【正文】 2020 年 6 月 I 電動(dòng) 汽車動(dòng)力電池充電系統(tǒng)功率部分設(shè)計(jì) 摘要 為滿足電動(dòng)汽車蓄電池?zé)o損傷快速充電的需求 , 將大功率開(kāi)關(guān)電源變換技術(shù)應(yīng)用于充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電系統(tǒng)功率部分。結(jié)合實(shí)際充電要求 , 在電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的總體方案的基礎(chǔ)上 , 就方案中涉及到的大功率充電電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇 , 進(jìn)行了并具體介紹了控制電路及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。文章所研究的 充電系統(tǒng)為新型電動(dòng)汽車提供了一種可靠有效的充電設(shè)備 , 具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)還增加了多種保護(hù)電路措施，安全性符合車用設(shè)備的通用規(guī)范，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。汽車作為正逐步走進(jìn)人們消費(fèi)能力范圍的商品，將隨著人口數(shù)量的大幅度增加而增加。假設(shè)這些汽車仍然采用現(xiàn)有的依靠燃燒汽油的方式獲得動(dòng)力，那么消耗的汽油量將是一個(gè)十分驚人的數(shù)據(jù)。 目前，大多數(shù)電機(jī)車使用的電源都是鉛酸蓄電池 組。相應(yīng)的，蓄電池的充電技術(shù)也引起了普遍地關(guān)注。這時(shí)需要時(shí)間一般為 10多個(gè)小時(shí)，甚至 20多個(gè)小時(shí)，充電時(shí)間長(zhǎng)，而且使用不便。國(guó)內(nèi)外多年來(lái)的實(shí)踐證明，鉛酸蓄電池浮充電壓偏差 5%，電池的浮充壽命將減少一半。智能充電是使實(shí)際充電電流能夠動(dòng)態(tài) 地跟蹤電池可接受的充電電流。 在這樣的背景下，各國(guó)政府都投入了大量的人力物力來(lái)研制和開(kāi)發(fā)清潔、環(huán)保的電動(dòng)汽車。如美國(guó)的“新一代汽車合作伙伴”項(xiàng)目 (partnership for a New Generation of VehiclesPNGV)，日本新能源與工 業(yè)技術(shù)發(fā)展組織 (New Energy and Industrial Technology Development OrganizationNEDO)協(xié)調(diào)所謂的“先進(jìn)清潔燃料汽車計(jì)劃”等。經(jīng)過(guò)科研工作者的努力，大量的新技術(shù)成果得到應(yīng)用。 90 年代，電動(dòng)汽車的研發(fā)及產(chǎn)品化便成為世界主要汽車生產(chǎn)廠商的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)。通過(guò) 20 多年的努力，各國(guó)在電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)方面取得不少的突破，電動(dòng)汽車也正朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。隨著汽車走進(jìn)千家萬(wàn)戶成為我們生活中的必需工具，我國(guó)汽車的保有量也在逐年攀升，形成了以紅旗、奇瑞、中華等一大批國(guó)產(chǎn)品牌汽車為主的一股不可忽視的力量。“十五”、“十一五”期間電動(dòng)汽車列入國(guó)家 863 計(jì)劃。通過(guò)自主品牌的研發(fā)，我國(guó)也涌現(xiàn)出了一大批高新技術(shù)成果，這些都極大的促進(jìn)了民族汽車工業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，縮小了我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展水平與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，實(shí)現(xiàn)了汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展 。因此通過(guò)開(kāi)發(fā)與動(dòng)力電池特性相配套的快速充電器，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地方便快速的對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，能夠有效延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，更有利于電動(dòng)汽車的推廣。因此，鉛酸蓄電池的充電技術(shù)將對(duì)電動(dòng)車的快速發(fā)展起到關(guān)鍵性的作用。