电动汽车传导式充电机关键技术

1、电动汽车传导式充电机关键技术第45卷第12期2011年12月电力电子技术PowerElectronicsDecember2011电动汽车传导式充电机关键技术颜湘武,肖湘宁,张波,范辉(1.新能源电力系统国家重点实验室,华北电力大学,河北保定071003;2.河北省电力研究院,河北石家庄050021)成部分,其中.先进的DC/DC功率变换技术,高功率因数校正(PFC)与谐波抑制技术,高密度磁集成技术,模块间并联均流控制技术,快速充电技术以及充电机与电池管理系统(BMS)之间的通讯等技术是电动汽车充电设备提高变换效率,功率密度以及动态性能,减小体积和重量,改善电磁兼容性的关键技术.关键词:电动汽车

2、;充电机;功率因数校正;谐波抑制中图分类号:U469.72文献标识码:A文章编号:1000100X(2011)120o2007TheAdvancedTechnologiesofElectricVehicleChargerYANXiangWU,XIAOXiangning,ZHANGBo,FANHui(1.StateKeyLaboratoryofAlternateEctricdPowerSystemwithRenewableEnergySources,NoahChinaElectricPowerUniversity,Bding071003,China)Abstract:Thedevelopment

3、ofelectricvehiclehasbecamethestrategydirectionofChina'Sautomotiveindustry"Five"plan.TheemergingelectriccarindustryalsoisfullopportunityforChina'Sautomotivetechnologytocatchupwithdevelopedcountries.Theelectricvehiclechargerisallimportantpartofelectricvehicle,thetechnologiesofadvance

4、dDC/DCconverter,activepowerfactorcorrection(PFC),harmonicsuppression,highdensitymagneticintegration,balancedcurrentofparallelconverter,communicationbetweenchargerandbatterymanagementsystem(BMS)andfastchargingarethekeysforimprovingefficiency,powerdensity,dynamicresponse,electrocmaganeticcompatibility

5、andreducingthesizeandweightofelectricvehicle.Keywords:electricvehicle;charger;powerfactorcorrection;harmonicsuppressionFoundationPr0ject:SuppmtedbyKeyProjectoftheNationalResearchProgramofChina(No.2011BAG02B14);NationalHigh-tecb.R&DProgram(863Program)ofChina(No.2011AA11A279)l引言20世纪70年代以来,全球汽车

6、保有量呈几何占比从45.5%上升到61.4%.随着全球工业化进程的加深.这个比例还将继续上升.自1995年后,我国石油进口占据石油消耗总量的比例快速增加,2010年已超过50%,预计2020年将达到80%,其中,交通运输和石油化工对石油的需求占石油消费总量的比例将从2000年的46%分别上升到2010年的60%和2020年的66%.即这些进基金项目:国家科技支撑计划重大项目(2011BAGO2B14);国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2011AA11A279)定稿日期:2011一lO一24作者简介:颜湘武(1965一),男,湖南人,博士,教授,研究方向为电力电子变流技术,新型储能与节

7、能技术等.20放导致的全球气候变暖问题已引起全世界的高度位GDPCO2排放比2005年下降40%一45%,因任务.发展电动汽车被列入我国"十二五"汽车工业发展的战略方向fl-2.电动汽车的动力来源于车载可充电蓄电池或少,而且电厂是固定不动的,排放集中,清除各种可以从多种一次能源如煤炭,天然气,水力,核能,太阳能,风力,潮汐能等获得,可以解除人们对石用夜间用电低谷时富余的电力充电,使发电设备电动汽车传导式充电机关键技术变为汽油,再经汽油机驱动汽车的效率高,因此有利于节约能源和减少CO的排量.替代石油化石能源,而在本质上,电动汽车正演变两种类型:(1)车载充电机指安装在电动汽车

8、上,采用地面交流电源输入的车载蓄电池充电变流装置.载充电机设计容量较小(35kW),适合车载动力蓄电池小倍率电流(0.10.2C),长时间(58h)常规充电.车载充电机应达到的技术要求为:满足车辆要求,主要包括高功率密度,高效率,高功率因数和低谐波;满足环境要求,主要包括采用全静态元器件,全密封结构,以及适合高,低温环境条件;满足安全要求,主要包括电气隔离和过压,过流,短路保护.因此,车载充电机涉及到的关键技术有:高效,隔离DC/DC功率变换技术;单相PFC与谐波抑制技术;变换器高密度磁集成技术;适应车载工况的充电机尘密结构及热设计:充电机与BMS之间的通讯技术.(2)非车载充电机指安装在地面

