一文詳解電動(dòng)汽車蓄電池充電機(jī)充電電路設(shè)計(jì)技術(shù)
2017-9-13 10:56:11??????點(diǎn)擊：
跟著現(xiàn)代高新技能的開展和當(dāng)今世界環(huán)境、動(dòng)力兩大難題的日益突出，電力驅(qū)動(dòng)車輛又成為轎車工業(yè)研討、開發(fā)和運(yùn)用的熱門。世界各國從20 世紀(jì)80年代開端，掀起了大規(guī)模的開發(fā)電動(dòng)轎車的高潮。但電動(dòng)轎車的市場(chǎng)化一直受到一些關(guān)鍵技能的困擾。其間，比較突出的一個(gè)問題就是保證電動(dòng)轎車電池組安全、高效、用戶友愛、結(jié)實(shí)、性價(jià)比高的充電機(jī)充電技能。1
1充電機(jī)充電技能
電動(dòng)轎車電池充電機(jī)充電是電動(dòng)轎車投入市場(chǎng)前，有必要處理的關(guān)鍵技能之一。電動(dòng)轎車電池充電機(jī)充電一般選用兩種根本辦法：觸摸式充電機(jī)充電和感應(yīng)耦合式充電機(jī)充電。
觸摸式充電機(jī)充電
觸摸式充電機(jī)充電方法選用傳統(tǒng)的觸摸器，運(yùn)用者把充電機(jī)充電源接頭銜接到轎車上。其典型示例如圖1所示。這種方法的缺點(diǎn)是：導(dǎo)體暴露在外面，不安全。并且會(huì)因?qū)掖尾灏尾僮?，引起機(jī)械磨損，導(dǎo)致觸摸松動(dòng)，不能有用傳輸電能。
圖1 觸摸式充電機(jī)充電示意圖
感應(yīng)耦合式充電機(jī)充電
感應(yīng)耦合式充電機(jī)充電方法，即充電機(jī)充電源和轎車接受設(shè)備之間不選用直接電觸摸的方法，而選用由別離的高頻變壓器組合而成，經(jīng)過感應(yīng)耦合，無觸摸式地傳輸能量。選用感應(yīng)耦合式充電機(jī)充電方法，能夠處理觸摸式充電機(jī)充電方法的缺點(diǎn)。
圖2給出電動(dòng)轎車感應(yīng)耦合充電機(jī)充電體系的簡(jiǎn)化功率流圖。圖中，輸入電網(wǎng)交流電經(jīng)過整流后，經(jīng)過高頻逆變環(huán)節(jié)，經(jīng)電纜傳輸經(jīng)過感應(yīng)耦合器后，傳送到電動(dòng)轎車輸入端，再經(jīng)過整流濾波環(huán)節(jié)，給電動(dòng)轎車車載蓄電池充電機(jī)充電。
圖2 EV感應(yīng)耦合充電機(jī)充電體系簡(jiǎn)化功率流圖
感應(yīng)耦合充電機(jī)充電方法還可進(jìn)一步規(guī)劃成無須人員介入的全自動(dòng)充電機(jī)充電方法。即感應(yīng)耦合器的磁耦合設(shè)備原副邊之間分開更大間隔，充電機(jī)充電源安裝在某一固定地址，一旦轎車停靠在這一固定區(qū)域方位上，就能夠無觸摸式地接受充電機(jī)充電源的能量，完成感應(yīng)充電機(jī)充電，然后無須轎車用戶或充電機(jī)充電站作業(yè)人員的介入，完成了全自動(dòng)充電機(jī)充電。
2感應(yīng)耦合充電機(jī)充電規(guī)范—SAE J-1773
為完成電動(dòng)轎車市場(chǎng)化，美國轎車工程協(xié)會(huì)依據(jù)體系要求，擬定了相應(yīng)的規(guī)范。其間，針對(duì)電動(dòng)轎車的充電機(jī)充電器，擬定了SAE J-1772和SAE J-1773兩種充電機(jī)充電規(guī)范，別離對(duì)應(yīng)于觸摸式充電機(jī)充電方法和感應(yīng)耦合充電機(jī)充電方法。電動(dòng)轎車充電機(jī)充電體系制造商在規(guī)劃研制及出產(chǎn)電動(dòng)轎車充電機(jī)充電器中，有必要符合這些規(guī)范。
SAE J-1773規(guī)范給出了對(duì)美國境內(nèi)電動(dòng)轎車感應(yīng)充電機(jī)充電耦合器最小實(shí)踐尺度及電氣功用的要求。
充電機(jī)充電耦合器由兩部分組成：耦合器和轎車插座。其組合適當(dāng)于作業(yè)在80～300kHz頻率之間的原副邊別離的變壓器。