但是后來(lái)由于汽車用的發(fā)動(dòng)機(jī)性能大大提高，這一提法也逐漸被人們所淡忘。 所謂電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。 純電動(dòng)汽車是以動(dòng)力蓄電池作為動(dòng)力源，利用牽引變流器以及大功率異步電動(dòng)機(jī)，將動(dòng)力蓄電池的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，進(jìn)而通過(guò)傳動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)車輛。預(yù)計(jì)不久的將來(lái)，隨著電池技術(shù)的革新，配套設(shè)施的建成，成熟標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)政策的出臺(tái)，純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程將得到大幅度提高，同時(shí)成本也將大幅下降。 純電動(dòng)汽車具有零排放、能源利用率 高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲小、原料廣等優(yōu)點(diǎn)，但是受現(xiàn)階段電池技術(shù)、配套設(shè)施及相關(guān)政策等的影響，純電動(dòng)汽車在續(xù)駛里程、成本、充電時(shí)間、蓄電池使用壽命等方面還有待進(jìn)一步的改善。另外小型、低速、特種用途的純電動(dòng)汽車也在不斷發(fā)展。 2020 年，日本推出首款純電動(dòng)汽車 —— 葉子，在世界車展會(huì)上，以其輕巧的設(shè)計(jì)、出色的性能受到各國(guó)的高度關(guān)注。比亞迪、吉利、奇瑞 2020年都紛紛推出自己的純電動(dòng)汽車。為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，履行企業(yè)職責(zé)，國(guó)家電網(wǎng)公司巨資建設(shè)充電站、充電樁以及研發(fā)高效的大容量充電器。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年中，純電動(dòng)汽車的市場(chǎng)占有率將大幅度提高。有理由相信，隨著各國(guó)政府對(duì)于電動(dòng)汽車傾向性政策的陸續(xù)出臺(tái)以及電動(dòng)汽車性能的不斷攀升，將會(huì)形成完整的技術(shù)創(chuàng)新、市場(chǎng)成熟、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的鏈環(huán)，電動(dòng)汽車進(jìn)入千家萬(wàn)戶將不再是夢(mèng)想。充電電源與蓄電池相伴而生，與蓄電池的應(yīng)用和發(fā)展有著密切的關(guān)系，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)交通車輛、電力系統(tǒng) 、煤炭礦山、不間斷電源、便攜電子產(chǎn)品等國(guó)民生活的各個(gè)領(lǐng)域，并且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，充電電源的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。蓄電池的充電脈沖采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，對(duì)充電電源和蓄電池組成的閉合環(huán)路系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集用計(jì)算機(jī)進(jìn)行全方位的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。為減輕充電電源的重量和提高充電效率，可以采用高頻化、軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電源。高集成度的充電電源不僅有利于充 電電源的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，還能有效縮小體積，便于電動(dòng)汽車的攜帶和放置。 相控電源是比較傳統(tǒng)的電源，它是將市電直接經(jīng)過(guò)整流濾波后輸出直流，再通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通相位角，來(lái)控制整流器的輸出電壓。目前相控電源己經(jīng)有逐步被淘汰的趨勢(shì)。線性電 源的功率調(diào)整管總是工作在放大區(qū)，流過(guò)的電流是連續(xù)的。 對(duì)于鉛酸蓄電池來(lái)講，傳統(tǒng)的充電方法主要有恒流充電，恒壓充電和先恒流后恒壓充電。 針對(duì)傳統(tǒng)的充電方法充電緩慢、轉(zhuǎn)換效率低下、安全性能不好等缺點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外陸續(xù)提出了一些新興快速的充電方法，如分級(jí)定流充電法，脈沖式充電法，定化學(xué) 反應(yīng)狀態(tài) 4 法，變電流間歇 /定電壓充電法、變電壓間歇充電法等。