電動(dòng)車LLC諧振充電電源系統(tǒng)*

吳開(kāi)源 王佳佳 尹彤 章濤

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

電動(dòng)車LLC諧振充電電源系統(tǒng)*

吳開(kāi)源 王佳佳 尹彤 章濤

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

研制了一種電動(dòng)車LLC諧振充電電源系統(tǒng).該系統(tǒng)以STM32為控制核心，采用數(shù)字化脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制，選取滿足電動(dòng)車鉛酸蓄電池充電電源要求的LLC諧振主電路拓?fù)浜?階段+正負(fù)脈沖充電方案.試驗(yàn)結(jié)果表明：該電源系統(tǒng)能夠全程實(shí)現(xiàn)LLC諧振主電路的軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，LLC諧振主電路始終工作于原邊MOSFET功率開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通和副邊整流二極管零電流關(guān)斷軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，提高了電源轉(zhuǎn)換效率；結(jié)合電池充電曲線并使用4階段+正負(fù)脈沖充電方式，可以減少過(guò)充電及析氣極化現(xiàn)象，保護(hù)電池，提高充電速度.

電動(dòng)車；充電電源；鉛酸蓄電池；正負(fù)脈沖充電；LLC諧振；STM32芯片

隨著低碳環(huán)保生活方式席卷全球，電動(dòng)車已大規(guī)模普及到人們的日常生活.電動(dòng)車充電電源是電動(dòng)車的基礎(chǔ)，也是目前電動(dòng)車發(fā)展的制約因素之一.由于鉛酸蓄電池性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，輸出特性好，市面上大部分的電動(dòng)車動(dòng)力電池采用鉛酸蓄電池.目前常規(guī)的電動(dòng)車鉛酸蓄電池充電方式包括：恒壓充電、恒流充電、階段充電和脈沖充電等.恒壓和恒流充電方式較為陳舊，不符合電池充電曲線，使整個(gè)充電過(guò)程存在著嚴(yán)重的過(guò)充電和析氣等現(xiàn)象，造成充電效率過(guò)低，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易損壞電池；階段充電方式能實(shí)時(shí)調(diào)整充電曲線，達(dá)到電池最佳充電效果；脈沖充電方式能提高鉛酸蓄電池接受大電流充電電荷的能力，避免蓄電池過(guò)熱引起的變形和析氣等現(xiàn)象，有效保證蓄電池達(dá)到最佳的充電效果[1-2].

傳統(tǒng)電動(dòng)車充電電源大多使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制，其開(kāi)關(guān)器件工作于硬開(kāi)關(guān)或移相全橋軟開(kāi)關(guān)狀態(tài).硬開(kāi)關(guān)造成開(kāi)關(guān)損耗，帶來(lái)電磁污染[3]；移相全橋軟開(kāi)關(guān)電路存在輕載時(shí)滯后橋臂難以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的問(wèn)題，滯后橋臂大部分時(shí)間還是工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)[4-5]，同時(shí)還存在副邊整流二極管反向恢復(fù)和占空比丟失等問(wèn)題[6-8].這些都制約了充電效率的提高，給電網(wǎng)安全及電池壽命帶來(lái)了挑戰(zhàn)[9].

LLC諧振變換器可在全負(fù)載范圍下實(shí)現(xiàn)原邊MOSFET功率開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通和副邊整流二極管零電流關(guān)斷的軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電流工作在正弦狀態(tài)，對(duì)外輻射較小，無(wú)需外接任何緩沖吸收電路，易于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，效率相對(duì)移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器更高[10-14].

針對(duì)目前電動(dòng)車充電存在的上述問(wèn)題，文中提出以STM32為控制核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制，采用LLC諧振主電路提高電源效率，同時(shí)結(jié)合電池的充電曲線采用4階段+正負(fù)脈沖充電方式，減少過(guò)充電及析氣極化現(xiàn)象，保護(hù)電池，提高充電速度.

1 充電電源結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

1.1 充電電源系統(tǒng)組成

電動(dòng)車LLC諧振充電電源系統(tǒng)包括主電路和控制系統(tǒng)，如圖1所示.主電路由輸入整流濾波電路、全橋LLC諧振逆變電路、高頻變壓器、次級(jí)整流濾波電路和正負(fù)脈沖生成電路組成；控制系統(tǒng)以STM32F103RBT6為核心，包括電流采樣電路、電壓采樣電路、電池狀態(tài)判斷電路、網(wǎng)壓檢測(cè)電路、故障保護(hù)電路、人機(jī)界面、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路和IGBT驅(qū)動(dòng)電路.

