大功率电动汽车充电机的设计

纯电动汽车以锂电池为动力源，充满电后，以电力做功推动汽车。不同于汽油发动机汽车需要添加汽油，纯电动汽车在电力耗光后通过外置电源对其进行充电，通常单次行驶里程在100～200公里。与传统汽车相比，纯电动车在使用成本上有着无以比拟的优势，百公里约消耗15度电，成本8元，仅相当于汽油发动机汽车成本1/10。目前，国家已着手进行电动汽车和新能源汽车的示范推广，电动汽车充电站则是主要环节之一，必须与电动汽车其他领域实现共同协调发展。

充电模式
电动汽车能源供给系统主要由供电系统、充电系统和动力蓄电池构成。另外，还包括充电监控、电池管理和烟雾报警监控等。充电机是充电系统的重要组成部分。充电站给汽车充电一般分为三种方式：普通充电、快速充电、电池更换。普通充电多为交流充电，对于容量不超过5kW的交流充电机，输入为额定电压220V、50Hz的单相交流电，对于容量大于5kW的交流充电机，输入为额定线电压380V、50Hz的三相交流电。将交流插头直接插在电动汽车充电接口，充电时间大约需要4～8小时。快速充电多为直流充电，直流充电机输入为额定线电压380V、50Hz的三相交流电，输出电压一般不超过700V，输出电流一般不超过700A。交流输入隔离型AC/DC充电机的输出电压为额定电压的50%～100%，并且输出电流为额定电流时，功率因数应大于0.85，效率应不小于90%。

充电机应能够保证在充电过程中动力蓄电池单体电压、温度和电流不超过允许值。充电机应具备防输出短路和防反接功能。充电机至少能为以下三种类型动力蓄电池中的一种充电：锂离子蓄电池、铅酸蓄电池、镍氢蓄电池。

动力电池组充电模式采用“恒流―恒压”两阶段充电模式。充电开始阶段，一般采用最优充电倍率(锂离子电池为0.3C)进行恒流充电。(C是电池的容量，如C=800mAh，1C充电率即充电电流为800mA）在这一阶段，由于电池的电动势较低，即使电池充电电压不高，电池的充电流也会很大，必须对充电电流加以限制。所以，这一阶段的充电叫“恒流”充电，充电电流保持在限流值。随着充电的延续，电池电动势不断上升，充电压也不断上升。当电池电压上升到允许的最高充电电压时，保持恒压充电。在这一阶段，由于电池电动势还在不断上升，而充电电压又保持不变，所以电池的充电流呈双曲线趋势不断下降，一直下降到零。但在实际充电过程中，当充电电流减小到0.015C时，说明充电已满就可停止充电。这一阶段的充电叫“恒压”充电，这一阶段的充电电压：U=E+IR为恒压值。这是锂离子动力电池组对充电模式的基本要求。此外，充电系统还必须具有自动调节充电参数、自动控制和自动保护功能。尤其在恒压充电阶段，如果单体电池的充电电压超过允许的充电电压时，充电机应能自动减小充电电压和电流，使该电池的充电电压不超过允许的充电电压，防止该电池过压充电。充电过程及充电电压、电流的变化如图1所示。

图1 充电曲线（n为电池组中串联的单体电池个数）

根据电池的充电特性和电动汽车动力电池组的充电要求，常用充电设备为充电机，可分为直流充电机和脉冲充电机两类。直流充电机就是把电网电源经过整流滤波后隔离稳压输出直流电源，供给动力电池组进行充电。目前使用最多的直流充电机是高频开关电源充电机。它具有体积小、重量轻、工作可靠、效率高、功率因数高、电网适应能力强、功率可小可大，容易实现智能化等优点。脉冲充电机可以减少电池在充电时产生的极化现象，从而提高电池的充电效率，减少充电时间，实现快速充电，但脉冲充电器技术有待进一步研究。

电动汽车充电时间长，充电难是电动汽车推广应用的一个难题。以一辆大型锂动力电动大巴为例，配置电池容量700Ah。最大充电电流210A（相当于700AH电池容量的0.3C充电率），最高充电电压700V（相当于165只最高充电电压4.2V左右的锂电池单体串联电压），那么需要充电器的最大输出功率为245kW。按最优充电要求对电动汽车充电的充电时间，至少需要3小时。因此，电动汽车的充电方式不能像燃油汽车在加油站加油那样进行充电。如果20分钟快速充满电，至少要用3C的充电倍率进行充电，这对于磷酸铁锂锂离子电池来说是可能的。

综上所述，电动汽车的充电还是采用普通充电为主、快速补充充电为辅的充电方式。对于电动公交车而言，充电站设在公交车总站内。在晚间下班后利用低谷充电，时间5～6小时。全天运行的车辆，续驶里程不够时，可利用中间休息待班时间进行补充充电。充电器的数量和容量根据车队的规模而定，充电站由车队管理。例如，12辆大型锂动力电动大巴需要12台充电机。快速充电时，可用6台充电机并联充电，最大输出功率为1470kW，最大充电电流2100A（相当于700AH电池的3C充电率）。或者用8台充电机平时为8辆电动车辆充电，每台输出最高充电电压700V，最大充电电流500A（相当于700AH电池用量0.7C的充电率）。1C～3C的快速充电模式，已经在探讨应用，但应确保在电池的安全和使用寿命的前提下进行。按照上述充电机的最大功率配置，电力变压器有效总功率约为3000kW以上。