這些充電方法的原理絕大多數(shù)都是在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，以便使其充電電流能夠更好的逼近蓄電池的可接受充電電流曲線。這種充電方法開(kāi)始擺脫傳統(tǒng)充電方法的束縛，將模糊控制技術(shù)引入充電方法，利用模糊控制本身適合處理多輸入多輸出非線性系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，能夠更好的處理蓄電池充電過(guò)程中的時(shí)變性和抗干擾等常規(guī)控制方法所難以解決的問(wèn)題。 功率因數(shù)校正技術(shù)的必要性及發(fā)展現(xiàn)狀 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)通信設(shè)備日益普及，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種不同的領(lǐng)域，電網(wǎng)的諧波污染以及輸入端功率因數(shù)低等問(wèn)題也顯得日益突出。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于一些非線性元件的存在，導(dǎo)致輸入的交流電流嚴(yán) 重畸變，包含大量的諧波。因此使用功率因數(shù)校正技術(shù)把諧波污染控制在較小的范圍內(nèi)已是當(dāng)務(wù)之急。采用現(xiàn)代高頻功率變換技術(shù)的功率因數(shù)校正 (PFC)技術(shù)是解決諧波污染最有效的手段。功率因數(shù)校正 的目的，就是采用一定的控制方法，使電源的輸入電流跟隨輸入電壓，功率因數(shù)接近 1。 1986 年美國(guó)公布“功率因數(shù)等于 1”的專利，這是最早的比較完整的升壓式功率因數(shù)電路，這一時(shí)期是現(xiàn)代有源功率因數(shù)校正技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段，當(dāng)時(shí)的研究工作主要集中在工作于連續(xù)導(dǎo)電模式 (Continuous Conduction Mode， CCM) 下的升壓變換器，這種控制方法主要是基于乘法器 控制技術(shù)，適用于大功率變換器。 近十年來(lái)，功率因數(shù)校正技術(shù)的研究熱點(diǎn)集中于新拓?fù)涞奶岢觥⑿碌目刂品椒ǖ奶岢鲆约皢渭?jí) PFC 變換器的研究。主要 技術(shù)指標(biāo)：交流輸入電壓： 5 220V177。本文主要針對(duì)電動(dòng)車用鉛酸蓄電池自身的特點(diǎn)，研究如何建立一個(gè)良好的鉛酸蓄電池充電系統(tǒng)。因此該課題的研究具有很好的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。 可見(jiàn)，功率因數(shù)由輸入電流的波形畸變因數(shù) ? 以及基波電壓和基波電流的位移因數(shù)?COS 決定。從上式可見(jiàn)，抑制諧波分量即可達(dá)到增大 ? ，提高功率因數(shù)的目的。電感性負(fù)載的電壓和電流的相量間存在著一個(gè)相位差， 通常用相位角φ的余弦 cosφ來(lái)表示。 功率因數(shù)分為自然功率因數(shù)、瞬時(shí)功率因數(shù)和加權(quán)平均功率因數(shù)。自然功率因數(shù)的高低主要取決于用電設(shè)備的負(fù)荷性質(zhì)，電阻性負(fù)荷 (白熾燈、電阻爐 )的功率因數(shù)較高，等于 1，而電感性負(fù)荷 (電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī) )的功率因數(shù)比較低，都小于 1。瞬時(shí)功率因數(shù)是隨著用電設(shè)備的類型、負(fù)荷的大小和電壓的高低而時(shí)刻在變化。 圖 一般 APFC原理框圖 7 從圖 可以看出 APFC 基本電路就是一種開(kāi)關(guān)電源，但它與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別在于： DC/DC 變換之前沒(méi)有濾波電容，電壓是全波整流器輸出的半波正弦脈動(dòng)電壓，這個(gè)正弦半波脈動(dòng)直流電壓和整流器的輸出電流與輸出的負(fù)載電壓都受到實(shí)時(shí)的檢測(cè)與監(jiān)控，其控制的結(jié)果是達(dá)到全波整流器輸入功率因數(shù)近似為 1。 利用功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流波形完全跟蹤交流輸入電壓波形，使輸入電流波形呈純正弦波，并且和輸入電壓同相位，此時(shí)整流器的負(fù)載可等效為純電阻。無(wú)源校正電路通常由大容量的電感，電容組成。 所謂功率因數(shù)校正 (PFC)，就是在整流電路與負(fù)載之間增加一個(gè)功率變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂品椒ú粩嗾{(diào)節(jié)輸入電流，使其跟蹤輸入正弦波電壓波形，將輸入電流校正成與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，因而功率因數(shù)可提高到近似為 1。