電動(dòng)汽車車載大功率快速充電機(jī)研究

潘光亮　毛德平

摘要：隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對于電動(dòng)汽車充電技術(shù)的要求不斷提高，其中快速充電模式已經(jīng)成為電動(dòng)汽車充電技術(shù)研究和發(fā)展的主要模式。文章從車載大功率快速充電機(jī)技術(shù)的發(fā)展與影響，分析了大功率快速充電模式對電網(wǎng)諧波的影響以及目前的解決方案，提出了電動(dòng)汽車車載大功率快速充電機(jī)的技術(shù)解決方案。

關(guān)鍵詞：快速充電機(jī)；電網(wǎng)建設(shè)；電動(dòng)汽車；充電方式；大功率 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U464 文章編號：1009-2374（2016）22-0007-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.22.004

充電機(jī)作為電動(dòng)汽車的充電設(shè)備，在電動(dòng)汽車應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用，是電動(dòng)汽車不可缺少的子系統(tǒng)之一。與傳統(tǒng)汽車加油方式不同，電動(dòng)汽車的能量補(bǔ)給方式是將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)化為電動(dòng)汽車車載蓄電池的電能，電能補(bǔ)給方式的高效、安全和便捷對于電動(dòng)汽車的推廣至關(guān)重要，因此發(fā)展車載大功率快速充電機(jī)是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大的基礎(chǔ)，具有十分重要的意義。

1 快速充電技術(shù)的原理

對充電機(jī)實(shí)際充電性能的研究應(yīng)該是根據(jù)車載鋰電池的充放電曲線，應(yīng)用合適的充電方法，從而有效控制充電電壓、電流及時(shí)間等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池安全、快速、可靠地充電。大功率智能化快速充電機(jī)由三相三開關(guān)三電平PFC、全橋逆變器、LC濾波器、PWM圖騰驅(qū)動(dòng)與反饋環(huán)節(jié)、充電控制系統(tǒng)及相關(guān)的通訊接口組成。輸入三相交流電經(jīng)過三相三開關(guān)三電平PFC作為全橋逆變器的輸入，控制系統(tǒng)采集到相關(guān)的反饋信號，經(jīng)過處理后，并以此為依據(jù)輸出PWM信號，此信號經(jīng)過PWM圖騰驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)移相全橋逆變的MOS管。全橋逆變器的輸出經(jīng)過整流和LC濾波獲得直流電壓，配合防反接電路給電池充電，其技術(shù)原理圖如圖1所示：

2 快速充電技術(shù)策略研究

影響充電系統(tǒng)的實(shí)際充電性能的主要因素是如何有效控制充電電壓、電流及時(shí)間等參數(shù)，安全、可靠、快速地完成對電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充電。不同種類的蓄電池具有不同的充放電曲線，其相應(yīng)的充電方法也有很大的不同。傳統(tǒng)的蓄電池充電方法可分為三種，即恒流恒壓充電、多級恒流充電和脈沖充電，一些新型的快速充電策略也是建立在這三種傳統(tǒng)充電方法的基礎(chǔ)之上，通過改進(jìn)、演化并加入新的理論、思想得到的。

針對鋰電池的充放電曲線及不同充電方法存在的優(yōu)缺點(diǎn)，我們對車用鋰電池實(shí)現(xiàn)快速充電提出了新的技術(shù)策略，主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：（1）通過多級恒流充電與脈沖充電相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)快速充電。所謂多級恒流充電與脈沖充電相結(jié)合的方式，就是在充電的初期以較大的電流進(jìn)行充電，隨著蓄電池端電壓的升高逐漸降低充電電流，當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)到一定電壓閥值時(shí)采用脈沖充電的方式進(jìn)行充電。這樣既可以實(shí)現(xiàn)對電池的快速充電，也可以通過脈沖充電的方式提高電池的使用壽命。（2）采取數(shù)字控制的方式，集成多種型號電池的充電曲線，適應(yīng)不同電池的需求。針對不同的電池型號，采用數(shù)字控制的方式，預(yù)先可以設(shè)定多種充電曲線。用戶可以根據(jù)自己的需要來設(shè)定充電曲線，既可以使用默認(rèn)的充電曲線，也可以根據(jù)需要設(shè)置快速充電模式，并可以通過數(shù)據(jù)融合算法對充電曲線以及單體電池的電壓進(jìn)行檢測和管理，以期更好、更準(zhǔn)確地反映電池的即時(shí)狀態(tài)。