圖1 充電電源系統(tǒng)框圖

1.2 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

全橋LLC諧振變換器主電路拓?fù)淙鐖D2所示.主電路的工作原理為：電壓Vin經(jīng)過(guò)電容C1濾波提供給由MOSFET功率開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成的諧振電路，其中Lr為諧振電感，Lm為勵(lì)磁電感，Cr為諧振電容，與負(fù)載一起組成諧振腔；MOSFET功率開(kāi)關(guān)管V1～V4在MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的PFM變頻信號(hào)控制下導(dǎo)通和關(guān)斷；提供給負(fù)載的電壓經(jīng)高頻變壓器轉(zhuǎn)變后，在變壓器副邊輸出頻率變化的交流電，之后經(jīng)整流二極管D1和D2整流為直流電，然后經(jīng)電容C2濾波得到Vo.LLC諧振主電路可以利用諧振電感、勵(lì)磁電感、諧振電容和負(fù)載諧振，實(shí)現(xiàn)原邊MOSFET功率開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通和副邊整流二極管零電流關(guān)斷，減小功率開(kāi)關(guān)管的損耗.

圖2 全橋LLC諧振變換器主電路原理圖

Fig.2 Schematic diagram of main circuit of full-bridge LLC resonant converter

全橋LLC諧振主電路存在兩個(gè)諧振頻率，當(dāng)變壓器勵(lì)磁電感不參與諧振時(shí)，諧振頻率由Lr和Cr決定，即

(1)

當(dāng)變壓器勵(lì)磁電感參與諧振時(shí)，諧振頻率由Lr、Lm和Cr決定，即

(2)

根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率fs的不同，LLC諧振變換電器存在3種工作模式[15].工作模式1為fmfr，此時(shí)副邊整流二極管電流為連續(xù)，存在反向恢復(fù)損耗.

采用基波分析的方法[16]，可得到全橋LLC諧振變換器的直流電壓增益為

圖3 全橋LLC諧振變換器兩種工作模式的主要波形

Fig.3 Key waveforms of LLC resonant converter in two working modes

(3)

圖4 LLC電路增益與頻率曲線圖

1.3 正負(fù)脈沖生成電路

正負(fù)脈沖生成電路如圖5所示.V1和V2為IGBT開(kāi)關(guān)管，R1-R4為耗能電阻.通過(guò)IGBT開(kāi)關(guān)和耗能電阻，將全橋LLC諧振變換器輸出的直流電轉(zhuǎn)換為正負(fù)脈沖給電池充電.正脈沖產(chǎn)生階段，STM32控制開(kāi)通V1和關(guān)斷V2，實(shí)現(xiàn)正脈沖大電流對(duì)電池的充電；負(fù)脈沖產(chǎn)生階段，STM32控制電池通過(guò)V2向R1-R4放電并將電能消耗，瞬時(shí)釋放大幅度放電電流，即形成負(fù)脈沖放電電流.正脈沖和負(fù)脈沖之間有死區(qū)階段，即V1和V2都關(guān)斷，此死區(qū)時(shí)間給了蓄電池“歇息”的時(shí)間，電池內(nèi)部能發(fā)生中和反應(yīng)，有利于蓄電池接受較大的充電電流，加快充電速度.

圖5 正負(fù)脈沖生成電路

2 電源充電方案

2.1 鉛酸蓄電池充電特性

電動(dòng)車充電電源主要針對(duì)鉛酸蓄電池.對(duì)鉛酸蓄電池充電需要滿足鉛酸蓄電池充電曲線.馬斯定律的提出，令電池快速充電技術(shù)理論化.馬斯定律指出，電池可接受電流能力隨著充電過(guò)程的進(jìn)行而逐漸下降[19].單一的充電方式不能充分利用電池充電特性，甚至可能損傷電池.

鉛酸蓄電池長(zhǎng)期處于放電或半放電狀態(tài)時(shí)，極板上析出白色的PbSO4結(jié)晶會(huì)阻礙電解液的化學(xué)反應(yīng)，因此在給鉛酸蓄電池大電流充電之前，一般需要用小電流充電，把極板上的PbSO4結(jié)晶去除，達(dá)到激活電池的效果.鉛酸蓄電池大電流充電充滿80%后，電池接收電流的能力減弱，需要恒壓減流，對(duì)電池進(jìn)行涓流浮充到充滿為止.文中針對(duì)鉛酸蓄電池的充電特性，將階段充電法和脈沖充電法相結(jié)合，組成4階段+正負(fù)脈沖充電方式，實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池的快速充電.