關(guān)于感應(yīng)耦合式電動(dòng)轎車充電機(jī)充電，SAEJ-1773引薦選用三種充電機(jī)充電方法，如表1所示。關(guān)于不同的充電機(jī)充電方法，充電機(jī)充電器的規(guī)劃也會(huì)相應(yīng)地不同。其間，最常用的方法是家用充電機(jī)充電方法，充電機(jī)充電器功率為6.6kW，更高功率級(jí)的充電機(jī)充電器一般用于充電機(jī)充電站等場(chǎng)合。
依據(jù)SAE J-1773規(guī)范，感應(yīng)耦合器能夠用圖3所示的等效電路模型來表明。
圖3 感應(yīng)耦合器等效電路模型
變壓器原副邊別離，具有較大的氣隙，歸于松耦合磁件，磁化電感相對(duì)較小，在規(guī)劃改換器時(shí)，有必要充分考慮這一較小磁化電感對(duì)電路規(guī)劃的影響。
在規(guī)劃中仍須考慮功率傳輸電纜。盡管SAE J-1773規(guī)范中沒有列入這一項(xiàng)，但在實(shí)踐規(guī)劃中有必要考慮功率傳輸電纜的體積、分量和等效電路。因?yàn)閭鬏旊娎|的尺度主要與傳輸電流的等級(jí)有關(guān)，因此，減小充電機(jī)充電電流能夠相應(yīng)地減小電纜尺度。為了使電纜功率損耗最小，能夠選用同軸電纜，在作業(yè)頻率段進(jìn)行優(yōu)化。此外，電纜會(huì)引進(jìn)附加阻抗，增大變壓器的等效漏感，在功率級(jí)的規(guī)劃中，有必要考慮其影響。關(guān)于5m長的同軸電纜，典型的電阻和電感值為：Rcable=30mΩ；Lcable=0.5～1μH。
3對(duì)感應(yīng)耦合充電機(jī)充電改換器的要求
依據(jù)SAE J-1773規(guī)范給出的感應(yīng)耦合器等效電路，銜接電纜和電池負(fù)載的特性，能夠得出感應(yīng)耦合充電機(jī)充電改換器應(yīng)當(dāng)滿意以下規(guī)劃規(guī)范。
電流源高頻鏈
感應(yīng)耦合充電機(jī)充電改換器的副邊濾波電路安裝在電動(dòng)轎車上，因此，濾波環(huán)節(jié)選用容性濾波電路將簡(jiǎn)化車載電路，然后減輕整個(gè)電動(dòng)轎車的分量。關(guān)于容性濾波環(huán)節(jié)，改換器應(yīng)當(dāng)為高頻電流源特性。此外，這種電流源型電路對(duì)改換器作業(yè)頻率改變和功率等級(jí)改變的靈敏程度相對(duì)較小，因此，比較簡(jiǎn)單一起考慮三種充電機(jī)充電形式進(jìn)行電路規(guī)劃。并且，副邊選用容性濾波電路，副邊二極管無須選用過壓箝位辦法。
主開關(guān)器材的軟開關(guān)
感應(yīng)耦合充電機(jī)充電改換器的高頻化能夠減小感應(yīng)耦合器及車載濾波元件的體積分量，完成電源體系的小型化。但跟著頻率的不斷增高，選用硬開關(guān)作業(yè)方法的改換器，其開關(guān)損耗將大大增高，下降了改換器功率。因此，為了完成更高頻率、更高功率級(jí)的充電機(jī)充電，有必要保證主開關(guān)器材的軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗。
恒頻或窄頻率改變規(guī)模作業(yè)
感應(yīng)耦合充電機(jī)充電改換器作業(yè)于恒頻或窄頻率改變規(guī)模有利于磁性元件及濾波電容的優(yōu)化規(guī)劃，一起，有必要防止作業(yè)在無線電帶寬，嚴(yán)格控制這個(gè)區(qū)域的電磁干擾。關(guān)于變頻作業(yè)，輕載對(duì)應(yīng)高頻作業(yè)，重載對(duì)應(yīng)低頻作業(yè)，有利于不同負(fù)載情況下的功率共同。
輸入單位功率因數(shù)
