一種電動汽車非車載充電機充電模塊的研制

　　0　引言

　　電動汽車作為一種新型交通工具，在緩解能源危機、促進環(huán)境與人類和諧發(fā)展等方面具有很大的優(yōu)勢。大力發(fā)展電動汽車，可以優(yōu)化能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，有效地減少中國對石油資源的依賴，保證中國經(jīng)濟發(fā)展中的能源安全，是解決能源戰(zhàn)略安全問題的重要措施，也是確保經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

　　電動汽車充電設(shè)施建設(shè)是電動汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。2010年2月國家電網(wǎng)公司發(fā)布了《國家電網(wǎng)智能化規(guī)劃總報告》，對電動汽車充電設(shè)施建設(shè)提出了明確的規(guī)劃：到2015年，國家電網(wǎng)公司將累計建設(shè)4000座電動汽車充電站；到2020年，國家電網(wǎng)公司將累計建設(shè)10000座電動汽車充電站。一個完整的充電站主要包括供電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及其他輔助設(shè)施。其中，充電系統(tǒng)主要包括交流充電樁和非車載充電機，是充電站的核心設(shè)備。

　　非車載充電機是一種利用現(xiàn)代功率電子變換和控制技術(shù)將電網(wǎng)交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿墓β首儞Q裝置，其整流部分根據(jù)容量的不同可由多臺充電模塊并聯(lián)組成。結(jié)合目前主流電動汽車動力電池的充電需求，本文給出了一種采用LLC串聯(lián)諧振控制的500V／25A（電壓調(diào)節(jié)范圍200～500V）電動汽車大功率高頻開關(guān)整流充電模塊的總體設(shè)計方案，詳細介紹了充電模塊主電路、控制電路的實現(xiàn)方法。

　　針對該電路存在的空載或輕載輸出電壓上升、參數(shù)設(shè)計困難等缺點，本文提供了一種解決方案，并定量地給出了充電模塊輸入電壓、開關(guān)頻率、輸出電壓等參數(shù)的相互關(guān)系。

　　1 充電模塊設(shè)計方案

　　1.1　總體設(shè)計

　　圖1給出了充電模塊的原理框圖。根據(jù)各組成部分功能的不同，該模塊可分為功率變換主電路、采樣與控制電路、輸入輸出保護電路、通信和均流電路、顯示及操作界面等幾個部分。本文主要介紹功率變換主電路設(shè)計和控制電路設(shè)計方案。

　　1.2　功率變換主電路設(shè)計

　　功率變換主電路采用半橋LLC串聯(lián)諧振電路，如圖2所示。其中，U_in為三相輸入整流后的直流電壓值，U₀為充電模塊輸出直流電壓。為便于后文分析，充電機負載用電阻R₀代替，變壓器用勵磁電感L_m和理想變壓器T₁代替。由于單模塊為高壓大功率輸出，Q1和Q2分別通過6個型號為27N80的金氧氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）并聯(lián)實現(xiàn)，輸出整流二極管型號為DESI60-10A。

　　該電路具有如下優(yōu)點：拓撲結(jié)構(gòu)簡單，功率密度高，初級開關(guān)管可實現(xiàn)零電壓開關(guān)且關(guān)斷電流小，次級整流二極管可實現(xiàn)零電流開關(guān)，變換效率高，可高頻化。

　　一般情況下，由于勵磁電流比較大，原邊MOS管很容易獲得零電壓開關(guān)。同時，由于變壓器原、副邊電流波形接近正弦波及輸出電容的鉗位，輸出整流二極管上沒有電壓和電流尖峰。因此，LLC串聯(lián)諧振DC/DC變換器能獲得很高的效率及良好的電磁兼容性能。

　　1.3　控制電路設(shè)計

　　傳統(tǒng)的LLC串聯(lián)諧振變換器通過調(diào)節(jié)功率管開關(guān)頻率來實現(xiàn)穩(wěn)定工作。研究表明，該變換器輸出電壓增益M與開關(guān)管工作頻率f之間成反比關(guān)系：工作頻率越高，M越小，輸出電壓越低；工作頻率越低，M越大，輸出電壓越高。因此，在空載和輕載時，為了穩(wěn)定輸出電壓，功率管工作頻率需要升得很高，從而產(chǎn)生磁性器件難以優(yōu)化和空載損耗過高的問題。

　　為解決上述問題，設(shè)計了以SG3525（以下簡稱3525）為核心的控制方案，具體電路如圖3所示。

　　圖3所示的控制電路主要由電壓比例—積分（PI）調(diào)節(jié)器和電流PI調(diào)節(jié)器、多個比較器、3525及外圍電路組成。變換器工作在輸出空載或者輕載、深度限流等工作狀態(tài)時，為了避免功率管工作頻率過高，脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)節(jié)模塊通過比較器判斷使得3525的PWM 脈沖的占空比間歇性為0，以保證變換器穩(wěn)壓或者穩(wěn)流輸出，且損耗極低。其他情況下，變換器無論工作在穩(wěn)壓狀態(tài)還是穩(wěn)流狀態(tài)，3525均通過PFM調(diào)節(jié)模塊恒定輸出占空比為50%的脈沖，功率管開關(guān)頻率隨負載變化而變化。

　　通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率調(diào)節(jié)充電機輸出電壓和輸出電流，進而使上述控制方案可滿足電動汽車動力電池的恒壓—恒流充電、智能充電等各種充電需求。