目前汽车各大厂商纷纷研制上产油电混合动力车和纯电动汽车。以比亚迪E6纯电动汽车为例，电池类型为磷酸铁钴锂电池，配置电池容量200Ah，3C的充电电流为600A，标称电压316.8V（相当于96只充电电压3.3V左右的磷酸铁钴锂电池单体串联电压）。充电器的输出功率为192kW。快速充电时间15分钟充满80%。百公里能耗为21.5度电左右，相当于燃油车1/3至1/4的消费价格。

系统结构
大功率电动汽车充电机的输入为额定线电压380V、50Hz的三相交流电，输出额定电压700V，额定电流600A。系统采用19"标准机架，结构紧凑、布局合理、外型美观大方。外型尺寸：高×宽×深为2200mm×600mm×600mm。采用60个模块并联，每个模块10A/700V，模块尺寸：高×宽×深为133mm×425mm×270mm，15层4列，分四个柜体安放，四个柜体可分开运输，使用时紧凑左右排列。机架前门、后门均为双开门，方便检修。电源进线和汇流排输出位置均在底部输入。电源输入断路器及监控单元触摸屏安装在主机中间控制柜前部。充电机控制结构示意图如图2所示。

图2 充电机控制结构示意图

开关电源主回路设计
电动汽车充电机采用的大功率高频开关电源的原理框图如图3所示，由三相桥式不可控整流电路对三相交流输入进行滤波整流，功率因数校正预稳压800V后经高频DC/DC半桥功率变换器，滤波输出直流700V为动力蓄电池充电。经过分析计算，变压器采用双E65磁芯，初级线圈12匝，则根据输出电压最高700V、输入电压最低780V、最大占空比0.95可求得次级绕组圈数N2，N2=(12/780)×(700/0.95)=11.33，考虑漏感、次级整流压降等因素取N2为12匝。

图3 充电机电源的原理框图

由于电动汽车充电机为非线性负荷，会产生谐波，对电网是一种污染。必须采取有效措施，如功率因数校正或无功补偿等技术，限制电动汽车充电机进入电网的总谐波量。为提高功率因数，降低输入电网谐波，采用有源功率因数校正电路，如图4所示。它采用三相三开关三电平BOOST电路，工作在连续模式，开关采用两个MOSFET组合成的双向开关。图中，开关S1，S2，S3是双向开关。由于电路的对称性，电容中点电位VM与电网中点的电位近似相同，因而通过双向开关S1、S2、S3可分别控制对应相上的电流。开关合上时对应相上的电流幅值增大，开关断开时对应桥臂上的二极管导通(电流为正时，上臂二极管导通；电流为负时，下臂二极管导通)。在输出电压的作用下Boost电感上的电流减小，从而实现对电流的控制。其控制电路采用三个控制芯片UC3854A，相电压通过三相隔离变压器向UC3854A提供同步信号和预校正信号，电流反馈采用霍尔电流互感器，分别控制三个开关，形成三个电流反馈内环和一个电压反馈外环的多闭环系统。该电路的优点在于结构简单，每相仅需一个功率开关。具有三电平特性谐波电流小，开关管电压电流应力小。不需要中线，无三次谐波，满载时功率因数很高。开关应力小，关断压降低，开关损耗低，共模EMI低。

图4 三相三开关三电平APFC电路拓扑图

DC/DC功率变换器采用半桥电路拓扑，功率器件少，控制简单，可靠性高。如图5所示，采用MOSFET和IGBT并联技术，充分利用了MOSFET开关速度快和IGBT导通压降低的优点。在电路上采取措施，使得MOSFET的关断时间比IGBT延迟一定的时间，大大减小了IGBT的电流拖尾，降低了开关通态损耗，提高了效率和可靠性，使得半桥电路的输出功率可以实现7kW。其输出侧采用的整流方式有半波整流，中心抽头全波整流及全桥整流。由于输出电压较高，全桥整流对变压器利用率高，比较适合用于这种场合。

图5 MOSFET/IGBT并联组合开关电路

图6 PWM强迫均流法工作框图

系统采用PWM强迫均流法，工作框图如图6所示。这是一种系统电压控制和强迫均流相结合的改进方法，其工作原理是将系统母线电压Us和系统的基准电压Ur相比较产生误差电压Ue，用该误差电压控制PWM调制器，得到的PWM信号去控制每一模块的电流。每个模块的电流要求信号都是相同的，PWM信号通过光耦与模块的输出电流进行比较，调节模块参考电压，从而改变输出电压，调节输出电流，实现均流。这样，每个模块都相当于电压控制的电流源。这种均流方式精度高，动态响应好，可控制模块多，可以很方便地组成冗余系统。强迫均流依赖于某一模块，如果该模块失效，则无法均流，所以必须设计模块故障退出功能。在强迫均流中，系统模块数可达100个，即使模块电压相差较大，参数设置好后不需任何调整，均流精度优于1％,负载响应快，无振荡现象，满足应用需要。