2.2 4階段+正負(fù)脈沖快速充電

按照正常的充電程序，4階段+正負(fù)脈沖快速充電方式分為4個(gè)階段：小電流激活→正負(fù)脈沖→恒壓減流→涓流浮充，每個(gè)階段的電壓和電流的狀態(tài)都不一樣，直到充滿為止.充電過(guò)程一直穿插判斷電池是否充滿、電池是否正確連接和故障保護(hù)判斷.其充電時(shí)序圖如圖6所示.

圖6 4階段+正負(fù)脈沖充電時(shí)序圖

Fig.6 Sequence diagram of four stages+positive and negative pulse charging

圖6中，I表示充電電流，V表示電池電壓.其中Imax為正脈沖最大充電電流，Imin為小電流激活電流和涓流浮充最大電流；Vcv為電池充滿時(shí)的電壓，Vo為電池未充電時(shí)的初始電壓.

4階段充電方式能根據(jù)馬斯定律實(shí)時(shí)調(diào)整充電曲線，達(dá)到電池最佳充電效果.4階段分別為：

第1階段(0-t0):小電流激活.為避免長(zhǎng)期不用的電池或新電池一開(kāi)始就采用大電流充電影響電池的壽命，需要先對(duì)蓄電池實(shí)行小電流激活，再轉(zhuǎn)入正負(fù)脈沖充電階段.

第2階段(t0-t1):正負(fù)脈沖.為達(dá)到快速充電的目的，加入脈沖充電，先進(jìn)行正脈沖大電流充電，電池的容量增加，電壓上升，極化效果明顯；接著再放電，使電池反向通過(guò)一個(gè)較大的脈沖電流，消除極板孔隙中形成的氣體，幫助濃差極化進(jìn)一步消失，有助于提高電池接收電流的能力和延長(zhǎng)蓄電池使用壽命.在脈沖充電后期，電壓上升較快，則適時(shí)地轉(zhuǎn)入恒壓減流階段.

第3階段(t1-t2):恒壓減流.正負(fù)脈沖充電終止后，電池并沒(méi)充足電，為了保證電池充入100%的電量，對(duì)電池還要進(jìn)行補(bǔ)足充電.此階段充電采用恒壓減流，可使電池容量快速恢復(fù).此時(shí)充電電流逐漸減小，當(dāng)電流下降至某一閾值時(shí)，轉(zhuǎn)入涓流浮充階段.

第4階段(t2-t3):涓流浮充.此階段主要用來(lái)補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，只要在電池接在充電器上并且充電器接通電源，充電器就會(huì)給電池不斷補(bǔ)充電荷，可使電池總處于充足電狀態(tài)，也標(biāo)志著充電過(guò)程已結(jié)束.

4階段+正負(fù)脈沖充電程序流程圖如圖7所示.

圖7 4階段+正負(fù)脈沖充電流程圖

Fig.7 Flow chart of four stages+positive and negative pulse charging

程序的工作原理為：系統(tǒng)初始化并判斷電池正確連接后，進(jìn)入小電流激活充電階段，當(dāng)該階段時(shí)間到時(shí)，進(jìn)入正負(fù)脈沖充電階段；當(dāng)該階段電池充電電壓達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)入恒壓減流階段；當(dāng)該階段電池充電電流小于設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)入涓流浮充階段；當(dāng)該階段電池充電電流小于設(shè)定閾值時(shí)，可認(rèn)為電池充電完畢.充電全過(guò)程支持不同充電階段在線電池拔出關(guān)機(jī)、故障保護(hù)時(shí)序的判斷、插入電池重新開(kāi)機(jī)和充滿關(guān)機(jī)的邏輯過(guò)程.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證LLC諧振充電電源4階段+正負(fù)脈沖快速充電方式的有效性，研制了一臺(tái)LLC諧振充電電源系統(tǒng)樣機(jī)，并對(duì)兩節(jié)串聯(lián)的鉛酸蓄電池24V/(170Ah)容量電池組進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn).樣機(jī)選取的元件有：STM32F103RBT6控制芯片，EE65/32/27(PC40)高頻變壓器磁芯，IXFH60N50P3 MOSFET開(kāi)關(guān)管，IXYS DPG60C200HB整流二極管.樣機(jī)主要參數(shù)如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)

3.1 電源軟開(kāi)關(guān)驗(yàn)證和效率測(cè)試

采用電阻負(fù)載模擬電池負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn).LLC諧振充電電源接電阻負(fù)載，其電阻Ro=0.42Ω.

