電動汽車充電電路的設(shè)計分析—電路圖天天讀（289）

　　隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展和當今世界環(huán)境、能源兩大難題的日益突出，電力驅(qū)動車輛又成為汽車工業(yè)研究、開發(fā)和使用的熱點。世界各國從20 世紀80年代開始，掀起了大規(guī)模的開發(fā)電動汽車的高潮。但電動汽車的市場化一直受到一些關(guān)鍵技術(shù)的困擾。其中，比較突出的一個問題就是確保電動汽車電池組安全、高效、用戶友好、牢固、性價比高的充電技術(shù)。

　　1 充電技術(shù)

　　電動汽車電池充電是電動汽車投入市場前，必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。電動汽車電池充電一般采用兩種基本方法：接觸式充電和感應(yīng)耦合式充電。

　　接觸式充電

　　接觸式充電方式采用傳統(tǒng)的接觸器，使用者把充電源接頭連接到汽車上。其典型示例如圖1所示。這種方式的缺陷是：導體裸露在外面，不安全。而且會因多次插拔操作，引起機械磨損，導致接觸松動，不能有效傳輸電能。

　　圖1 接觸式充電示意圖

　　 感應(yīng)耦合式充電

　　感應(yīng)耦合式充電方式，即充電源和汽車接受裝置之間不采用直接電接觸的方式，而采用由分離的高頻變壓器組合而成，通過感應(yīng)耦合，無接觸式地傳輸能量。采用感應(yīng)耦合式充電方式，可以解決接觸式充電方式的缺陷。

　　圖2給出電動汽車感應(yīng)耦合充電系統(tǒng)的簡化功率流圖。圖中，輸入電網(wǎng)交流電經(jīng)過整流后，通過高頻逆變環(huán)節(jié)，經(jīng)電纜傳輸通過感應(yīng)耦合器后，傳送到電動汽車輸入端，再經(jīng)過整流濾波環(huán)節(jié)，給電動汽車車載蓄電池充電。

　　圖2 EV感應(yīng)耦合充電系統(tǒng)簡化功率流圖

　　感應(yīng)耦合充電方式還可進一步設(shè)計成無須人員介入的全自動充電方式。即感應(yīng)耦合器的磁耦合裝置原副邊之間分開更大距離，充電源安裝在某一固定地點，一旦汽車?？吭谶@一固定區(qū)域位置上，就可以無接觸式地接受充電源的能量，實現(xiàn)感應(yīng)充電，從而無須汽車用戶或充電站工作人員的介入，實現(xiàn)了全自動充電。

　　2 感應(yīng)耦合充電標準—SAE J-1773

　　為實現(xiàn)電動汽車市場化，美國汽車工程協(xié)會根據(jù)系統(tǒng)要求，制定了相應(yīng)的標準。其中，針對電動汽車的充電器，制定了SAE J-1772和SAE J-1773兩種充電標準，分別對應(yīng)于接觸式充電方式和感應(yīng)耦合充電方式。電動汽車充電系統(tǒng)制造商在設(shè)計研制及生產(chǎn)電動汽車充電器中，必須符合這些標準。

　　SAE J-1773標準給出了對美國境內(nèi)電動汽車感應(yīng)充電耦合器最小實際尺寸及電氣性能的要求。

　　充電耦合器由兩部分組成：耦合器和汽車插座。其組合相當于工作在80～300kHz頻率之間的原副邊分離的變壓器。

　　對于感應(yīng)耦合式電動汽車充電，SAEJ-1773推薦采用三種充電方式，如表1所示。對于不同的充電方式，充電器的設(shè)計也會相應(yīng)地不同。其中，最常用的方式是家用充電方式，充電器功率為6.6kW，更高功率級的充電器一般用于充電站等場合。

　　根據(jù)SAE J-1773標準，感應(yīng)耦合器可以用圖3所示的等效電路模型來表示。

　　圖3 感應(yīng)耦合器等效電路模型

　　變壓器原副邊分離，具有較大的氣隙，屬于松耦合磁件，磁化電感相對較小，在設(shè)計變換器時，必須充分考慮這一較小磁化電感對電路設(shè)計的影響。

　　在設(shè)計中仍須考慮功率傳輸電纜。雖然SAE J-1773標準中沒有列入這一項，但在實際設(shè)計中必須考慮功率傳輸電纜的體積、重量和等效電路。由于傳輸電纜的尺寸主要與傳輸電流的等級有關(guān)，因而，減小充電電流可以相應(yīng)地減小電纜尺寸。為了使電纜功率損耗最小，可以采用同軸電纜，在工作頻率段進行優(yōu)化。此外，電纜會引入附加阻抗，增大變壓器的等效漏感，在功率級的設(shè)計中，必須考慮其影響。對于5m長的同軸電纜，典型的電阻和電感值為：Rcable=30mΩ；Lcable=0.5～1μH。

