集成式电动汽车用车载充电器的研究_熊云

1、集成式电动汽车用车载充电器的研究熊云1 钟再敏 1 孙泽昌1 牛宇航2（1.同济大学；2.上海燃料电池汽车动力系统有限公司）【摘要】论述了一种应用于电动汽车的集成式多功能车载充电器的开发与应用背景，介绍了该款充电器的主电路结构、工作原理和主要特点，并应用计算机仿真技术对产品设计进行了检验与优化。对样机进行了功能与性能测试试验，结果表明，该款充电器具备高效和运行稳定的特点，适合车载运行。主题词：电动汽车 车载充电器 集成式中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：10003703（2009）11002004 1前言电动汽车充电装置总体上可分为非车载充电装置和车载充电装置。非车载充电装置

2、亦称地面充电装置，包括专用充电机、专用充电站、通用充电机、公共场所用充电站等，它可以满足各种电池的各种充电方式要求。通常，非车载充电器的功率、体积和质量均比较大，能够满足各种功率需求。车载充电装置是指安装在电动汽车上的、采用地面交流电网或车载电源对电池组进行充电的装置，包括车载充电机、车载充电发电机组和运行能量回收充电装置，它将交流动力电缆线直接插到电动汽车的插座中给电动汽车充电。车载充电装置通常使用结构简单、控制方便的接触式充电器，也可以是感应充电器，其完全按照车载蓄电池的种类进行设计，针对性较强。本文重点介绍一款车载集成式充电机，其兼具高压交直流充电机与直流转换器的功能特点。2.集成式充电

3、机的电路结构与工作原理该款集成式充电机主要针对上海燃料电池汽车动力系统有限公司自主研发的高、低速微型电动车。但从功能角度，它也适合目前所有配备动力蓄电池的电动汽车。2.1集成式充电机的主电路结构及特点集成式车载充电机，按照功能可划分为交直流高压充电器（Charger）和低压直流变换器（DCL）两部分，具体结构如图1所示。图1集成式车载充电机结构图由图1可知，该集成式充电机的变压器电路为一组输入、两组输出；两组输出电路共用一组控制电路，通过控制充电机变压器输入侧4个开关管的通和断，来实现不同的输入源对应不同的隔离输出电源。因此，该充电机的工作分为两个模式，其电路结构具有以下特点：a.集成度高。在

4、交直流高压充电器基础上，在变压器副边，另外集成了一组绕组线圈以及对应的整流电路，实现了低压直流变换器的功能。通过这种集成方案，不仅降低了成本，而且大大减小了产品体积，便于实现车载运行的要求。b.隔离输出。通过直流变压器的电磁转换，实现了直流直流变压隔离输出。 c.能量转换效率高。主要由于该电路具备实现软开关的条件，通过采用全桥移相控制策略，实现功率管（MOSFET）零电压开通（ZVS），显著提升了电源转换效率。d.控制系统相对复杂。由于集成了Charger和DCL功能，并要求实现软开关达到高转换效率，因此，控制系统必须实现两种工作模式的切换与保护，两种工作模式的恒流、恒压控制与功率限制等功能导

5、致了控制算法相对复杂。2.2集成式充电机的工作原理由图1可知，通过对交流电输入以及动力蓄电池供电继电器的控制，实现了两种工作模式的切换。同时，在输出电流较小的高压输出端，采用开关控制，实现了高、低压的可控输出。另外，结合目前电动车的功率需求以及普通民用电源插座允许输出功率范围，该集成式充电机的额定输出功率为2kW。 a. Charger模式工作原理：将公共电网的220V、50Hz交流电进行整流（包含功率因数调制功能），得到312V的直流电源作为变压器的直流输入，通过全桥变换以及整流处理，可以实现加大范围的直流电压输出，为不同电压等级的动力蓄电池充电。该模式通过闭环控制算法实现恒流输出与恒功率保

6、护等功能。b. DCL模式工作原理：以动力蓄电池的高压直流电源作为变压器的直流输入，通过全桥变换以及整流处理，可以得到稳定的直流电压输出，为12 V蓄电池充电；通过闭环控制算法实现恒压输出与恒功率保护。通过电路结构以及控制逻辑设计，可以确保集成式充电机在某一时刻只能在一种确定的模式下工作；通过计算分析得到关键零部件以及主电路设计能够满足两种工作模式的需求。 3.计算机仿真结果分析针对目前某公司相关车型的需求，相关参数如下：Charger模式下，功率为2kW，输入为220V交流电压，输出为140V直流电压，采用恒定电流控制模式；DCL模式下，功率为1.5kW，输入为140V直流电压，输出为13.