3 充電機(jī)實(shí)現(xiàn)大功率轉(zhuǎn)化策略研究

高效率是對電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，它對整個(gè)電動(dòng)汽車的使用成本有巨大的影響。如果采用傳統(tǒng)的硬開關(guān)變換電路來實(shí)現(xiàn)功率變換，充電機(jī)的效率比較低，既不利于節(jié)能環(huán)保，也增加電動(dòng)汽車的充電及運(yùn)行成本。充電機(jī)的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換電路，為了實(shí)現(xiàn)充電機(jī)的大功率轉(zhuǎn)換，在同等的參數(shù)條件下，需要提高整機(jī)的效率、提高整機(jī)的功率因數(shù)及主開關(guān)頻率等參數(shù)，其中PFC技術(shù)、移相全橋逆變技術(shù)及數(shù)字電源的研究是項(xiàng)目開發(fā)的關(guān)鍵。

3.1 PFC電路技術(shù)

PFC的英文全稱為“Power Factor Correction”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)校正一方面可以提高有功功率；另一方面可以抑制諧波的產(chǎn)生。因?yàn)槌潆姍C(jī)在工作時(shí)，由于電網(wǎng)側(cè)功率因素一般都比較低，會(huì)產(chǎn)生較大的諧波干擾，對電網(wǎng)造成較大的危害，為了減小這一危害，需要提升電網(wǎng)側(cè)功率因素。功率因素校正電路通常分為有源PFC電路和無源PFC電路兩種。

無源PFC電路：主要利用大電感來濾除諧波，功率因素提高不是很明顯，且體積較大，適用于單相電流

輸入。

有源PFC電路：主要利用電流、電壓反饋技術(shù)，使輸入端電流波形跟隨輸入的正弦電壓波形，達(dá)到輸入電流與輸入電壓同相且不失真的效果，從而提高功率因素，適用于三相電流輸入，主要包括三開關(guān)三電平有源PFC電路和六開關(guān)全橋有源PFC電路。

對比六開關(guān)全橋有源PFC電路，三開關(guān)三電平有源PFC的開關(guān)應(yīng)力小、開關(guān)損耗低，具有更高的功率密度，同時(shí)不存在MOS管直通的問題，EMI效果也更好。通過軟件仿真試驗(yàn)也表明，三開關(guān)三電平有源PFC電路方案具有良好的功率因素校正效果，輸入電流紋波也較小，適用于大功率快速充電機(jī)的要求。

3.2 移相全橋逆變技術(shù)

對于較大功率等級的電源來說，一般采取全橋逆變的方式來實(shí)現(xiàn)。依據(jù)其軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方式的不同，主要分為LLC全橋逆變及移相全橋逆變等類型。

LLC全橋逆變：利用變壓器中的漏感及諧振電容等器件構(gòu)成諧振回路，利用變壓器的漏感、諧振電感和諧振電容的儲(chǔ)能對功率MOS管結(jié)電容的充放電來實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS軟開關(guān)。

移相全橋逆變：諧振變換技術(shù)與常規(guī)PWM變換技術(shù)的結(jié)合，移相全橋逆變技術(shù)利用功率MOS管的結(jié)電容和變壓器的漏感作為諧振元件，大多數(shù)情況需要外接諧振電感，與上述兩個(gè)參數(shù)一起參與諧振過程。利用變壓器的漏感和諧振電感的儲(chǔ)能對功率MOS管結(jié)電容的充放電來實(shí)現(xiàn)全橋臂上4個(gè)MOS管的零電壓關(guān)斷，零電流開通，實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS軟開關(guān)技術(shù)。

