大功率電動(dòng)汽車充電機(jī)的方案設(shè)計(jì)書(shū)

1、大功率電動(dòng)汽車充電機(jī)的設(shè)計(jì)（圖） 作者：何占偉劉捷王志本 叵純電動(dòng)汽車以鋰電池為動(dòng)力源，充滿電后，以電力做 功推動(dòng)汽車。不同于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車需要添加汽油，純 電動(dòng)汽車在電力耗光后通過(guò)外置電源對(duì)其進(jìn)行充電，通 常單次行駛里程在100200公里。與傳統(tǒng)汽車相比， 純電動(dòng)車在使用成本上有看無(wú)以比擬的優(yōu)勢(shì)，百公里約 消耗15度電，成本8元，僅相當(dāng)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車成 本1/10。目前，國(guó)家已看手進(jìn)行電動(dòng)汽車和新能源汽車 的示范推廣，電動(dòng)汽車充電站則是主要環(huán)節(jié)之一，必須 與電動(dòng)汽車其他領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)共同協(xié)調(diào)發(fā)展。 充電模式 電動(dòng)汽車能源供給系統(tǒng)主要由供電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)和動(dòng) 力蓄電池構(gòu)成。另外，還包括充電監(jiān)控、電

2、池管理和煙 霧報(bào)警監(jiān)控等。充電機(jī)是充電系統(tǒng)的重要組成部分。充 電站給汽車充電一般分為三種方式：普通充電、快速充 電、電池更換。普通充電多為交流充電，對(duì)于容量不超 過(guò)5kW的交流充電機(jī)，輸入為額定電壓 220V 50Hz的 單相交流電，對(duì)于容量大于5kW的交流充電機(jī)，輸入為 額定線電壓380V 50Hz的三相交流電。將交流插頭直 接插在電動(dòng)汽車充電接口，充電時(shí)間大約需要 48小 時(shí)?？焖俪潆姸酁橹绷鞒潆?，直流充電機(jī)輸入為額定線 電壓380V 50Hz的三相交流電，輸出電壓一般不超過(guò) 700V,輸出電流一般不超過(guò)700A。交流輸入隔離型 AC/DC充電機(jī)的輸出電壓為額定電壓的 50%100%并 且

3、輸出電流為額定電流時(shí)，功率因數(shù)應(yīng)大于0.85 ,效率 應(yīng)不小于90% 充電機(jī)應(yīng)能夠保證在充電過(guò)程中動(dòng)力蓄電池單體電壓、 溫度和電流不超過(guò)允許值。充電機(jī)應(yīng)具備防輸出短路和 防反接功能。充電機(jī)至少能為以下三種類型動(dòng)力蓄電池 中的一種充電：鋰離子蓄電池、鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電 池。 動(dòng)力電池組充電模式采用“恒流恒壓”兩階段充電模 式。充電開(kāi)始階段，一般采用最優(yōu)充電倍率 （ 鋰離子電 池為 0.3C） 進(jìn)行恒流充電。 （C 是電池的容量，如 C=800mAh 1C充電率即充電電流為 800mA在這一階 段，由于電池的電動(dòng)勢(shì)較低，即使電池充電電壓不高， 電池的充電流也會(huì)很大，必須對(duì)充電電流加以限制。所 以

4、，這一階段的充電叫“恒流”充電，充電電流保持在 限流值。隨著充電的延續(xù)，電池電動(dòng)勢(shì)不斷上升，充電 壓也不斷上升。當(dāng)電池電壓上升到允許的最高充電電壓 時(shí)，保持恒壓充電。在這一階段，由于電池電動(dòng)勢(shì)還在 不斷上升，而充電電壓又保持不變，所以電池的充電流 呈雙曲線趨勢(shì)不斷下降，一直下降到零。但在實(shí)際充電 過(guò)程中，當(dāng)充電電流減小到 0.015C 時(shí)，說(shuō)明充電已滿 就可停止充電。這一階段的充電叫“恒壓”充電，這一 階段的充電電壓：U=E+IR為恒壓值。這是鋰離子動(dòng)力電 池組對(duì)充電模式的基本要求。此外，充電系統(tǒng)還必須具 有自動(dòng)調(diào)節(jié)充電參數(shù)、自動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)功能。尤其 在恒壓充電階段，如果單體電池的充電電壓

5、超過(guò)允許的 充電電壓時(shí)，充電機(jī)應(yīng)能自動(dòng)減小充電電壓和電流，使 該電池的充電電壓不超過(guò)允許的充電電壓，防止該電池 過(guò)壓充電。充電過(guò)程及充電電壓、電流的變化如圖 1 所 示。 圖1充電曲線（n為電池組中串聯(lián)的單體電池個(gè)數(shù)） 根據(jù)電池的充電特性和電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的充電要 求，常用充電設(shè)備為充電機(jī)，可分為直流充電機(jī)和脈沖 充電機(jī)兩類。直流充電機(jī)就是把電網(wǎng)電源經(jīng)過(guò)整流濾波 后隔離穩(wěn)壓輸出直流電源，供給動(dòng)力電池組進(jìn)行充電。 目前使用最多的直流充電機(jī)是高頻開(kāi)關(guān)電源充電機(jī)。它 具有體積小、重量輕、工作可靠、效率高、功率因數(shù) 高、電網(wǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)、功率可小可大，容易實(shí)現(xiàn)智能化 等優(yōu)點(diǎn)。脈沖充電機(jī)可以減少電池在充