MOSFET功率開(kāi)關(guān)管V4的GS驅(qū)動(dòng)電壓Vgs4、DS電壓Vds4實(shí)測(cè)波形和諧振電感在fs=fr頻段附近工作的諧振電流波形如圖8所示.從圖8可以看出：MOSFET管關(guān)斷時(shí)有震鈴，當(dāng)MOSFET管兩端電壓(Vds4)下降到0V后，才給MOSFET管驅(qū)動(dòng)電壓(Vgs4)，此時(shí)MOSFET管導(dǎo)通，因此原邊MOSFET功率開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通；當(dāng)電源工作在fs=fr頻段時(shí)，整個(gè)過(guò)程都是諧振電感、諧振電容和負(fù)載諧振三者發(fā)生串聯(lián)諧振，勵(lì)磁電感始終沒(méi)有參與諧振，諧振電流剛好是正弦波，對(duì)外界和充電電源控制系統(tǒng)的電磁輻射干擾較小，有助于EMC和主電路的電磁抗干擾設(shè)計(jì).

圖8 V4的DS電壓、GS驅(qū)動(dòng)電壓波形和諧振電感在fs=fr頻段附近工作的諧振電流波形

Fig.8Vds,Vgswaveforms of V4and resonant current waveform of resonance resonant inductor working nearfs=fr

副邊整流二極管電壓Vd和次級(jí)電流Id實(shí)測(cè)波形如圖9所示.從圖9可以看出當(dāng)副邊整流二極管電壓Vd下降到0時(shí)，此時(shí)次級(jí)電流剛好為0 A，副邊整流二極管實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，二極管無(wú)反向恢復(fù)，次級(jí)電流正好臨界連續(xù).

圖9 副邊整流二極管電壓和電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms of secondary rectifier diode

由于電源的輸出電流為70 A，所以分別采用電阻負(fù)載測(cè)試電流為55、60、65、70和75 A時(shí)工作在諧振點(diǎn)附近的電源效率.實(shí)際測(cè)量的效率如表2所示，效率曲線如圖10所示.由效率曲線圖可知，LLC諧振主電路工作在諧振點(diǎn)時(shí)效率最高，可達(dá)94.8%，高于傳統(tǒng)移相全橋軟開(kāi)關(guān)電路.

表2 實(shí)際測(cè)量的效率

圖10 實(shí)測(cè)的效率曲線

3.2 充電電源恒壓和恒流外特性測(cè)試

對(duì)充電電源進(jìn)行恒壓和恒流外特性測(cè)試，由于充電電源電壓主要工作在29.5 V附近，電流工作在70 A范圍內(nèi)，因此分別測(cè)試給定電壓為27.5、29.5和31.5 V的條件下實(shí)際測(cè)量得到的恒壓外特性曲線，如圖11所示；給定電流為10、30、50和70 A的條件下實(shí)際測(cè)量恒流外特性曲線，如圖12所示.由圖11和12可知，充電電源在不同的輸出電壓和電流條件下均具有良好的恒壓和恒流特性，能夠滿足鉛酸蓄電池的充電要求.

圖11 實(shí)測(cè)的恒壓外特性曲線

3.3 充電電源充電試驗(yàn)研究

針對(duì)兩節(jié)串聯(lián)的鉛酸蓄電池24 V/(170 Ah)容量電池組進(jìn)行充電試驗(yàn).鉛酸蓄電池恒壓充電的電壓一般為電池電壓的1.23倍左右，所以恒壓充電的電壓為29.5 V左右；正負(fù)脈沖充電正脈沖充電電流為0.35～0.45 C，正脈沖充電電流范圍為59.5～76.5 A，設(shè)計(jì)充電電流為0.41 C，則額定充電電流為70 A.得到的4階段+正負(fù)脈沖充電波形如圖13所示.

