電動汽車充電器電路拓?fù)涞脑O(shè)計考慮

摘要：對電動汽車車載電池的充電器進(jìn)行了討論。根據(jù)SAE J?1773對感應(yīng)耦合器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，及不同的充電模式，給出了多種備選設(shè)計方案，并針對不同的充電模式、充電等級，給出了最適合的電路拓?fù)浞桨浮?

關(guān)鍵詞：電動汽車；充電器；拓?fù)溥x擇

0??? 引言

??? 早在20世紀(jì)初期，在歐洲和美國的轎車驅(qū)動系統(tǒng)上，曾使用過電力驅(qū)動系統(tǒng)，當(dāng)時的電動車已取代了昔日的馬車和自行車成為主要交通工具。電動汽車所具有的舒適、干凈、無噪聲，污染很小等優(yōu)點(diǎn)曾一度使人們認(rèn)為這將是交通工具的一個巨大革新。但由于當(dāng)時電池等關(guān)鍵技術(shù)的困擾，以及燃油車的發(fā)展，100年來電動汽車的開發(fā)一直受到限制。

??? 隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展和當(dāng)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(diǎn)。世界各國從20世紀(jì)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][2]。

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。

1.1??? 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(dǎo)體裸露在外面，不安全。而且會因多次插拔操作，引起機(jī)械磨損，導(dǎo)致接觸松動，不能有效傳輸電能。

圖1??? 接觸式充電示意圖

1.2??? 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[3][4]。

??? 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(jìn)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(diǎn)，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(shí)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(shí)現(xiàn)了全自動充電。

2??? 感應(yīng)耦合充電標(biāo)準(zhǔn)—SAE J-1773

??? 為實(shí)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)。

??? SAE J-1773標(biāo)準(zhǔn)給出了對美國境內(nèi)電動汽車感應(yīng)充電耦合器最小實(shí)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(dāng)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。

表1??? SAEJ-1773推薦采用的三種充電模式

??? 根據(jù)SAE J-1773標(biāo)準(zhǔn)，感應(yīng)耦合器可以用圖3所示的等效電路模型來表示。對應(yīng)的元件值列于表2中。

圖3??? 感應(yīng)耦合器等效電路模型

表2??? 充電用感應(yīng)耦合器等效電路模型元件值

??? 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[5]。

??? 在設(shè)計中仍須考慮功率傳輸電纜。雖然SAE J-1773標(biāo)準(zhǔn)中沒有列入這一項(xiàng)，但在實(shí)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(jìn)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：R_cable=30mΩ；L_cable=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(biāo)準(zhǔn)給出的感應(yīng)耦合器等效電路，連接電纜和電池負(fù)載的特性，可以得出感應(yīng)耦合充電變換器應(yīng)當(dāng)滿足以下設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3.1??? 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(dāng)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(jìn)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。

3.2??? 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(shí)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(shí)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。

3.3??? 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(yán)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(fù)載情況下的效率一致。

3.4??? 寬負(fù)載范圍工作

??? 感應(yīng)耦合充電變換器應(yīng)當(dāng)能夠在寬負(fù)載范圍內(nèi)安全工作，包括開路和短路的極限情況。此外，變換器也應(yīng)當(dāng)能夠工作在涓流充電或均衡充電等模式下。在這些模式下，變換器都應(yīng)當(dāng)能保證較高的效率。

3.5??? 感應(yīng)耦合器的匝比

??? 原副邊匝比大可以使得原邊電流小，從而可采用更細(xì)線徑的功率傳輸電纜，更低電流定額的功率器件，效率獲得提升。

3.6??? 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(rèn)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(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，限制電動汽車感應(yīng)耦合充電變換器進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)或類似的標(biāo)準(zhǔn)。要滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，加大了感應(yīng)耦合充電變換器輸入部分及整機(jī)的復(fù)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?fù)溥x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?fù)溥M(jìn)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(jìn)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(jìn)入電網(wǎng)的總諧波量不會超標(biāo)，這里采用的是單獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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?fù)鋺?yīng)當(dāng)能夠在這一電池電壓變化范圍內(nèi)提供所需的充電電流。

