關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

趙忠武

（弘安新能源汽車(chē)研究院， 江蘇 徐州 221000）

目前電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展已經(jīng)上升為國(guó)家十三五戰(zhàn)略性規(guī)劃，特別是2011年之后，國(guó)家已出臺(tái)一系列鼓勵(lì)政策，經(jīng)過(guò)10多年的努力，中國(guó)新能源汽車(chē)推廣規(guī)模世界領(lǐng)先，電動(dòng)汽車(chē)“三電”核心技術(shù)也走在了世界前列。車(chē)載充電機(jī)是新能源汽車(chē)核心零部件同時(shí)也是整車(chē)故障率最高的電器部件，車(chē)載充電機(jī)的選型匹配、安全設(shè)計(jì)、充電策略成為新能源汽車(chē)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 車(chē)載充電機(jī)的分類

1） 車(chē)載充電機(jī)按照連接方式的不同分為：傳導(dǎo)式充電機(jī)（圖1） 和感應(yīng)式充電機(jī)（圖2）。詳見(jiàn)表1。

圖1 傳導(dǎo)式充電機(jī)

圖2 感應(yīng)式充電機(jī)示意圖

表1 車(chē)載充電機(jī)連接方式分類

2） 目前車(chē)載充電機(jī)按照電池類型分為車(chē)載鉛酸和車(chē)載鋰電充電機(jī)，其中低壓平臺(tái)以60V、72V為主，功率規(guī)格1.3kW、1.5kW、1.8kW為主，散熱方式風(fēng)冷，產(chǎn)品主應(yīng)用低速鉛酸和鋰電車(chē)型；高壓平臺(tái)主要以96V、144V、288V、320V、346V、576V為主，功率規(guī)格以3.3kW、6.6kW兩種功率為主，散熱方式以液冷為主，產(chǎn)品應(yīng)用于高速鋰電汽車(chē)。

3） 車(chē)載充電機(jī)按照集成程度不同分為單體式車(chē)載充電機(jī)和集成式多合一，目前市場(chǎng)集成式充電總成多以二合一（OBC&DC），三合一 （OBC&DC&PDU） 為主，優(yōu)勢(shì)是充電系統(tǒng)集成后可以共用控制電路和部分功率電路，節(jié)省成本，避免單體部件存在的布局困難、連接點(diǎn)繁多、EMI分散處理難度較大、CAN總線控制復(fù)雜等特點(diǎn)。

2 車(chē)載充電機(jī)工作原理

車(chē)載充電機(jī)是一種電池充電裝置，輸入為AC，輸出為DC，輸出電壓與車(chē)載電池充電要求一致，受控于BMS以及VCU，能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)充電電流與電壓參數(shù)，完成電池充電過(guò)程。車(chē)載充電機(jī)是一個(gè)高頻可變開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，主要由APFC、功率變換和控制電路組成。功率電路主要由半導(dǎo)體器件、磁性器件以及開(kāi)關(guān)接口器件等組成?？刂齐娐肥菍?shí)現(xiàn)與電源管理進(jìn)行通信，控制功率變換輸出以及進(jìn)行各種保護(hù)、報(bào)警的裝置。車(chē)載充電機(jī)系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

圖3 車(chē)載充電機(jī)系統(tǒng)功能框圖

車(chē)載充電機(jī)主要由5大部分組成。

1） 電磁兼容濾波器：主要是針對(duì)EMC/EMI干擾進(jìn)行濾波以防止干擾或被干擾而引起的不兼容問(wèn)題，EM電源濾波器是一種低通濾波器可以有效對(duì)頻率較高的其他信號(hào)和干擾信號(hào)有衰減作用。

2） APFC功率因數(shù)校正：為了減小非線性整流裝置產(chǎn)生的諧波干擾，非線性整流裝置必須要設(shè)計(jì)功率因數(shù)校正電路，行標(biāo)要求功率因數(shù)不低于0.92。充電機(jī)APFC電路示意如圖4所示。

3） 整 流 器：將220V 交流電經(jīng)過(guò)功率因數(shù)的校正，升高為直流高壓電。

4） 高頻隔離變壓器：因電網(wǎng)電壓較強(qiáng)，直接充電會(huì)導(dǎo)致安全問(wèn)題，因此，為了符合安規(guī)隔離需要，必須安裝隔離電路。

全橋LLC諧振由4個(gè)MOS管、諧振電容、諧振電感、勵(lì)磁電感組成，開(kāi)關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4循環(huán)導(dǎo)通時(shí)應(yīng)該預(yù)留一定的死區(qū)，防止直通。充電機(jī)LLC全橋電路示意如圖5所示。

5） 信號(hào)采集控制電路：根據(jù)采集輸入電壓電流和輸出電壓電流信息、溫度信息、故障信息完成自檢，按照BMS指令要求在可調(diào)范圍內(nèi)對(duì)電池進(jìn)行不同狀態(tài)下的恒流、恒壓充電，可調(diào)范圍內(nèi)對(duì)純阻性負(fù)載進(jìn)行不同功率需求的供電，實(shí)現(xiàn)電池加熱；可根據(jù)整車(chē)的CAN信息與自身監(jiān)測(cè)的信息實(shí)現(xiàn)OBC模塊的診斷、自檢和保護(hù)功能。充電機(jī)信號(hào)控制框圖如圖6所示。