感應(yīng)耦合充電機(jī)充電改換器作業(yè)在高頻，會(huì)對(duì)電網(wǎng)形成諧波污染。感應(yīng)充電機(jī)充電技能要得到大眾認(rèn)可，取得廣泛運(yùn)用，有必要采納有用辦法，如功率因數(shù)校對(duì)或無功補(bǔ)償?shù)燃寄?，約束電動(dòng)轎車感應(yīng)耦合充電機(jī)充電改換器進(jìn)入電網(wǎng)的總諧波量。就現(xiàn)在而言，充電機(jī)充電改換器有必要滿意IEEE519？1992規(guī)范或相似的規(guī)范。要滿意這些規(guī)范，加大了感應(yīng)耦合充電機(jī)充電改換器輸入部分及整機(jī)的雜亂程度，增加了本錢。并且，依據(jù)不同充電機(jī)充電等級(jí)要求，感應(yīng)耦合充電機(jī)充電改換器能夠挑選兩級(jí)結(jié)構(gòu)（前級(jí)為PFC＋后級(jí)為充電機(jī)充電器電路）或PFC功用與充電機(jī)充電功用一體化的單級(jí)電路。
4改換器拓?fù)涮暨x
依據(jù)SAE J-1773給出的感應(yīng)耦合器等效電路元件值，及上述的規(guī)劃考慮，這兒對(duì)適用于三種不同充電機(jī)充電形式的改換器拓?fù)溥M(jìn)行了調(diào)查。
如圖2所示，電動(dòng)轎車車載部分包含感應(yīng)耦合器的插孔部分及AC/DC整流及容性濾波電路。首先，對(duì)直接銜接電容濾波的整流電路進(jìn)行調(diào)查。合適選用的整流方法有半波整流，中心抽頭全波整流及全橋整流。其間，半波整流對(duì)變壓器的利用率低；全波整流需求副邊為中心抽頭銜接的兩個(gè)繞組，增加了車載電路的分量和體積；全橋整流對(duì)變壓器利用率高，比較合適用于這種場(chǎng)合。
圖4給出基于以上考慮的感應(yīng)耦合充電機(jī)充電改換器原理框圖。圖中，輸出整流選用全橋整流電路，輸出濾波器選用電容濾波，輸入端選用了PFC電路以約束進(jìn)入電網(wǎng)的總諧波量不會(huì)超支，這兒選用的是獨(dú)自規(guī)劃的PFC級(jí)。低功率時(shí)，PFC也可與主充電機(jī)充電改換器合為帶PFC功用的一體化充電機(jī)充電電路。
圖4 感應(yīng)耦合充電機(jī)充電改換器原理框圖
如前所述，充電機(jī)充電器規(guī)劃中很重要的一個(gè)考慮是感應(yīng)耦合器匝比的合理選取。為使規(guī)劃規(guī)范化，按3種充電機(jī)充電形式規(guī)劃的感應(yīng)耦合充電機(jī)充電改換器都有必要能夠選用相同的電動(dòng)轎車插座。約束充電機(jī)充電器高頻變壓器副邊匝數(shù)的要素包含功率規(guī)模寬，電氣規(guī)劃約束和機(jī)械規(guī)劃約束。典型的耦合器規(guī)劃其副邊匝數(shù)為4匝。關(guān)于低充電機(jī)充電等級(jí)，一般選用1∶1的匝比，關(guān)于高充電機(jī)充電等級(jí)，一般選用2∶1的匝比。
關(guān)于30kW·h以內(nèi)的儲(chǔ)能能力，隨充電機(jī)充電狀況不同，電動(dòng)轎車電池電壓在DC 200～450V規(guī)模內(nèi)改變，改換器拓?fù)鋺?yīng)當(dāng)能夠在這一電池電壓改變規(guī)模內(nèi)供給所需的充電機(jī)充電電流。
5充電機(jī)充電形式
這是電動(dòng)轎車的一種應(yīng)急充電機(jī)充電形式，充電機(jī)充電較慢。按這種形式規(guī)劃的充電機(jī)充電器通常隨電動(dòng)轎車帶著，在沒有規(guī)范充電機(jī)充電器的情況下運(yùn)用，然后有必要體積小，分量輕，并且本錢低。依據(jù)這些要求，可選用單級(jí)高功率因數(shù)改換器，下降整機(jī)體積，分量，下降本錢，取得較高的整機(jī)功率。圖5給出一種備選計(jì)劃：兩個(gè)開關(guān)管的阻隔式 Boost改換器。在不選用輔佐開關(guān)時(shí)，單級(jí)Boost級(jí)電路供給PFC功用并調(diào)理輸出電壓。當(dāng)輸入電壓為AC 120V時(shí)，輸入電壓峰值為170V，因?yàn)樽儔浩鞲边呍褦?shù)為4匝，輸出電壓的調(diào)理規(guī)模為DC 200～400V，因此變壓器能夠選用1∶1的匝比，原邊繞組均選用4匝線圈。典型的電壓電流波形如圖6所示。