4.1??? 充電模式1

??? 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(biāo)準(zhǔn)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(jī)體積，重量，降低成本，獲得較高的整機(jī)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[6]。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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(fù)位平衡。

??? 為使輸入電感伏秒積平衡，必須滿足（1）

??? V_inmax≤V_B(1－D_min)??? （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2V_B。當(dāng)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(dāng)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(dǎo)通電阻較高，導(dǎo)通損耗就會很大。因而，要考慮采用低導(dǎo)通壓降的高壓IGBT。但I(xiàn)GBT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

??? I_Savg=I_Lavg??? （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(dǎo)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(dān)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1的兩級功率變換電路結(jié)構(gòu)圖。

圖7??? 充電模式1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。

4.2??? 充電模式2

??? 這是電動汽車的一種正常充電模式，充電過程一般在家庭和公共場所進(jìn)行，要求給使用者提供良好的使用界面。

??? 充電模式2的充電功率等級是6.6kW。230V/30A規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電源足以給這種負(fù)載供電。其典型的充電時間為5～8h。

??? 與充電模式1中充電功率變換器相類似，充電模式2也可采用單級AC/DC變換器。但由于帶PFC功能的單級變換器，開關(guān)管的峰值電流很高，因而最好采用兩級變換器。其中，PFC級可采用傳統(tǒng)的Boost升壓型電路，開關(guān)管采用軟開關(guān)或硬開關(guān)均可。但為了提高效率，更傾向于選擇軟開關(guān)Boost變換器。圖8給出兩種采用無損吸收電路的軟開管Boost變換器主電路功率級。圖9給出兩種采用有源開關(guān)輔助電路的軟開管Boost變換器功率級[7][8]。

(a)??? 無損吸收電路之一

(b)??? 無損吸收電路之二

圖8??? 采用無損吸收電路的軟開管Boost變換器

(a)??? ZCT

(b)??? ZVT

圖9??? 采用有源開關(guān)輔助電路的軟開管Boost變換器功率級

??? 若電網(wǎng)輸入電壓為230V，則輸出電壓可以調(diào)節(jié)到400V以上。這使得后級變換器的設(shè)計變得容易，感應(yīng)耦合器可以取1∶1的匝比。因此，如果電池最高電壓為400V，則前級輸出電壓可以采用DC450V。

??? 與采用帶附加有源開關(guān)輔助電路的軟開管Boost變換器功率級相比，無損吸收軟開管Boost變換器功率級因無需有源器件，因而更具優(yōu)勢。特別是圖8(b)，因其開關(guān)管的關(guān)斷dv/dt得到了控制，開通為零電壓開通，且主開關(guān)管上的電壓應(yīng)力為輸出電壓，因而整機(jī)性能得到大大改進(jìn)。圖10給出無損吸收電路的典型波形。

圖10??? 無損吸收電路的典型波形

??? 對于6.6kW的功率定額，450V的輸出電壓，需要采用600V/60A的MOSFET?？筛鶕?jù)應(yīng)用場合需要，整機(jī)設(shè)計可選擇單模塊或多模塊并聯(lián)方案。

??? 對于后級DC/DC變換器，由于輸入輸出均為容性濾波器，因此，只有具有電流源特性的高頻變換器適用。以下幾種有大電感與變壓器原邊相串聯(lián)的拓?fù)溥m合采用。其中一種形式是圖11所示的全橋型變換器。

圖11??? 全橋型充電變換器

??? 原邊電路中采用串聯(lián)電感，從而感應(yīng)耦合器的漏感被有效利用起來，磁化電感也可利用來擴(kuò)大變換器ZVS的工作范圍。對于450V的輸入總線電壓，可以采用1∶1的匝比，也即原邊繞組和副邊繞組均采用4匝線圈。

??? 橋式結(jié)構(gòu)的變換器拓?fù)涞娜秉c(diǎn)之一是峰值電流較高，特別在低壓輸入時峰值特別高。此外對應(yīng)輕載時，變換器進(jìn)入斷續(xù)工作狀態(tài)，主開關(guān)管的開通損耗增加，調(diào)節(jié)特性變差。因而，通常要保證一個最小負(fù)載電流，確保ZVS。