圖12 實(shí)測(cè)的恒流外特性曲線

圖13 4階段+正負(fù)脈沖充電波形

Fig.13 Current waveforms of four stages+positive and negative pulse charging

小電流激活為5 min恒流5 A電流充電，如圖13(a)所示；在馬斯第二和第三定律[19]的放電脈沖大小的理論指導(dǎo)基礎(chǔ)上，用實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)對(duì)不同脈沖參數(shù)進(jìn)行循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)，獲得了較優(yōu)的脈沖充電參數(shù)：正負(fù)脈沖的正脈沖70 A，充電時(shí)間800 ms，接著死區(qū)時(shí)間50 ms，負(fù)脈沖60 A放電時(shí)間50 ms和死區(qū)時(shí)間50 ms，正負(fù)脈沖充電直到檢測(cè)到電池電壓為28.8 V為止，如圖13(b)所示；正負(fù)脈沖大電流充電之后，電池一般只充了80%左右，改用30 V低電壓恒壓減流對(duì)電池充電，直到充電電流小于5 A為止，如圖13(c)所示；涓流浮充過(guò)程限壓為30 V，即最大充電電壓不超過(guò)30 V充電，用5 A恒流充電直到充電電流小于2 A，控制系統(tǒng)認(rèn)為電池充滿充電結(jié)束，如圖13(d)所示.

對(duì)4階段+正負(fù)脈沖和恒流充電的電池電壓進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，電池電壓大小表示電池的充滿情況.兩節(jié)串聯(lián)的鉛酸蓄電池24 V/(170 Ah)容量電池組放電到23 V左右后，分別用4階段+正負(fù)脈沖與恒流給電池組充電.由于4階段+正負(fù)脈沖充電方式更符合馬斯定律充電曲線，消除電池極化作用理想，有助于提高電池接收電流的能力，充電電流可達(dá)0.35～0.45 C，而一般的純直流即恒壓或恒流充電電流僅為0.10～0.25 C.在此試驗(yàn)中，4階段+正負(fù)脈沖充電電流為0.41 C，恒流充電電流為0.2 C，充電過(guò)程的電池電壓變化如表3所示.得到電池電壓與時(shí)間的關(guān)系對(duì)比圖如圖14所示.由圖14可知4階段+正負(fù)脈沖充滿電池的時(shí)間約為3.5 h，而恒流充電需要大約5.5 h，表明4階段+正負(fù)脈沖充電速度比恒流充電速度快，能提高鉛酸蓄電池接受大電流充電電荷的能力.

表3 電池電壓的變化

圖14 電池電壓的變化對(duì)比圖

4 結(jié)論

文中針對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)車鉛酸蓄電池充電方式效率低、充電速度慢、單一充電方式不符合電池充電曲線等問(wèn)題，研制了一種以STM32為控制核心的電動(dòng)車LLC諧振充電電源系統(tǒng)，采用4階段+正負(fù)脈沖充電時(shí)序進(jìn)行充電試驗(yàn)，得到主要結(jié)論如下：

1)所研制的電動(dòng)車LLC諧振充電電源系統(tǒng)具有良好的恒壓和恒流外特性，能實(shí)現(xiàn)原邊MOSFET功率開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通和副邊整流二極管零電流關(guān)斷，效率可達(dá)94.8%，高于傳統(tǒng)移相全橋軟開(kāi)關(guān)電源效率.

2)鉛酸蓄電池充電試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的電動(dòng)車LLC諧振充電電源系統(tǒng)能順利地進(jìn)行4階段+正負(fù)脈沖充電，符合電池充電曲線，可以減少過(guò)充電及析氣極化現(xiàn)象.

3)4階段+正負(fù)脈沖和恒流充電的電池電壓對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，4階段+正負(fù)脈沖充電速度比恒流充電速度快.

[1] YILMAZ M,KREIN P T.Review of battery charger topologies,charging power levels,and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(5):2151-2169.

[2] BECHERIF M,PERA M C,HISSEL D,et al.Estimation of the lead-acid battery initial state of charge with experimental validation [C]∥Proceedings of Vehicle Power and Propulsion Conference.Seoul:IEEE,2012:469-473.

[3] MANIKTALA S.精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) [M].王志強(qiáng),譯.北京:人民郵電出版社,2008.

[4] RUAN X B,YAN Y G.Soft-swiching techniques for PWM full-bridge converters [C]∥Proceedings of Power Electronics Specialists Conference.Galway:IEEE,2000:634-639.

[5] 杜貴平,陳爽,何正東,等.基于DSP+CPLD 的大功率高效電動(dòng)汽車充電電源 [J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,42(6):12-16. DU Gui-ping，CHEN Shuang，HE Zheng-dong,et al.DSP+CPLD-based high-power efficient charging power supply for electric vehicles [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2014,42(6):12-16.