圖5 兩個(gè)開關(guān)管的阻隔式Boost改換器
圖6 充電機(jī)充電電壓電流波形圖
當(dāng)原邊開關(guān)管S1及S2均注冊(cè)時(shí)，能量貯存在輸入濾波電感中，一起輸出整流管處于關(guān)斷態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S1及S2中任一個(gè)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，貯存能量經(jīng)過原邊繞組傳輸?shù)礁边?。因?yàn)楦膿Q器的對(duì)稱作業(yè)，變壓器磁通得以復(fù)位平衡。
假定變壓器匝比為1∶1，最大輸入電壓為170V，則輸出電壓為DC 200V時(shí)占空比為0.15，輸出電壓為DC 475V時(shí)占空比為0.5。如圖5所示，主開關(guān)管上的電壓應(yīng)力為2VB。當(dāng)輸出電壓為DC 400V時(shí)，開關(guān)管電壓應(yīng)力是DC 800V，這一電壓應(yīng)力適當(dāng)高。并且，因?yàn)閭鬏旊娎|和感應(yīng)耦合器的漏感，器材電壓應(yīng)力可能會(huì)更高。為了約束器材最大電壓應(yīng)力，能夠選用圖5所示的無損吸收電路。但無論是在哪種情況下，都有必要選用1200V電壓定額的器材。因高耐壓的MOSFET的導(dǎo)通電阻較高，導(dǎo)通損耗就會(huì)很大。因此，要考慮選用低導(dǎo)通壓降的高壓IGBT。但I(xiàn)GBT器材開關(guān)損耗也約束了開關(guān)頻率的進(jìn)步。
關(guān)于1.5kW功率等級(jí)，輸入電流有用值為15A，均勻開關(guān)電流是13A，峰值電流為22A，需求電流定額至少為30A的開關(guān)器材。盡管這個(gè)計(jì)劃供給了比較簡(jiǎn)單的單級(jí)功率改換，但也存在一些缺點(diǎn)，如半導(dǎo)體器材接受的電壓應(yīng)力較高、輸出電壓調(diào)理功用差，輸出電流紋波大。
為了下降器材的開關(guān)損耗，能夠選用圖5所示的軟開關(guān)電路。給MOSFET規(guī)劃的關(guān)斷延時(shí)保證了IGBT的ZVS關(guān)斷。在電流上升形式中，MOSFET分管了輸出濾波電流，其電壓應(yīng)力為IGBT的一半。然后，能夠選用600V的器材。一起，因關(guān)斷損耗的下降，開關(guān)頻率得以進(jìn)步。
另一個(gè)下降器材電壓定額的計(jì)劃是選用兩級(jí)改換結(jié)構(gòu)。前級(jí)PFC校對(duì)環(huán)節(jié)能夠選用帶有軟開關(guān)功用的Boost改換器，答應(yīng)高頻作業(yè)。后級(jí)DC/DC功率改換級(jí)，能夠選用半橋串聯(lián)諧振改換器，供給高頻電流鏈。圖7給出了適用于充電機(jī)充電形式的兩級(jí)功率改換電路結(jié)構(gòu)圖。
圖7 充電機(jī)充電形式選用的兩級(jí)功率改換電路結(jié)構(gòu)圖
若輸入電網(wǎng)電壓是AC 115V，為了下降DC/DC改換器的電流定額，輸出電壓能夠提升到DC 450V。這樣Boost級(jí)功率開關(guān)管能夠選用500～600V的MOSFET，半橋改換器的開關(guān)器材能夠選用300～400V的MOSFET。因?yàn)檫x用半橋作業(yè)，感應(yīng)耦合器能夠選用1∶2的匝比。若原邊繞組為4匝，則副邊繞組為8匝。Boost開關(guān)管的電流定額是30A，而半橋改換器開關(guān)管的電流定額是 20A。
小結(jié)
本文依據(jù)SAEJ-1773對(duì)感應(yīng)耦合器的規(guī)定，對(duì)電動(dòng)轎車供電電池的充電機(jī)進(jìn)行了評(píng)論。給出了充電機(jī)充電形式的電路拓?fù)浞治鰣D，最終給出了別離合適于不同充電機(jī)充電等級(jí)的備選改換器拓?fù)溆?jì)劃。
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