即對(duì)電路采取措施，使輸入電流波形接近正弦波并與輸入電壓同相位，電流正弦化便使 ? =1，同相位就是因數(shù) cos? =1。 有源功率因數(shù)校正分類按電路結(jié)構(gòu)分為：降壓式、升 /降壓式、反激式、升壓式。 按輸入電流的控制原理分 為： 平均電流型 （ 工作頻率固定，輸入電流連續(xù) ）、 滯后電流型 、 峰值電流型 、 電壓控制型 。由于輸入電流 8 被 “ 削尖 ” ，在電路上對(duì)輸入電流波形需要進(jìn)行斜率補(bǔ)償。一般設(shè)計(jì)輸出濾波電路時(shí)，按最低工作頻率考慮，所以，開(kāi)關(guān)電源的體積和重量是最小的，工作損耗最小。THD 值小，對(duì)噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小，具有恒定的工作頻率，可以任意拓?fù)涓鞣N控制電路，輸入電壓可以隨便調(diào)節(jié)。 控制法 是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容，負(fù)載的無(wú)功功率將由它來(lái)緩沖，直流電壓比較平穩(wěn)，直 流電源內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器，常選用于負(fù)載電壓變化較大的場(chǎng)合。 圖 幾種控制方法的輸入電流波形圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 1 充電系統(tǒng)功率部分總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 充電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)流程框圖 如圖 整個(gè)電路采用了 AC/DC DC/DC 的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) , 首先是 220V 的交流市電經(jīng) EMI濾波、 APFC 校正電路變?yōu)?380V 的直流 , 然后經(jīng) DC/DC 半橋變換及相應(yīng)的控制電路 , 保證輸出電流電壓滿足充電電池的需求。 DC/DC 變換采用半橋式拓?fù)?, 主要由高頻變壓器、 MOSFET 管以及 LC 濾波電路組成。 Boost 有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì) BOOST 變換器的工作原理和控制方式 Boost PFC電路是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的有源功率因數(shù)校正電路，主電路由不控整流電路、電感、開(kāi)關(guān)管和濾波電容組成。 PFC電路主要完成兩項(xiàng)任務(wù)： (1)控制電感電流，使輸交流輸入 EMI 濾波 整流濾波 電路 APFC 電路 半橋電路 整流濾波 電路 動(dòng)力電池 ICE2PCS01 FAN7390 驅(qū)動(dòng) SG3525雙路PWM波生成 電壓電流反饋 電壓，電流溫度檢測(cè) 保護(hù)電路 光耦隔離 10 入電流正弦化保證 其失真因數(shù)接近于 1，并使輸入電流基波跟隨輸入電壓相位； (2)控制輸出電壓，使輸出電壓保持恒定。 Boost 變換電路組成如圖 所示。開(kāi)關(guān)管 Q 仍為 PWM 控制方式，但它的最大占空比 yD 必須限制，不允許在 1?yD 情況下工作， Boost 變換器有兩種基本的工作方式，一種是電感電流連續(xù)工作方式 (CCM)，另一種是電感電流斷續(xù)工作方式 (DCM)。 圖 Boost變換器的電路圖 當(dāng)電路中的電感電流工作在連續(xù)模式下， Boost 變換器存在兩種開(kāi)關(guān)模式，如下圖(a)和 (b)所示，同時(shí)圖 給出了 Boost 變換器在電感電流連續(xù)模式 (CCM)下工作的主要波形圖。 APFC 技術(shù)適應(yīng)電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常用儲(chǔ)能電感 L 和高頻開(kāi)關(guān) Q 組合，使輸入電流正弦化通常有以下幾種形式：升壓式 (Boost)電路，降壓式 (Buck)電路，反激式 (Flyback)變換器電路，降 /升壓 (BuckBoost)混合電路等幾種形式。 平均電流控制模式的 Boost PFC 電路工作原理 平均電流控制的 Boost PFC 電路具有 總諧波失真（ THD)值小，對(duì)噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小、可用于較大功率場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，成為我們?cè)O(shè)計(jì)的首選方案。在這種 APFC 控制方法中，采用了電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)，其中電流控制環(huán)使輸入電流更接近正弦波，電壓控制環(huán)使 Boost 電路輸出的電壓更穩(wěn)定。 12 圖 Boost APFC 電路平均電流控制原理圖