[6] CHO J G,SABATE J A,HUA G,et al.Zero-voltage and zero-current-switching full bridge PWM converter for high-power applications [J].IEEE Transactions on Power Electronics,1996,11(4):622-628.

[7] 張欣，陳武，阮新波.一種輔助電流可控的移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010,25(3):81-88. ZHANG Xin,CHEN Wu,RUAN Xin-bo.A novel ZVS PWM phase-shifted full-bridge converter with controlled auxiliary circuit [J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(3):81-88.

[8] PAHLEVANINEZHAD M,PAN S Z,JAIN P.A ZVS phase-shift full-bridge DC/DC converter with optimized reactive current used for electric vehicles [C]∥Proceedings of Industrial Electronics Society Annual Conference.Vienna:IEEE,2013:4546-4551.

[9] 王震波.電動(dòng)車輛動(dòng)力電池系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[10] 趙晨,石洋,吳新科,等.三元件串聯(lián)LLC諧振變流器的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2008,23(1)：65-71. ZHAO Chen,SHI Yang,WU Xin-ke,et al.Optimal design strategy for three components series LLC resonant converter [J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(1)：65-71.

[11] 胡海兵,王萬(wàn)寶,孫文進(jìn),等.LLC諧振變換器效率優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(18):48-56. HU Hai-bing,WANG Wan-bao,SUN Wen-jin,et al.Optimal efficiency design of LLC resonant converters [J].Proceedings of the CSEE,2013,33(18):48-56.

[12] 吳開(kāi)源,蘭艷林,李華佳,等.一種基于DSP的大功率LLC諧振全橋變換器:201210311710.7 [P].2013-01-02.

[13] BUCCELLA C,CECATI C,LATAFAT H,et al.Obser-ver-based control of LLC DC/DC resonant converter using extended describing functions [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(10):5881-5891.

[14] FANG Z J,CAI T,DUAN S X,et al.Optimal design methodology for LLC resonant converter in battery charging applications based on time-weighted average Efficiency [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(10):5469-5483.

[15] YANG B.Topology investigation for front end DC/DC power conversion for distributed power system [D].Blacksburg:Virginia Polytechnic Institute and State University,2003.

[16] STEIGERWALD R L.A comparison of half-bridge resonant converter topologies [J].IEEE Transactions on Power Electronics,1988,3(2):174-182.

[17] 李菊,阮新波.全橋LLC 諧振變換器的混合式控制策略 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(4):72-79,94. LI Ju,RUAN Xin-bo.Hybrid control strategy of full bridge LLC converters [J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(4):72-79,94.

[18] 蘇少侃,阮新波,葉志紅.自激式LLC諧振變換器 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(12):85-92. SU Shao-kan,RUAN Xin-bo,YE Zhi-hong.A self-oscillating LLC resonant converter [J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(12):85-92.

[19] 錢健.快速充電——馬斯三定律 [J].蓄電池,1979,18(2):18-24. QIAN Jian.Fast charging—Maas three lows [J].Battery,1979,18(2):18-24.

Power Supply System for LLC Resonant Charging of Electric Vehicles

WUKai-yuanWANGJia-jiaYINTongZHANGTao

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Proposed in this paper is a STM32-based LLC resonant charging power supply system for electric vehicles, which employs digital PFM (Pulse Frequency Modulation) for the system control and adopts an LLC resonant topology as well as a four stages+positive and negative pulse charging scheme that meets the charging requirements of lead-acid battery. Test results demonstrate that (1) the proposed power supply system helps to implement the whole-course soft switching state of the main circuit of LLC resonant converters; (2) the main circuit of LLC resonant converters always operates in the primary-side MOSFET ZVS and the secondary-side rectifier diode ZCS soft-switching state, which improves the power conversion efficiency; and (3) the combination of battery charging curves and four stages+positive and negative pulse charging scheme can reduce the overcharging as well as gassing polarization, protect the battery and increase the charging speed.

electric vehicle; charging power supply; lead-acid battery; positive and negative pulse charging; LLC resonance; STM32 chip

2016-07-14

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B010402002) Foundation item: Supported by the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2013B010402002)

吳開(kāi)源(1978-)，男，博士，副研究員，主要從事逆變電源及其數(shù)字化智能控制研究.E-mail:wuky@scut.edu.cn

1000-565X(2017)04-0051-08

TM 46

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.04.008