??? 另一類具有高頻電流源特性的變換器拓?fù)涫侵C振變換器。文獻(xiàn)[8]對這些變換器拓?fù)溥M(jìn)行了分類，分為電流型和電壓型。在電流型變換器中，變換器由電流源供電。在這類拓?fù)渲?，電流得到有效的控制。但其缺陷是開關(guān)管上承受的電壓未得到有效控制。因?yàn)椋蠖鄶?shù)功率器件對過流的承受能力比過壓的承受能力要強(qiáng)。

??? 另外，在電壓源型變換器中，開關(guān)器件的電壓得到很好的限制，但在全橋和半橋拓?fù)渲校瑓s可能會因擊穿損壞。這些變換器通常被分為串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)諧振3種類型。

??? 圖12給出這些基本的諧振變換器拓?fù)涫疽鈭D。在串聯(lián)諧振變換器中，諧振電感與變壓器原邊串聯(lián)，而其他類型變換器中，電容與變壓器串聯(lián)。只有串聯(lián)諧振變換器是硬電流源特性，而其他類型變換器是硬電壓源型。

圖12??? 諧振變換器拓?fù)?/font>

??? 為了有效利用感應(yīng)耦合器磁化電感和匝間電容，可以采用不同的串聯(lián)諧振變換器。一種拓?fù)湫问绞菆D13所示的串并聯(lián)LLCC諧振變換器[9][10]。另外一些諧振變換器也可考慮。如前所述，匝間電容、磁化電感和漏感均得到了充分利用。這一方案因變換器和感應(yīng)耦合器得到了很好的匹配，頗具吸引力。

圖13??? 串并聯(lián)LLCC諧振變換器

??? 該變換器可以工作于高于諧振頻率的ZVS狀態(tài)，或低于諧振頻率的ZCS狀態(tài)，如圖14所示。輸出電壓可采用變頻控制。然而，為了優(yōu)化感應(yīng)耦合器性能，一般設(shè)計為高頻對應(yīng)于輕載工作，低頻對應(yīng)于重載工作，從而在頻率變化范圍內(nèi)，變換器的開關(guān)損耗基本保持恒定。

圖14??? 串并聯(lián)諧振的兩種軟開關(guān)工作模式

??? 由于并聯(lián)諧振電路的升壓特性，最大的變換器電壓增益稍大于1。對于輸入電壓450V，輸出電壓400V，可用1∶1的匝比。這種變換器輕載工作時輸出電壓控制特性比較差，需要采用其他的一些控制技術(shù)。一種方案是使用輸入Boost級調(diào)節(jié)輸出電壓，另一種方案是采用PWM或移相控制。這兩種控制技術(shù)在相關(guān)文獻(xiàn)中都有較詳細(xì)的介紹。

4.3??? 充電模式3

??? 這是一種快速充電模式，主要針對長距離旅行情況進(jìn)行充電。充電器對應(yīng)高功率特性（>100kW），主要用于一些固定的充電站。對于100kW的功率等級，充電時間約為15min。為提高功率因數(shù)，降低輸入電網(wǎng)諧波，變換器輸入端一般需要采用有源整流電路，如圖15所示。可以采用不同的控制方案，包括矢量控制，六階梯波控制，數(shù)字控制技術(shù)等[11]。

圖15??? 有源輸入整流電路

??? 為了進(jìn)一步提高變換效率，允許高頻工作，可以采用如圖16所示的ZVT電路。利用輔助電路實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)器件的ZVT，主開關(guān)仍為PWM控制。

圖16??? ZVT三相Boost整流輸入電路

??? 如前所述，高功率充電模式通常只在充電站使用。因?yàn)椋潆娬究赡軙b有多個充電器，每個充電器均采用單獨(dú)的整流級必然會使系統(tǒng)體積龐大，成本大大增加。為簡化系統(tǒng)設(shè)計，可為整個充電站配備一個專門的PFC或諧波補(bǔ)償變換器，從而充電主電路，都連接在同一個有源輸入整流電路上，如圖17所示。