　　3 對感應(yīng)耦合充電變換器的要求

　　根據(jù)SAE J-1773標準給出的感應(yīng)耦合器等效電路，連接電纜和電池負載的特性，可以得出感應(yīng)耦合充電變換器應(yīng)當滿足以下設(shè)計標準。

　　電流源高頻鏈

　　感應(yīng)耦合充電變換器的副邊濾波電路安裝在電動汽車上，因而，濾波環(huán)節(jié)采用容性濾波電路將簡化車載電路，從而減輕整個電動汽車的重量。對于容性濾波環(huán)節(jié)，變換器應(yīng)當為高頻電流源特性。此外，這種電流源型電路對變換器工作頻率變化和功率等級變化的敏感程度相對較小，因而，比較容易同時考慮三種充電模式進行電路設(shè)計。而且，副邊采用容性濾波電路，副邊二極管無須采用過壓箝位措施。

　　主開關(guān)器件的軟開關(guān)

　　感應(yīng)耦合充電變換器的高頻化可以減小感應(yīng)耦合器及車載濾波元件的體積重量，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的小型化。但隨著頻率的不斷增高，采用硬開關(guān)工作方式的變換器，其開關(guān)損耗將大大增高，降低了變換器效率。因而，為了實現(xiàn)更高頻率、更高功率級的充電，必須保證主開關(guān)器件的軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗。

　　恒頻或窄頻率變化范圍工作

　　感應(yīng)耦合充電變換器工作于恒頻或窄頻率變化范圍有利于磁性元件及濾波電容的優(yōu)化設(shè)計，同時，必須避免工作在無線電帶寬，嚴格控制這個區(qū)域的電磁干擾。對于變頻工作，輕載對應(yīng)高頻工作，重載對應(yīng)低頻工作，有利于不同負載情況下的效率一致。

　　 輸入單位功率因數(shù)

　　感應(yīng)耦合充電變換器工作在高頻，會對電網(wǎng)造成諧波污染。感應(yīng)充電技術(shù)要得到公眾認可，獲得廣泛使用，必須采取有效措施，如功率因數(shù)校正或無功補償?shù)燃夹g(shù)，限制電動汽車感應(yīng)耦合充電變換器進入電網(wǎng)的總諧波量。就目前而言，充電變換器必須滿足IEEE519？1992標準或類似的標準。要滿足這些標準，加大了感應(yīng)耦合充電變換器輸入部分及整機的復雜程度，增加了成本。而且，根據(jù)不同充電等級要求，感應(yīng)耦合充電變換器可以選擇兩級結(jié)構(gòu)（前級為PFC＋后級為充電器電路）或PFC功能與充電功能一體化的單級電路。

　　4 變換器拓撲選擇

　　根據(jù)SAE J-1773給出的感應(yīng)耦合器等效電路元件值，及上述的設(shè)計考慮，這里對適用于三種不同充電模式的變換器拓撲進行了考察。

　　如圖2所示，電動汽車車載部分包括感應(yīng)耦合器的插孔部分及AC/DC整流及容性濾波電路。首先，對直接連接電容濾波的整流電路進行考察。適合采用的整流方式有半波整流，中心抽頭全波整流及全橋整流。其中，半波整流對變壓器的利用率低；全波整流需要副邊為中心抽頭連接的兩個繞組，增加了車載電路的重量和體積；全橋整流對變壓器利用率高，比較適合用于這種場合。

　　圖4給出基于以上考慮的感應(yīng)耦合充電變換器原理框圖。圖中，輸出整流采用全橋整流電路，輸出濾波器采用電容濾波，輸入端采用了PFC電路以限制進入電網(wǎng)的總諧波量不會超標，這里采用的是單獨設(shè)計的PFC級。低功率時，PFC也可與主充電變換器合為帶PFC功能的一體化充電電路。

　　圖4 感應(yīng)耦合充電變換器原理框圖

　　如前所述，充電器設(shè)計中很重要的一個考慮是感應(yīng)耦合器匝比的合理選取。為使設(shè)計標準化，按3種充電模式設(shè)計的感應(yīng)耦合充電變換器都必須能夠采用相同的電動汽車插座。限制充電器高頻變壓器副邊匝數(shù)的因素包括功率范圍寬，電氣設(shè)計限制和機械設(shè)計限制。典型的耦合器設(shè)計其副邊匝數(shù)為4匝。對于低充電等級，一般采用1∶1的匝比，對于高充電等級，一般采用2∶1的匝比。