對于大功率充電機(jī)來說，功率實(shí)現(xiàn)是第一要素。采用數(shù)字電源技術(shù)和移相全橋的方式，可以獲得較大的開關(guān)頻率和較高的效率，客觀上提高系統(tǒng)的整體功率密度，也較為容易實(shí)現(xiàn)較大的功率輸出。相比較而言，LLC全橋是一種變頻調(diào)制的方式，對電感、變壓器漏感等參數(shù)的要求較高，而這些參數(shù)在生產(chǎn)過程中難以做到十分準(zhǔn)確，其誤差相對較大，對產(chǎn)品的一致性的要求非常高。

應(yīng)用軟開關(guān)諧振技術(shù)，可以使充電機(jī)的效率得到大幅度提升，如果參數(shù)配合得當(dāng)，其整機(jī)甚至能達(dá)到95%以上。隨著功率變換技術(shù)的發(fā)展，移相全橋逆變、LLC全橋逆變等技術(shù)在大功率能量轉(zhuǎn)換中得到廣泛的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)充電機(jī)的大功率轉(zhuǎn)換，在同等的參數(shù)條件下，需要提高整機(jī)的效率、功率因數(shù)、主開關(guān)頻率等參數(shù)。這對降低充電機(jī)的重量和體積、減小電網(wǎng)的諧波污染以及提高充電機(jī)的整機(jī)效率等具有現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值。

4 快速充電的發(fā)展展望

4.1 快速充電方法的發(fā)展趨勢

快速脈沖充電的理論基礎(chǔ)來自于馬斯三定律，關(guān)于電池放電對電池可接受充電電流的影響，但定律并未給出具體的量值關(guān)系。正脈沖的周期與幅值，負(fù)脈沖的周期與幅值的確定與優(yōu)化方案將會(huì)是脈沖充電今后的主要研究方向。恒流恒壓充電方法的發(fā)展將會(huì)主要針對充電參數(shù)的關(guān)系，參數(shù)的確定算法以及變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方向。綜合快速充電的發(fā)展將會(huì)針對充電過程中的電路設(shè)計(jì)、控制算法和充電參數(shù)等的優(yōu)化，綜合不同的充電方法實(shí)現(xiàn)快速安全充電。

4.2 快速充電與電網(wǎng)的發(fā)展趨勢

目前的研究已經(jīng)表明電動(dòng)汽車的快速充電會(huì)對電網(wǎng)的負(fù)荷帶來嚴(yán)重的沖擊，此沖擊的產(chǎn)生主要是由于充電機(jī)中的電力電子器件的頻繁開關(guān)給電網(wǎng)帶來的諧波污染。隨著電動(dòng)汽車的普及，接入電網(wǎng)的快速充電設(shè)備會(huì)越來越多，應(yīng)用這些設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)去具體分析快速充電設(shè)備對電網(wǎng)的具體影響?？陀^全面地評價(jià)影響程度的具體方法也將是研究的主要方向之一。隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)也將會(huì)是電動(dòng)汽車大面積普及的關(guān)鍵研究方向。

5 結(jié)語

本文介紹了快速充電模式的恒流恒壓充電、多級恒流充電以及脈沖充電，分析了快速充電模式對電網(wǎng)的影響以及目前的技術(shù)策略，對電動(dòng)汽車的快速大功率充電以及發(fā)展趨勢做了總結(jié)?？焖俪潆姺椒ǖ陌l(fā)展將趨于更加快速、高效、安全，快速充電與電網(wǎng)之間的關(guān)系趨于逐步完善，并最終實(shí)現(xiàn)車載大功率快速充電。

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作者簡介：潘光亮（1984-），男，安徽樅陽人，供職于合肥協(xié)力儀表控制技術(shù)股份有限公司，研究方向：電氣自動(dòng)化和PLC可編程控制系統(tǒng)；毛德平（1980-），男，供職于合肥協(xié)力儀表控制技術(shù)股份有限公司，碩士，研究方向：電力電子技術(shù)及現(xiàn)代電力傳動(dòng)控制。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）