大功率電動汽車充電機的方案設計書

1、大功率電動汽車充電機的設計（圖） 作者：何占偉劉捷王志本 叵純電動汽車以鋰電池為動力源，充滿電后，以電力做 功推動汽車。不同于汽油發(fā)動機汽車需要添加汽油，純 電動汽車在電力耗光后通過外置電源對其進行充電，通 常單次行駛里程在100200公里。與傳統汽車相比， 純電動車在使用成本上有看無以比擬的優(yōu)勢，百公里約 消耗15度電，成本8元，僅相當于汽油發(fā)動機汽車成 本1/10。目前，國家已看手進行電動汽車和新能源汽車 的示范推廣，電動汽車充電站則是主要環(huán)節(jié)之一，必須 與電動汽車其他領域實現共同協調發(fā)展。 充電模式 電動汽車能源供給系統主要由供電系統、充電系統和動 力蓄電池構成。另外，還包括充電監(jiān)控、電

2、池管理和煙 霧報警監(jiān)控等。充電機是充電系統的重要組成部分。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，對于容量不超 過5kW的交流充電機，輸入為額定電壓 220V 50Hz的 單相交流電，對于容量大于5kW的交流充電機，輸入為 額定線電壓380V 50Hz的三相交流電。將交流插頭直 接插在電動汽車充電接口，充電時間大約需要 48小 時?？焖俪潆姸酁橹绷鞒潆姡绷鞒潆姍C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 700V,輸出電流一般不超過700A。交流輸入隔離型 AC/DC充電機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，功率因數應大于0.85 ,效率 應不小于90% 充電機應能夠保證在充電過程中動力蓄電池單體電壓、 溫度和電流不超過允許值。充電機應具備防輸出短路和 防反接功能。充電機至少能為以下三種類型動力蓄電池 中的一種充電：鋰離子蓄電池、鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電 池。 動力電池組充電模式采用“恒流恒壓”兩階段充電模 式。充電開始階段，一般采用最優(yōu)充電倍率 （ 鋰離子電 池為 0.3C） 進行恒流充電。 （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，由于電池的電動勢較低，即使電池充電電壓不高， 電池的充電流也會很大，必須對充電電流加以限制。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)，電池電動勢不斷上升，充電 壓也不斷上升。當電池電壓上升到允許的最高充電電壓 時，保持恒壓充電。在這一階段，由于電池電動勢還在 不斷上升，而充電電壓又保持不變，所以電池的充電流 呈雙曲線趨勢不斷下降，一直下降到零。但在實際充電 過程中，當充電電流減小到 0.015C 時，說明充電已滿 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。這是鋰離子動力電 池組對充電模式的基本要求。此外，充電系統還必須具 有自動調節(jié)充電參數、自動控制和自動保護功能。尤其 在恒壓充電階段，如果單體電池的充電電壓

5、超過允許的 充電電壓時，充電機應能自動減小充電電壓和電流，使 該電池的充電電壓不超過允許的充電電壓，防止該電池 過壓充電。充電過程及充電電壓、電流的變化如圖 1 所 示。 圖1充電曲線（n為電池組中串聯的單體電池個數） 根據電池的充電特性和電動汽車動力電池組的充電要 求，常用充電設備為充電機，可分為直流充電機和脈沖 充電機兩類。直流充電機就是把電網電源經過整流濾波 后隔離穩(wěn)壓輸出直流電源，供給動力電池組進行充電。 目前使用最多的直流充電機是高頻開關電源充電機。它 具有體積小、重量輕、工作可靠、效率高、功率因數 高、電網適應能力強、功率可小可大，容易實現智能化 等優(yōu)點。脈沖充電機可以減少電池在充

6、電時產生的極化 現象，從而提高電池的充電效率，減少充電時間，實現 快速充電，但脈沖充電器技術有待進一步研究。 電動汽車充電時間長，充電難是電動汽車推廣應用的一 個難題。以一輛大型鋰動力電動大巴為例，配置電池容 量700Ah。最大充電電流210A（相當于700AH電池容量 的0.3C充電率），最高充電電壓 700V （相當于165只 最高充電電壓4.2V左右的鋰電池單體串聯電壓），那 么需要充電器的最大輸出功率為 245kW按最優(yōu)充電要 求對電動汽車充電的充電時間，至少需要3小時。因 此，電動汽車的充電方式不能像燃油汽車在加油站加油 那樣進行充電。如果20分鐘快速充滿電，至少要用3C 的充電倍率

7、進行充電，這對于磷酸鐵鋰鋰離子電池來說 是可能的。 綜上所述，電動汽車的充電還是采用普通充電為主、快 速補充充電為輔的充電方式。對于電動公交車而言，充 電站設在公交車總站內。在晚間下班后利用低谷充電， 時間56小時。全天運行的車輛，續(xù)駛里程不夠時， 可利用中間休息待班時間進行補充充電。充電器的數量 和容量根據車隊的規(guī)模而定，充電站由車隊管理。例 如， 12輛大型鋰動力電動大巴需要 12 臺充電機?？焖?充電時，可用 6 臺充電機并聯充電，最大輸出功率為 1470kW 最大充電電流2100A （相當于700AH電池的3C 充電率）?；蛘哂?8 臺充電機平時為 8輛電動車輛充 電，每臺輸出最高充電

