电动汽车非车载式充电机系统研制

电动汽车非车载式充电机系统研制

作者：李小伟王知学张晓鹏解兆延王平来

来源：《现代电子技术》2013年第08期

摘要：针对我国电动汽车成为国家十二五重点发展战略性新兴产业的实际情况，为了实现基于IGBT器件的非车载充电机，采用了ADUC813为控制板核心、模块化设计的方案，主回路电路采用国产IGBT器件作为逆变控制器件，控制板电路包括信号采集、反馈及UCC3895移相控制电路，采用ZVSZCS软开关技术降低开通损耗，解决了IGBT器件的电流拖尾，提高电路效率，通过试验采集ZVZCS波形结果，验证了该系统方案满足研制要求。

关键词：电动汽车； IGBT；非车载充电机； ZVSZCS

中图分类号： TN710⁃34； U469.7 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）

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目前随着能源消耗日益增多，绿色节能逐渐受到全球的重视，欧美等国家大力发展新能源，大力扶持新能源汽车的发展，在国内节能减排已成为我国汽车工业发展的首要任务，发展电动汽车被列入我国“十二五”汽车工业发展的战略方向[1⁃2]。作为推动电动汽车发展的重要因素，电动汽车充电站这一基础设施的建设显得尤为重要，没有充电站就相当于现在没有加油站，充电站的建设对于提供电动汽车远程旅行，提高续航里程，具有非常重要的作用。而作为充电站的核心，非车载直流充电机是必不可少的。

1 方案设计

本非车载充电机系统由控制板、主回路、显示单元及通信系统等组成。系统结构框图如图1所示。

1.1 主回路电路部分

该电路部分包括了滤波、整流、逆变等所有的功率器件，通过插针接收主控制板传送的控制信号实现电压、电流的控制，并将采集到的信号传送给主控制板，该板还包括了给所有控制回路供电的辅助电源。前端滤波校正电路。该电路包括前端整理、滤波、稳压、功率因素校正电路，整流电路采用电容输入性，三相全波整流方式，为了限制启动时电容的充电电流，防止损坏保险和其他器件，需要设置软启动电路。冲击电流采用在PFC电感两端并接一压敏电阻，以限制因冲击电流过大导致PFC电感两端的感应电压，从而达到抑制冲击电流的目的。高频逆变电路。设计充电机功率为10 kW，采用了国内知名半导体企业设计的1 200 V 25 A IGBT单管，目前在5 kW以下的充电机中，主要采用小功率功率场效应管等器件进行主回路逆变部分的设计，而在10 kW充电设备中，功率场效应管器件已经无法满足使用要求，需要高电压大功率IGBT器件来设计大功率充电机逆变部分。IGBT属于全控型器件，集载流能力

大、承受电压高等优点于一身[3]，所以采用IGBT设计高频逆变部分对于目前规模较大充电站设计来说是必不可少的器件。高频逆变环节是充电机模块的核心部分，该部分采用移相全桥软开关拓扑结构，开关器件的选型、主变压器和谐振电感的设计及吸收缓冲电路的设计是关键技术之一。ZVSZCS。软开关全桥变换电路作为目前中大功率应用场合的首选拓扑，一直是研究人员关注的热点[4]。

近年来，国内外相继提出了多种适用于中大功率应用场合的全桥软开关技术，大致可以分为三类[5]：全桥零电压开关PWM变换器、全桥零电流开关PWM变换器和全桥零电压零电流PWM变换器。本充电机设计采用了移相全桥ZVSZCS软开关技术，超前臂利用谐振电感及并联电容的充放电过程，为ZVS创造条件[5]，滞后臂的零电流关断需要原边电流尽快地复位，原边电流越大，电流复位就越困难，采用祸合电感给箱位电容充电的方式实现ZCS关断[6]。

1.2 主控制板电路部分

该板以ADUC831作为中央控制CPU，完成各模拟量的采集，控制量的输入/输出，键盘、显示及通信等系统主要功能，并控制UC3895实现全桥软开关的脉宽调制（PWM）。UCC3895及外围信号处理电路。UCC3895是德州仪器公司生产的一种移相谐振全桥软开关集成控制芯片，该控制芯片最高工作频率可达1 MHz，占空比控制范围可在0%～100%范围内调节。由于芯片采用了BCDMOS工艺技术，与其他软开关控制芯片相比，偏置电流显著降低，功耗更小，因而更加符合电力电子装置高效率、高频率、高可靠的发展要求[7]。电压电流检测电路。电压电流检测电路检测主回路的输出电压和电流，并与给定值进行比较对三相移相PWM控制器的输出脉冲进行调节，从而达到调整主回路输出电压、电流的目的。ADUC813及外围电路。控制板采用美国模拟器件公司Analog Devices的Aduc813有全集成12位数据采集系统，单个芯片有自校准8通道ADC、MCU内核和模拟转换器，二者都有正常、空闲及掉电工作模式，它提供了适合于低功率应用的灵活的电源管理方案。该电路主要采集电压电流信号和输出电压电流给定信号。

2 实验结论

在10 kW非车载充电机工程样机开发完成后，进行了系统的调试与实验，实验结果如图2所示。

在此分析了超前桥臂开关管零电压开关和滞后桥臂开关管零电流开关的实现情况，测定了满载时的效率，采用国产IGBT，绿色为IGBT驱动波形，黄色为滞后臂下管CE之间电压，紫色为Ip电流，通过采集波形可看到完全实现了ZVSZCS，效率达到了94%。

3 结语

该系统经过测试输出电压电流满足设计参数要求，为现阶段电动汽车普及推广注入新的技术支持，为国家下一步电动汽车基础设施建设提供更多解决方案。

参考文献

[1] 王宇宁，姚磊，王艳丽.国外电动汽车的发展战略[J].汽车工业研究，2005（9）：

35⁃40.

[2] 陈志鑫，汪晓健.我国电动汽车产业化发展策略研究[J].上海节能，2010（8）：1⁃6.

[3] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4] 许峰，徐殿国，王健强，等.软开关大功率全桥PWM变换器拓扑结构的对比分析[J].电力电子技术，2002，36（12）：51⁃53.

[5] 胡红林，李春华，邵波.移相全桥零电压PWM软开关电路的研究[J].电力电子技术，2009，43（1）：12⁃14.

[6] CHOI Hang⁃Seok， KIM J W， CHO B H. Novel zero⁃voltage and

zero⁃current⁃switching （ZVSZCS） full⁃bridge PWM converter using coupled output inductor [C]// 2001.Sixteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. [S.l.]：APEC， 2001， 2： 967⁃973.

[7] 张哲，沈虹，王晓寰.基于UCC3895的移相全桥变换器的设计 [J].电源技术应用，2006（3）：17⁃20.