　　對于30kW·h以內(nèi)的儲能能力，隨充電狀態(tài)不同，電動汽車電池電壓在DC 200～450V范圍內(nèi)變化，變換器拓撲應(yīng)當能夠在這一電池電壓變化范圍內(nèi)提供所需的充電電流。

　　5 充電模式

　　這是電動汽車的一種應(yīng)急充電模式，充電較慢。按這種模式設(shè)計的充電器通常隨電動汽車攜帶，在沒有標準充電器的情況下使用，從而必須體積小，重量輕，并且成本低。根據(jù)這些要求，可采用單級高功率因數(shù)變換器，降低整機體積，重量，降低成本，獲得較高的整機效率。圖5給出一種備選方案：兩個開關(guān)管的隔離式 Boost變換器。在不采用輔助開關(guān)時，單級Boost級電路提供PFC功能并調(diào)節(jié)輸出電壓。當輸入電壓為AC 120V時，輸入電壓峰值為170V，由于變壓器副邊匝數(shù)為4匝，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為DC 200～400V，因而變壓器可以采用1∶1的匝比，原邊繞組均采用4匝線圈。典型的電壓電流波形如圖6所示。

　　圖5 兩個開關(guān)管的隔離式Boost變換器

　　圖6 電壓電流波形

　　當原邊開關(guān)管S1及S2均開通時，能量儲存在輸入濾波電感中，同時輸出整流管處于關(guān)斷態(tài)。當開關(guān)管S1及S2中任一個開關(guān)管關(guān)斷時，儲存能量通過原邊繞組傳輸?shù)礁边?。由于變換器的對稱工作，變壓器磁通得以復位平衡。

　　為使輸入電感伏秒積平衡，必須滿足（1）

　　Vinmax≤VB（1－Dmin） （1）

　　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時占空比為0.15，輸出電壓為DC 475V時占空比為0.5。如圖5所示，主開關(guān)管上的電壓應(yīng)力為2VB。當輸出電壓為DC 400V時，開關(guān)管電壓應(yīng)力是DC 800V，這一電壓應(yīng)力相當高。而且，由于傳輸電纜和感應(yīng)耦合器的漏感，器件電壓應(yīng)力可能會更高。為了限制器件最大電壓應(yīng)力，可以采用圖5所示的無損吸收電路。但無論是在哪種情況下，都必須采用1200V電壓定額的器件。因高耐壓的MOSFET的導通電阻較高，導通損耗就會很大。因而，要考慮采用低導通壓降的高壓IGBT。但IGBT器件開關(guān)損耗也限制了開關(guān)頻率的提高。

　　開關(guān)管的平均電流為

　　ISavg=ILavg （2）

　　對于1.5kW功率等級，輸入電流有效值為15A，平均開關(guān)電流是13A，峰值電流為22A，需要電流定額至少為30A的開關(guān)器件。盡管這個方案提供了比較簡單的單級功率變換，但也存在一些缺陷，如半導體器件承受的電壓應(yīng)力較高、輸出電壓調(diào)節(jié)性能差，輸出電流紋波大。

　　為了降低器件的開關(guān)損耗，可以采用圖5所示的軟開關(guān)電路。給MOSFET設(shè)計的關(guān)斷延時確保了IGBT的ZVS關(guān)斷。在電流上升模式中，MOSFET分擔了輸出濾波電流，其電壓應(yīng)力為IGBT的一半。從而，可以采用600V的器件。同時，因關(guān)斷損耗的降低，開關(guān)頻率得以提高。

　　另一個降低器件電壓定額的方案是采用兩級變換結(jié)構(gòu)。前級PFC校正環(huán)節(jié)可以采用帶有軟開關(guān)功能的Boost變換器，允許高頻工作。后級DC/DC功率變換級，可以采用半橋串聯(lián)諧振變換器，提供高頻電流鏈。圖7給出了適用于充電模式的兩級功率變換電路結(jié)構(gòu)圖。

　　圖7 充電模式采用的兩級功率變換電路結(jié)構(gòu)

　　若輸入電網(wǎng)電壓是AC 115V，為了降低DC/DC變換器的電流定額，輸出電壓可以提升到DC 450V。這樣Boost級功率開關(guān)管可以采用500～600V的MOSFET，半橋變換器的開關(guān)器件可以采用300～400V的MOSFET。由于采用半橋工作，感應(yīng)耦合器可以采用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，而半橋變換器開關(guān)管的電流定額是 20A。

　　編輯點評：本文根據(jù)SAEJ-1773對感應(yīng)耦合器的規(guī)定，對電動汽車供電電池的充電器進行了討論。給出了充電模式的電路拓撲分析圖，最后給出了分別適合于不同充電等級的備選變換器拓撲方案。
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