　　2 輸出電壓特性分析

對于采用變頻控制的LLC串聯(lián)諧振變換器，其輸入輸出電壓與開關(guān)管的工作頻率及主電路的諧振頻率、諧振電感和諧振電容等參數(shù)密切相關(guān)，而找到上述參數(shù)之間的關(guān)系是LLC串聯(lián)諧振變換器設(shè)計的關(guān)鍵。為獲得充電模塊的輸出電壓特性，本節(jié)對該變換器的主電路工作過程進行分析，定量給出開關(guān)管開關(guān)頻率大于、等于和小于變換器諧振頻率時的輸出電壓，為充電機的設(shè)計提供指導(dǎo)。

2.1　開關(guān)頻率高于諧振頻率

為便于分析，假定圖2所示的充電模塊主電路所有器件均為理想器件。

開關(guān)頻率高于諧振頻率（f_k＞f_r）時，將圖2所示變換器負載折合到原邊的等效模型如圖4所示。

由于諧振電容上的直流電壓分量為輸入電壓的一半，將直流分量移出來，從下管Q2的端口看進去，開關(guān)管的開關(guān)效果相當于在其端口加上幅值為輸入電壓一半、開關(guān)頻率為工作頻率f_k 的方波，變壓器原、副邊得到的是與其有一定相移、同頻率的方波，副邊方波電壓的幅值即為輸出電壓U₀。負載電阻折合到變壓器原邊后的電阻值為R_p＝n²R₀。

圖4中輸入電壓u_in為幅值是輸入電壓一半、開關(guān)頻率為工作頻率f_k 的方波信號。輸出電壓u_p可以表示為：

2.2　開關(guān)頻率等于諧振頻率

當開關(guān)頻率fk等于諧振頻率fr時，MOS管Q1和Q2的開關(guān)動作恰好發(fā)生在勵磁電流i_m 為最大值且該值與諧振電流i_l相等時，諧振電流i_l波形為理想的正弦波。此時ω＝2πr＝2πf_k。由式（3）可得，U₀ 與U_in的關(guān)系為：

U₀ ＝U_in/2n （4）

2.3　開關(guān)頻率低于諧振頻率

開關(guān)頻率f_k 低于諧振頻率f_r時，變壓器原、副邊電壓已經(jīng)不再是方波電壓，變換器各關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系可按下述方法分析。

設(shè)諧振電流i_l為：

i_l＝Asin(ωt＋Φ) (5)

則變壓器副邊電流為：

i_s ＝n（i_l－i_m）＝nAsin（ωt＋Φ）-ni_m （6）

不計變換器的損耗，則半個開關(guān)周期內(nèi)變壓器副邊向輸出濾波電容傳遞的能量等于半個開關(guān)周期輸出濾波電容向負載傳遞的能量，即

3 原理樣機實驗結(jié)果

　　3.1　主要設(shè)計參數(shù)

　　輸入交流電壓：380V交流（±20%）；

　　輸出最高電壓：500V 直流（變化范圍200～500V）；

　　最大輸出電流：25A；開關(guān)頻率：25～140kHz；

　　輸入功率因數(shù)：≥0.90；效率：≥92%；

　　穩(wěn)壓精度：≤0.5%；穩(wěn)流精度：≤0.5%；

　　紋波系數(shù)：≤0.5%；空載損耗：≤30W。

　　3.2　實驗數(shù)據(jù)

　　表1給出了輸入電壓在正常工作范圍內(nèi)變化、負載電流從0到滿載變化時，充電模塊不同輸出電壓時的穩(wěn)壓精度和紋波系數(shù)實驗數(shù)據(jù)。其中，I_e 為充電模塊額定輸出電流（25A）

表2給出了輸入和輸出電壓均在正常工作范圍內(nèi)變化時，充電模塊輸出穩(wěn)流精度實驗數(shù)據(jù)。表3給出了500V直流輸出、不同輸入電壓和負載時充電模塊輸入功率因數(shù)和效率實驗數(shù)據(jù)。

經(jīng)測試，該充電模塊在不同輸入和輸出情況下的空載損耗僅為16W 左右。由于目前實際充電的電動汽車數(shù)量比較少，減少充電機空載待機損耗、提高充電機效率有助于大幅度降低電動汽車充電設(shè)施的運營成本。

上述實際測試數(shù)據(jù)表明，該充電模塊所有性能參數(shù)完全滿足設(shè)計要求。

　　3.3　實驗波形

　　圖5給出了空載情況下充電模塊諧振電感電流波形。顯然，諧振電感電流為間歇性工作方式，可有效降低開關(guān)管開關(guān)損耗。此外，間歇性控制方式也可確保該變換器在空載工作時輸出電壓保持穩(wěn)定。

圖6給出了開關(guān)頻率高于諧振頻率時變壓器原邊電壓和諧振電感電流波形。

顯然，諧振電感波形大部分時間處于正弦諧振狀態(tài)。這種工作方式可有效降低充電模塊電磁干擾，提高其電磁兼容性能。

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于LLC串聯(lián)諧振控制的電動汽車非車載充電機充電模塊，給出了模塊主電路和控制電路的設(shè)計方案，分析了該充電機輸出電壓特性。原理樣機的試驗結(jié)果表明，該充電模塊具有較高的轉(zhuǎn)換效率，很低的空載損耗，性能參數(shù)完全滿足設(shè)計要求。目前，該充電機已在國內(nèi)多個電動汽車充電站中得到應(yīng)用，運行穩(wěn)定，有推廣應(yīng)用價值。