流减小，从而实现对电流的控制。

其控制电路采用三个控制芯片UC3854A，相电压通过三相隔离变压器向UC3854A提供同步信号和预校正信号，电流反馈采用霍尔电流互感器，分别控制三个开关，形成三个电流反馈内环和一个电压反馈外环的多闭环系统。

该电路的优点在于结构简单，每相仅需一个功率开关。

具有三电平特性谐波电流小，开关管电压电流应力小。

不需要中线，无三次谐波，满载时功率因数很高。

开关应力小，关断压降低，开关损耗低，共模EMI 低。

图4 三相三开关三电平APFC电路拓扑图DC/DC功率变换器采用半桥电路拓扑，功率器件少，控制简单，可靠性高。

如图5所示，采用MOSFET和IGBT并联技术，充分利用了MOSFET开关速度快和IGBT导通压降低的优点。

在电路上采取措施，使得MOSFET的关断时间比IGBT延迟一定的时间，大大减小了IGBT的电流拖尾，降低了开关通态损耗，提高了效率和可靠性，使得半桥电路的输出功率可以实现7kW。

其输出侧采用的整流方式有半波整流，中心抽头全波整流及全桥整流。

由于输出电压较高，全桥整流对变压器利用率高，比较适合用于这种场合。

图5 MOSFET/IGBT并联组合开关电路图6 PWM强迫均流法工作框图系统采用PWM强迫均流法，工作框图如图6所示。

这是一种系统电压控制和强迫均流相结合的改进方法，其工作原理是将系统母线电压Us和系统的基准电压Ur相比较产生误差电压Ue，用该误差电压控制PWM调制器，得到的PWM信号去控制每一模块的电流。

每个模块的电流要求信号都是相同的，PWM信号通过光耦与模块的输出电流进行比较，调节模块参考电压，从而改变输出电压，调节输出电流，实现均流。

这样，每个模块都相当于电压控制的电流源。

这种均流方式精度高，动态响应好，可控制模块多，可以很方便地组成冗余系统。

强迫均流依赖于某一模块，如果该模块失效，则无法均流，所以必须设计模块故障退出功能。

在强迫均流中，系统模块数可达100个，即使模块电压相差较大，参数设置好后不需任何调整，均流精度优于1％,负载响应快，无振荡现象，满足应用需要。