6、電時(shí)產(chǎn)生的極化 現(xiàn)象，從而提高電池的充電效率，減少充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn) 快速充電，但脈沖充電器技術(shù)有待進(jìn)一步研究。 電動(dòng)汽車充電時(shí)間長(zhǎng)，充電難是電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的一 個(gè)難題。以一輛大型鋰動(dòng)力電動(dòng)大巴為例，配置電池容 量700Ah。最大充電電流210A（相當(dāng)于700AH電池容量 的0.3C充電率），最高充電電壓 700V （相當(dāng)于165只 最高充電電壓4.2V左右的鋰電池單體串聯(lián)電壓），那 么需要充電器的最大輸出功率為 245kW按最優(yōu)充電要 求對(duì)電動(dòng)汽車充電的充電時(shí)間，至少需要3小時(shí)。因 此，電動(dòng)汽車的充電方式不能像燃油汽車在加油站加油 那樣進(jìn)行充電。如果20分鐘快速充滿電，至少要用3C 的充電倍率

7、進(jìn)行充電，這對(duì)于磷酸鐵鋰鋰離子電池來(lái)說(shuō) 是可能的。 綜上所述，電動(dòng)汽車的充電還是采用普通充電為主、快 速補(bǔ)充充電為輔的充電方式。對(duì)于電動(dòng)公交車而言，充 電站設(shè)在公交車總站內(nèi)。在晚間下班后利用低谷充電， 時(shí)間56小時(shí)。全天運(yùn)行的車輛，續(xù)駛里程不夠時(shí)， 可利用中間休息待班時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)充充電。充電器的數(shù)量 和容量根據(jù)車隊(duì)的規(guī)模而定，充電站由車隊(duì)管理。例 如， 12輛大型鋰動(dòng)力電動(dòng)大巴需要 12 臺(tái)充電機(jī)?？焖?充電時(shí)，可用 6 臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)充電，最大輸出功率為 1470kW 最大充電電流2100A （相當(dāng)于700AH電池的3C 充電率）?；蛘哂?8 臺(tái)充電機(jī)平時(shí)為 8輛電動(dòng)車輛充 電，每臺(tái)輸出最高充電

8、電壓 700V,最大充電電流500A （相當(dāng)于700AH電池用量0.7C的充電率）。1C3C的 快速充電模式，已經(jīng)在探討應(yīng)用，但應(yīng)確保在電池的安 全和使用壽命的前提下進(jìn)行。按照上述充電機(jī)的最大功 率配置，電力變壓器有效總功率約為 3000kW以上。 目前汽車各大廠商紛紛研制上產(chǎn)油電混合動(dòng)力車和純電 動(dòng)汽車。以比亞迪E6純電動(dòng)汽車為例，電池類型為磷 酸鐵鈷鋰電池，配置電池容量 200Ah, 3C的充電電流為 600A,標(biāo)稱電壓316.8V （相當(dāng)于96只充電電壓3.3V左 右的磷酸鐵鈷鋰電池單體串聯(lián)電壓）。充電器的輸出功 率為192kW快速充電時(shí)間15分鐘充滿80%百公里能 耗為 21.5 度電

9、左右，相當(dāng)于燃油車 1/3 至 1/4 的消費(fèi) 價(jià)格。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 大功率電動(dòng)汽車充電機(jī)的輸入為額定線電壓380V 50Hz 的三相交流電，輸出額定電壓 700V,額定電流600A。 系統(tǒng)采用19標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、外型美 觀大方。外型尺寸：高X寬X深為 2200mrK600mrX600mm采用60個(gè)模塊并聯(lián)，每個(gè)模 塊10A/700V,模塊尺寸：高X寬X深為 133mrX 425mrX 270mm 15層4列，分四個(gè)柜體安放， 四個(gè)柜體可分開(kāi)運(yùn)輸，使用時(shí)緊湊左右排列。機(jī)架前 門(mén)、后門(mén)均為雙開(kāi)門(mén)，方便檢修。電源進(jìn)線和匯流排輸 出位置均在底部輸入。電源輸入斷路器及監(jiān)控單元觸摸 屏安裝在主