圖4 充電機(jī)APFC電路示意圖

圖5 充電機(jī)LLC全橋電路示意圖

3 車(chē)載充電機(jī)的外部連接和充電流程

車(chē)載充電機(jī)的外部電路連接分為交流輸入、直流輸出、信號(hào)接插件3部分。交流輸入和充電插座對(duì)接，直流輸出直接或間接和電池連接，信號(hào)端口包含有CANH、CANL、充電互鎖、充電喚醒、電子鎖開(kāi)閉、低壓電源等信號(hào)。車(chē)載充電機(jī)連接示意如圖7所示。

1） 車(chē)載鉛酸充電機(jī)電路連接較為簡(jiǎn)單，基于成本化考慮，直流輸出直接經(jīng)過(guò)應(yīng)急開(kāi)關(guān)和熔斷絲接入電池正負(fù)極，插入充電槍后，充電輸出端檢測(cè)電池電壓在正常電壓范圍，按照鉛酸電池6段式充電曲線恒流恒壓涓流進(jìn)行充電，部分車(chē)載充電機(jī)采用脈沖方式充電。鉛酸充電機(jī)充電曲線如圖8所示。

圖6 充電機(jī)信號(hào)控制框圖

圖7 車(chē)載充電機(jī)連接示意圖

圖8 鉛酸充電機(jī)充電曲線

2） 基于鋰電池充電安全特性，車(chē)載鋰電充電機(jī)的充電流程較車(chē)載鉛酸充電機(jī)較為復(fù)雜，對(duì)于輸入連接、充電本體、輸出連接都要進(jìn)行連接確認(rèn)和自檢；首先當(dāng)交流充電槍插入后，通過(guò)CC線連接完成車(chē)輛端口確認(rèn)和供電端口連接確認(rèn)后，車(chē)輛控制裝置執(zhí)行電子鎖閉鎖指令，S1開(kāi)關(guān)從12V切換為PWM狀態(tài)，此時(shí)檢測(cè)點(diǎn)電壓為9V，當(dāng)車(chē)輛控制裝置檢測(cè)到CP信號(hào)和電子鎖狀態(tài)閉鎖后，完成充電狀態(tài)確認(rèn)，充電機(jī)完成自檢無(wú)故障，連接正常后，車(chē)輛控制裝置閉合S2開(kāi)關(guān)，檢測(cè)1點(diǎn)電壓為6V，確認(rèn)車(chē)輛就緒后，K1和K2閉合，充電機(jī)啟動(dòng)充電流程發(fā)送充電喚醒給BMS，根據(jù)BMS具體加熱或者充電指令，執(zhí)行相應(yīng)的充電流程；當(dāng)充滿電時(shí)或操作人員對(duì)供電裝置停止充電機(jī)時(shí)，車(chē)輛控制裝置斷開(kāi)S2開(kāi)關(guān)，供電控制裝置控制開(kāi)關(guān)S1切換為12V連接狀態(tài)，同時(shí)斷開(kāi)接觸器K1和K2切斷交流供電，電子鎖開(kāi)啟。

4 車(chē)載充電機(jī)的選型匹配

車(chē)載充電機(jī)的選型匹配需要根據(jù)整車(chē)配置參數(shù)：整車(chē)電量和充電時(shí)間，進(jìn)行公式計(jì)算。

充電機(jī)功率匹配計(jì)算：

式中：P——充電機(jī)功率；T——充電時(shí)間；E——電池總電量；δ1——電池耗電系數(shù)，0.95～0.9；η1——充電機(jī)充電效率，93%～95%；η2——電池轉(zhuǎn)換效率，一般設(shè)定為95%～98%；δ2——充電機(jī)充電邏輯系數(shù)，0.9～0.93。

數(shù)值帶入公式后充電功率P1≤P≤P2，根據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)有可用產(chǎn)品狀態(tài)選擇滿足技術(shù)指標(biāo)的車(chē)載充電機(jī)。

5 車(chē)載充電機(jī)失效模式案例分析

5.1 問(wèn)題1

1） 問(wèn)題描述：某純電動(dòng)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)3臺(tái)以上車(chē)輛同時(shí)充電時(shí)，車(chē)載充電機(jī)出現(xiàn)批量炸機(jī)現(xiàn)象。

2） 問(wèn)題分析：通過(guò)示波器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)工業(yè)變壓器功率不足，當(dāng)采用多臺(tái)充電機(jī)進(jìn)行充電時(shí)，輸入端電壓突然拉低，由于充電槍采用模式1連接方式B產(chǎn)品，充電機(jī)內(nèi)部對(duì)于輸入電壓跌落缺少相應(yīng)的保護(hù)，導(dǎo)致恒流模式輸出時(shí)，輸入端電流過(guò)大，保護(hù)電流值設(shè)定不合理，保護(hù)時(shí)間不及時(shí)，PFC電流MOS管過(guò)流擊穿。