8、電壓 700V,最大充電電流500A （相當于700AH電池用量0.7C的充電率）。1C3C的 快速充電模式，已經在探討應用，但應確保在電池的安 全和使用壽命的前提下進行。按照上述充電機的最大功 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油電混合動力車和純電 動汽車。以比亞迪E6純電動汽車為例，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,標稱電壓316.8V （相當于96只充電電壓3.3V左 右的磷酸鐵鈷鋰電池單體串聯電壓）。充電器的輸出功 率為192kW快速充電時間15分鐘充滿80%百公里能 耗為 21.5 度電

9、左右，相當于燃油車 1/3 至 1/4 的消費 價格。 系統結構 大功率電動汽車充電機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。 系統采用19標準機架，結構緊湊、布局合理、外型美 觀大方。外型尺寸：高X寬X深為 2200mrK600mrX600mm采用60個模塊并聯，每個模 塊10A/700V,模塊尺寸：高X寬X深為 133mrX 425mrX 270mm 15層4列，分四個柜體安放， 四個柜體可分開運輸，使用時緊湊左右排列。機架前 門、后門均為雙開門，方便檢修。電源進線和匯流排輸 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、機中間控制柜前部。充電機控制結構示意圖 如圖2所示。 圖2充電機控制結構示意圖 開關電源主回路設計 電動汽車充電機采用的大功率高頻開關電源的原理框圖 如圖3所示，由三相橋式不可控整流電路對三相交流輸 入進行濾波整流，功率因數校正預穩(wěn)壓800V后經高頻 DC/DC半橋功率變換器，濾波輸出直流 700V為動力蓄電 池充電。經過分析計算，變壓器采用雙E65磁芯，初級 線圈12匝，則根據輸出電壓最高700V輸入電壓最低 780V最大占空比0.95可求得次級繞組圈數N2, N2=(12/780) X (700/0.95)=11.33，考慮漏感、次級整 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充電機電源的原理框圖 由于電動汽車充電機為非線性負荷，會產生諧波，對電 網是一種污染。必須采取有效措施，如功率因數校正或 無功補償等技術，限制電動汽車充電機進入電網的總諧 波量。為提高功率因數，降低輸入電網諧波，采用有源 功率因數校正電路，如圖4所示。它米用三相三開關三 電平BOOS電路，工作在連續(xù)模式，開關采用兩個 MOSFE組合成的雙向開關。圖中，開關 S1, S2, S3是 雙向開關。由于電路的對稱性，電容中點電位 VM與電 網中點的電位近似相同，因而通過雙向開關 S1、S2、S3 可分別控制對應相上的電流。開關合上時對應相上的

12、電 流幅值增大，開關斷開時對應橋臂上的二極管導通（電 流為正時，上臂二極管導通；電流為負時，下臂二極管 導通）。在輸出電壓的作用下Boost電感上的電流減 小，從而實現對電流的控制。其控制電路采用三個控制 芯片UC3854A相電壓通過三相隔離變壓器向 UC3854A 提供同步信號和預校正信號，電流反饋采用霍爾電流互 感器，分別控制三個開關，形成三個電流反饋內環(huán)和一 個電壓反饋外環(huán)的多閉環(huán)系統。該電路的優(yōu)點在于結構 簡單，每相僅需一個功率開關。具有三電平特性諧波電 流小，開關管電壓電流應力小。不需要中線，無三次諧 波，滿載時功率因數很高。開關應力小，關斷壓降低， 開關損耗低，共模EMI低 圖4三

13、相三開關三電平 APFC電路拓撲圖 DC/DC功率變換器采用半橋電路拓撲，功率器件少，控 制簡單，可靠性高。如圖5所示，采用MOSFE和IGBT 并聯技術，充分利用了 MOSFE開關速度快和IGBT導通 壓降低的優(yōu)點。在電路上采取措施，使得 MOSFE的關 斷時間比IGBT延遲一定的時間，大大減小了 IGBT的電 流拖尾，降低了開關通態(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現 7kW其輸出側采用 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，全橋整流對變壓器利用率高， 比較適合用于這種場合。 圖5 MOSFET/IGBT并聯組合開關電路 圖6 PWM雖迫均流法工作框圖 系統采用PWM迫均流法，工作框圖如圖6所示。這是 一種系統電壓控制和強迫均流相結合的改進方法，其工 作原理是將系統母線電壓 Us和系統的基準電壓Ur相比 較產生誤差電壓Ue,用該誤差電壓控制PWM調制器，得 到的PWM信號去控制每一模塊的電流。每個模塊的電流 要求信號都是相同的，PWMt號通過光耦與模塊的輸出 電