10、機(jī)中間控制柜前部。充電機(jī)控制結(jié)構(gòu)示意圖 如圖2所示。 圖2充電機(jī)控制結(jié)構(gòu)示意圖 開(kāi)關(guān)電源主回路設(shè)計(jì) 電動(dòng)汽車充電機(jī)采用的大功率高頻開(kāi)關(guān)電源的原理框圖 如圖3所示，由三相橋式不可控整流電路對(duì)三相交流輸 入進(jìn)行濾波整流，功率因數(shù)校正預(yù)穩(wěn)壓800V后經(jīng)高頻 DC/DC半橋功率變換器，濾波輸出直流 700V為動(dòng)力蓄電 池充電。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，變壓器采用雙E65磁芯，初級(jí) 線圈12匝，則根據(jù)輸出電壓最高700V輸入電壓最低 780V最大占空比0.95可求得次級(jí)繞組圈數(shù)N2, N2=(12/780) X (700/0.95)=11.33，考慮漏感、次級(jí)整 流壓降等因素取N2為12匝。 1 1 1 i L r

11、r 4 E it 1 ji-C piq 1 J印1 i 圖3充電機(jī)電源的原理框圖 由于電動(dòng)汽車充電機(jī)為非線性負(fù)荷，會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)電 網(wǎng)是一種污染。必須采取有效措施，如功率因數(shù)校正或 無(wú)功補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，限制電動(dòng)汽車充電機(jī)進(jìn)入電網(wǎng)的總諧 波量。為提高功率因數(shù)，降低輸入電網(wǎng)諧波，采用有源 功率因數(shù)校正電路，如圖4所示。它米用三相三開(kāi)關(guān)三 電平BOOS電路，工作在連續(xù)模式，開(kāi)關(guān)采用兩個(gè) MOSFE組合成的雙向開(kāi)關(guān)。圖中，開(kāi)關(guān) S1, S2, S3是 雙向開(kāi)關(guān)。由于電路的對(duì)稱性，電容中點(diǎn)電位 VM與電 網(wǎng)中點(diǎn)的電位近似相同，因而通過(guò)雙向開(kāi)關(guān) S1、S2、S3 可分別控制對(duì)應(yīng)相上的電流。開(kāi)關(guān)合上時(shí)對(duì)應(yīng)相上的

12、電 流幅值增大，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)橋臂上的二極管導(dǎo)通（電 流為正時(shí)，上臂二極管導(dǎo)通；電流為負(fù)時(shí)，下臂二極管 導(dǎo)通）。在輸出電壓的作用下Boost電感上的電流減 小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。其控制電路采用三個(gè)控制 芯片UC3854A相電壓通過(guò)三相隔離變壓器向 UC3854A 提供同步信號(hào)和預(yù)校正信號(hào)，電流反饋采用霍爾電流互 感器，分別控制三個(gè)開(kāi)關(guān)，形成三個(gè)電流反饋內(nèi)環(huán)和一 個(gè)電壓反饋外環(huán)的多閉環(huán)系統(tǒng)。該電路的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，每相僅需一個(gè)功率開(kāi)關(guān)。具有三電平特性諧波電 流小，開(kāi)關(guān)管電壓電流應(yīng)力小。不需要中線，無(wú)三次諧 波，滿載時(shí)功率因數(shù)很高。開(kāi)關(guān)應(yīng)力小，關(guān)斷壓降低， 開(kāi)關(guān)損耗低，共模EMI低 圖4三

13、相三開(kāi)關(guān)三電平 APFC電路拓?fù)鋱D DC/DC功率變換器采用半橋電路拓?fù)洌β势骷?，?制簡(jiǎn)單，可靠性高。如圖5所示，采用MOSFE和IGBT 并聯(lián)技術(shù)，充分利用了 MOSFE開(kāi)關(guān)速度快和IGBT導(dǎo)通 壓降低的優(yōu)點(diǎn)。在電路上采取措施，使得 MOSFE的關(guān) 斷時(shí)間比IGBT延遲一定的時(shí)間，大大減小了 IGBT的電 流拖尾，降低了開(kāi)關(guān)通態(tài)損耗，提高了效率和可靠性， 使得半橋電路的輸出功率可以實(shí)現(xiàn) 7kW其輸出側(cè)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。由于輸出電壓較高，全橋整流對(duì)變壓器利用率高， 比較適合用于這種場(chǎng)合。 圖5 MOSFET/IGBT并聯(lián)組合開(kāi)關(guān)電路 圖6 PWM雖迫均流法工作框圖 系統(tǒng)采用PWM迫均流法，工作框圖如圖6所示。這是 一種系統(tǒng)電壓控制和強(qiáng)迫均流相結(jié)合的改進(jìn)方法，其工 作原理是將系統(tǒng)母線電壓 Us和系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓Ur相比 較產(chǎn)生誤差電壓Ue,用該誤差電壓控制PWM調(diào)制器，得 到的PWM信號(hào)去控制每一模塊的電流。每個(gè)模塊的電流 要求信號(hào)都是相同的，PWMt號(hào)通過(guò)光耦與模塊的輸出 電