3） 問(wèn)題解決：①把充電機(jī)PFC電流保護(hù)電路R5電阻取消，PFC逐期電流保護(hù)值由57A降為30A （行業(yè)經(jīng)驗(yàn)25%，MOS管型號(hào)OSG6R099P6，Imax=114A）；②輸入電壓跌落后，限制輸出功率，輸入欠壓保護(hù)，檢測(cè)周期縮短。

4） 問(wèn)題驗(yàn)證：按照以上解決措施整改后，按照AC輸入電壓暫降測(cè)試，分別將輸入電壓設(shè)定為標(biāo)稱值的50%、70%、95%，持續(xù)時(shí)間10ms，經(jīng)過(guò)測(cè)試充電機(jī)正常。經(jīng)過(guò)實(shí)際4臺(tái)車(chē)輛復(fù)原原環(huán)境狀態(tài)測(cè)試，充電機(jī)也無(wú)損害。

PFC保護(hù)電路如圖9所示。

圖9 PFC保護(hù)電路

5.2 問(wèn)題2

1） 問(wèn)題描述：某款純電動(dòng)汽車(chē)冬季續(xù)航較短，經(jīng)過(guò)對(duì)比同規(guī)格不同品牌車(chē)載充電機(jī)發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)續(xù)航確實(shí)存在一定差異。

2） 問(wèn)題分析：根據(jù)S4階段轉(zhuǎn)換條件，恒電壓14.8V，限電流0.05CA充電，充電至電流到0.01CA或充電時(shí)間到達(dá)2h，充電自動(dòng)轉(zhuǎn)換為第5階段，然而在低溫條件下，由于溫度檢測(cè)誤差和溫度補(bǔ)償因數(shù)，充電機(jī)輸出電壓較高，電池在短時(shí)間內(nèi)電壓還是較高，采樣周期內(nèi)檢測(cè)電流值小于S4跳變電流，直接跳過(guò)S4階段。

3） 問(wèn)題解決：根據(jù)控制邏輯分析，充電機(jī)在S4階段采樣時(shí)間較短，需要延長(zhǎng)采樣時(shí)間，并做系統(tǒng)低溫測(cè)試。

4） 問(wèn)題驗(yàn)證：將充電機(jī)和電池進(jìn)行低溫環(huán)境系統(tǒng)測(cè)試，對(duì)其采樣時(shí)間進(jìn)行充分驗(yàn)證，驗(yàn)證S4階段充電機(jī)延遲采樣時(shí)間有效，可以滿足電池充電曲線要求。

6 車(chē)載充電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)充電系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，未來(lái)車(chē)載充電機(jī)的發(fā)展方向主要集中在以下幾點(diǎn)。

第1，目前國(guó)內(nèi)車(chē)載充電機(jī)功率基本在3.3kW和6.6kW，隨著電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程的不斷加大，當(dāng)前充電機(jī)功率現(xiàn)狀已經(jīng)不能滿足整車(chē)快速充電的需求，目前國(guó)外特斯拉配置了超過(guò)11kW的充電機(jī)，車(chē)載充電機(jī)未來(lái)必然要功率擴(kuò)容。

第2，目前碳化硅和IGBT的應(yīng)用，可以有效提高充電機(jī)充電效率，對(duì)于V2G、V2L、V2V能量的雙向傳遞增加了電動(dòng)汽車(chē)收益優(yōu)勢(shì)。

第3，目前電動(dòng)汽車(chē)普及一個(gè)難點(diǎn)除了續(xù)航問(wèn)題，再就是成本問(wèn)題，車(chē)載充電機(jī)的高度集成化已成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，目前將車(chē)載充電機(jī)、直流轉(zhuǎn)換器、高壓配電盒、電機(jī)控制器、中央控制器集成的五合一已經(jīng)批量應(yīng)用，未來(lái)電器件集成化更高，電器原理的通融和共用特性，可以實(shí)現(xiàn)電器件利用最大化。

第4，未來(lái)考慮充電的便捷性和安全性，會(huì)直接省略充電操作，利用智能化和無(wú)線充電技術(shù)的結(jié)合，對(duì)接整車(chē)實(shí)施自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控和無(wú)線充電，解決客戶的里程焦慮。

結(jié)合對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上車(chē)載充電機(jī)的了解，本人對(duì)于車(chē)載充電機(jī)種類、工作原理、連接方式、充電流程、失效案例進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)車(chē)載充電機(jī)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提出了一些看法，文中簡(jiǎn)要地對(duì)車(chē)載充電機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合論述，充電機(jī)的高壓安全特性和充電機(jī)的測(cè)試項(xiàng)目同樣也很重要，國(guó)標(biāo)GB/T18384和行標(biāo)QC/T895做了詳細(xì)介紹。由于各廠家車(chē)載充電機(jī)內(nèi)部控制邏輯，參數(shù)設(shè)定和采樣時(shí)間不同，對(duì)于車(chē)載充電在不同測(cè)試環(huán)境耐久性、集成式多合一電磁兼容特性系統(tǒng)級(jí)測(cè)試也是充電機(jī)一項(xiàng)關(guān)重指標(biāo)。