电动汽车充电桩设计研究

电动汽车充电桩设计研究
摘要:通过分析大功率充电桩项目实施的必要性,根据设计目标:充电桩输出功率10kw,充电桩主电路由输入电路、全桥DC/DC直流变换器和输出电路组成,输出最大电流100A,输出最高电压380V,输出电流纹波控制在±1%以内,从硬件结构,控制算法的层面上对系统进行设计,仿真结果证明了设计的可行性,
关键词:充电桩设计
1 引言
面对当前全球“能源危机”和全球“气候变暖”等问题,新能源的发展和应用越来越受到关注。

因此,新能源汽车也日益成为全球竞相发展的热门产业。

电动汽车作为未来新能源汽车发展的大方向,必将引起越来越多的重视。

随着电动汽车的进一步发展,必将带动电动汽车充电设备的发展和使用。

近年,电动汽车充电桩得到了迅猛的发展。

但是现有的大多数电动汽车充电桩主要存在如下问题。

1.1 充电速度慢
电动汽车充电时间长是电动汽车推广应用的难题之一。

对应不同特性的电池,例如,铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等,电池充电模型各有不同,因此要求充电桩能根据不同的电池对象,选择相应的最佳充电算法以达到最快充电速度。

1.2 充电对象单一
目前,市场上已有的充电桩,一般只针对一种蓄电池充电,而能够针对不同蓄电池快速充电的充电桩还非常少见。

1.3 高频变压器损耗高且难于设计
为了实现电气隔离,同时减小变压器体积与重量,电动汽车充电桩结构上通常采用高频变压器进行隔离。

但是,随着电动汽车充电桩的容量不断增大,高频变压器的损耗也在不断增加。

在大输出电流的条件下,为了减小高频变压器漏感和铁损,使高频变压器的设计越来越困难。

为了克服传统电动汽车充电桩的局限,必需改进电动汽车充电桩的拓扑形式和控制算法,高性能电动汽车快速充电桩由此应运而生。

高性能电动汽车快速充电桩不仅能够实现传统电动汽车充电桩的所有功能,并且具有:充电速度快、充电对象多样、高频器件设计容易等优点。

2 充电桩整体设计
2.1 硬件设计
电动汽车充电桩作为一种电力变换装置在电动汽车充电设备中
的应用,在上个世纪就已经提出。

电动汽车充电桩通常由一个单相或者三相不可控整流桥将单相交流电或者是三相交流电整流成直流,然后通过一个DC-DC变换电路转化为直流电压和直流电流都可控的电源给蓄电池充电。

目前的研究主要集中在采用高频变压器作为隔离元器件,使用ZVZCS算法进行控制,这种结构是采用4个开关组成一个逆变器电路,结构紧凑,功率密度大,其主电路拓扑结构简单,并具有诸多的理想特性具有广阔的应用前景。

2.1.1 系统总体结构
系统主要包括8个部分:交流输入:50Hz 220V的市电,主电路拓扑结构有待进一步的确定(全桥式开关电源电路),充电对象:电动汽车车用锂电池,驱动电路:用于驱动主电路的开关,保护电路:用于系统过压、过流、短路、过热等保护,采样电路:用于采集充电电池的电压和电流信号,控制电路:与上位机通信并实现相应的控制算法,人机交互界面(上位机):对系统进行全面的监控(电池电压、充电电流、温度、电池电量等);能够进行相应的设置(充电模式设定、充电电量设定、主电路输出电压、电流的设定等)。

2.1.2 主电路拓扑结构
主电路是能量传递单元,其可靠性、效率高低影响到整个充电器的工作。

因此,根据功率传递要求,选择合适的拓扑结构是十分重要的。

根据是否有隔离变压器,常用拓扑结构可分为隔离型与非隔离
型。

与隔离型相比,非隔离型虽然也能完成电压变换的功能,但存在着局限性:如输入输出不隔离存在安全隐患,输入输出电压电流比不能太大,无法实现多路输出等,比较适用于小功率场合。

常用的隔离变换器有推挽式、正激式、反激式、及半桥和全桥。

正激式与反激式受到自身输出功率的限制,适用于输出功率为几百瓦的场合。

推挽式的输出功率较大,但开关管的最大电压应力两倍与直流输入电压,且存在磁通不平衡等问题,限制了它的应用。

全桥拓扑与半桥拓扑相比,在输入电压和输入电流相同的情况下,能够提供两倍的功率,适用于大功率的场合。

考虑到本系统输出功率的要求及以后的可拓展性,可以选择全桥式变换器作为我们的主回路。

主电路主要包括两个不可控整流桥,4个IGBT,两个滤波电感L1、L2,两个滤波电容C1、C3,一个变压器及其初级阻断电容C2,一个二极管D1。

系统输入电压为AC380V,经过不可控整流得到C1上的电压为537V。

本系统参数定为:最高充电电压为DC380V,最大充电电流为100A,功率等级为10kW,变压器匝数比为1∶2。

2.2 控制策略
对锂电池模型负载进行先恒流(CC)再恒压(CV)控制。

锂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,充电桩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。

本文采用方波调制策略,方波信号频率5KHz,锯齿波(载波)频率60KHz,调制范围0～1。

3 仿真结果
恒压临界点设定为直流100V,期望输出直流电压为100V,模拟电容值15e-2模拟电容初始电压0V电阻0.1,充电终止时间0.182s超调0V。

仿真结果分析如下:在0.14s以前是CC充电阶段(恒定电流为100A),之后是恒压充电(恒定电压100V)到0.2s基本将电池充满。

黄线表示电池内部实际电压值(模拟电容电压)。

4 结语
通过仿真研究,以单相零电压零电流开关切换DC-DC变换器为基础,研究一种基于DC-DC变换器的电动汽车充电桩的拓扑结构,同时,对零电流开关切换DC-DC变换器的控制策略进行研究,10kW充电桩电路结构简单、设计合理、工作可靠。

性能完全符合设计要求。