7、5V直流电压，采用恒定电压控制模式。以此为基础，进行变压器铁芯的选型、变压器原副边线圈匝数以及原副边线圈线径的确定。 3.1 Charger模式仿真分析 Charger模式工作时，控制从动力蓄电池到车载充电器变压器铁芯的原边绕组接触器切断，作为高压输出线路开关的MOSFET闭合，并使用220V交流电为整个系统供电，通过整流处理以及全桥变换实现对动力蓄电池进行恒流充电的功能。通过Matlab的仿真工具箱Sim Powersystem对该充电机进行建模仿真，其仿真模型如图2所示。图2 Charger模式仿真模型按2kW的输出功率需求，可得到图3所示的仿真结果：输出高压约为140V，充电电流约为20

8、 A。可知该结果与需求基本相符。图3 Charger模式仿真结果3.2 DCL模式仿真分析在DCL模式下，控制从动力蓄电池到变压器原边电源输入的接触器闭合，作为高压输出线路开关的MOSFET切断，同时，公共电网的220V交流电输入断开，使用动力蓄电池作为变压器原边输入，为12V低压蓄电池供电，其仿真模型如图4所示。图4 DCL模式仿真模型图5为该模型仿真得到的各个电压、电流变化波形，其中动力蓄电池放电电流为7A，输出低压从12V逐渐升到12.25V，输出电流为25A。由仿真结果可以看出，该输出电压略低于设计预期，主要是由于之前的设计忽略了各器件的能量损耗，造成能量输出略低。但是，可对变压器匝数

9、比进行调整以提高DCL模式下的输出电压。该仿真结果基本符合设计预期。通过仿真分析可知，采用高压输出控制、匝数比设计以及PWM占空比控制，可以将DCL模式和Charger模式集成并取得较好的应用效果。其中，重点要关注变压器的匝数比和绕组圈数，另外，控制策略的优化直接影响集成式充电机的运行效率。 图5DCL模式仿真结果4功能样机开发与测试集成式充电机功能样机的开发与测试主要包含硬件设计与开发和软件设计与开发两方面的内容。4.1硬件设计与开发充电机控制器主要由DSP2812与型号为EPM570T100C5的CPLD组合完成。DSP2812实现控制算法、数据采集以及通讯功能，CPLD实现移相控制功能（

10、软开关）、输出PWM控制信号以及过流、过压保护。控制器的PCB布置如图6所示。图6集成式车载充电机控制器PCB布置示意4.2软件设计与开发集成式充电机两种工作模式均采用双闭环控制策略，具有恒流控制与恒压控制功能，具备CAN信号的通讯传输功能，可以接受外部的控制器信号，同时具备实时监控、故障诊断与保护功能。控制系统原理以及两种工作模式下控制系统逻辑框图分别如图7图9所示。 图7Charger和DCL控制系统原理图8Charger控制系统逻辑框图图9 DCL控制系统逻辑框图4.3试验结果分析为验证集成式充电机的实际运行效果，将其置于环境温度40的热烘箱中，采用220V的交流电源以及140V的直流电

11、源作为输入电源，并应用电子负载（由美国TDI公司生产）分别进行了Charger模式和DCL模式下的变负荷加载考核。经过各两小时测试表明，该集中式充电机在两种模式下均能连续稳定工作。实际测试结果见图10图12所示。图10和图11为Charger模式下变压器铁芯原边绕组的电压、电流波形，其转换效率约为83%。图12为DCL模式下直流电源的转换效率曲线，可见在大部分工作区间，其整体效率达到88%左右。整体而言，试验结果和仿真分析结果比较接近。图10 Charger模式下变压器原边电压波形图11Charger模式下变压器原边电流波形图12 DCL模式下工作效率曲线5结束语集中式车载充电机巧妙的将高、低

12、压充电器的功能结合起来，主电路以及功率器件大部分能够复用，具有成本、体积优势；而且，合适的变压器铁芯材料选用以及软开关技术的运用，使得产品具备高功率密度、高转换效率的特点。同时，作为车载变流器，它采用功率因数调制以及隔离变压方式，其安全性符合车用电器设备的通用规范。目前，应用于功能样机的该集成式充电器已经达到先期预期目的。后期主要进行优化工作，包括提高Charger模式下的工作效率、DCL模式下的输出功率及压缩功能样机整体尺寸、提高整机性价比。参考文献1黄俊，王兆安 电力电子变流技术（第三版）.北京 :机械工业出版社，1994. 2高频功率电子学.北京 :科学出版社，1993. 3张卫平.开关变换器的建模与控制.北京：中国电力出版社, 2005. 4蔡宣三 .双环控制的开关电源系统瞬态建模 功率守恒法.电源世界，2002（12）. 5 Slobodart Cuk, M