9、上,采用交要包括专用充电机,专用充电站,通用充电机,公共场所用充电站等.通常非车载充电机的功率,体积和重量均较大.以便能适应各种电池,充电求为:满足场站要求,主要包括高功率密度,高效率,高功率因数和低谐波;满足环境要求,主要包括采用全密封结构,以及适合高,低温环境条件:满足安全要求,主要包括电气隔离和过压,过流,短路保护.因此,非车载充电机涉及到的关键技术有:高效,隔离DC/DC功率变换技术;三相PFC与谐波抑制技术;并联均流控制技术;变换器高密度磁集成技术;模块的串并联技术;快速充电技术及其适用性研究:充电机与BMS之间的通讯技术.可见,在设计车载充电机和非车载充电机的方案时,所考虑的技术角

10、度不尽相同,各有侧重.下面针对电动汽车传导式充电机共性的关键技术作进一步的阐述2高效,隔离DC/DC功率变换技术理论分析和实践经验表明,变压器,电感和电容等电磁器件的体积,质量与供电频率的平方根成反比.故当将频率从工频50Hz提高到20kHz.电磁器件的体积,质量将下降至工频设计值的5%10%.因此,高频化使电源类设备具有效率高,噪的发展方向.根据工作原理的不同,DC/DC功率变换可分反激式变换器因其结构最简单.成本低,以及瞬态响应良好等优点,非常适合于小功率应用场合;推挽式变换器结构简单,但开关管需承受两倍的输入电压,另外还要加上由于高频变压器漏感引起低的场合:桥式DC/DC变换器可实现所需

11、的大变比,且能满足不同功率等级的应用需求,因而适合中,大功率场合的应用【s.开关器件工作在硬开关状态,即当开关器件开通降过程,同时流过器件的电流也不是立即上升到负载电流,也有一个上升过程.在这段时间里,电器件关断时,电流和电压同样会存在一个交叠区.损耗越大,变换器的效率就越低,因此,开关损耗的存在限制了变换器功率密度的提高,同时也限制了变换器的小型化和轻量化.同时,开关管工作在硬开关状态时.功率器件所受的开关应力大,还会引起很高的di/dt和du/dt,从而产生大的电磁干扰.带来电磁环境污染5.改进DC/DC变换器有助于降低开关器件的电压,电流应力,使开关器件工作于软开关状态,从而减小开关损耗

12、.提高变换器的工作效率,为变来,针对隔离式软开关DC/DC变换器的研究愈来2】第45卷第12期2011年12月电力电子技术PowerElectronicsDecember2011愈受到人们的关注和重视,出现了几类典型的隔离式软开关DC/DC变换器I6-71.(1)有源缓冲器类DC/DC变换器此类变换器通过加入一些有源缓冲器来达到零电压转换(zvT)或零电流转换(ZCT),它们的共同点是变换辅助有源开关和辅助谐振网络,只在主开关管开器的缺点是所需辅助开关管数目与主开关管数目一开关的条件不理想18".图l示出具有有源缓冲器的半桥DC/DC变换器.I牛-;.(b)图1具有有源缓冲器的半桥D

13、C/DC变换器(2)有源箝位类DC/DC变换器有源箝位技过加入有源筘位支路能有效将主开关管关断后的电压应力.且在一定条件下也可实现软开关12-15.图2示出有源筘位电路类全桥DC/DC变换器.DC200-430V图2具有有源箝位电路的全桥DC/DC变换器(3)全桥零电压PWM变换器全桥零电压PWM变换器恒频控制.左,右上桥臂开关器件180.互补导通工作,左,右下桥臂开关器件按PWM规律互补工作:通过改变变换器两下桥臂开关器件桥式DC/DC变换器利用储能电感或隔离高频变压器漏感中储备的能量来实现桥臂的零电压开关.不足之处是变换器存在较大内部循环能量,影响变换器能量变换效率的提高,尤其是在轻载时变

14、换器难以实现软开关工作16.图3示出全桥零电压PWMDC/DC变换器拓扑及相关波形17-18】.22.pe=.如.-_JsI:Il,-.vVDoIVQVQ2g:(图3全桥零电压PWMDC/DC变换器(4)全桥移相零电压开关PWM变换器该类变换器的上,下桥臂开关器件180.互补工作(适当考虑延时开通时间),通过改变变换器左,右桥臂(超前臂和滞后臂)重叠相角来调节输出电压或现软开关,优点是控制简单,恒频控制,而且通常储能电感或隔离高频变压器漏感中储备的能量来实现桥臂的零电压开关,不足之处也是变换器存恢复损耗等19-25.图4示出改进的全桥移相零电压开关PWM变换器,实现全范围ZVS开关.lV】.V

15、D3VDLvsLv(b1图4全范围全桥移相零电压开关PWM变换器(5)准谐振,谐振类DC/DC变换器在PWM生电容和电路的寄生电感作为谐振回路的一部分,谐振电路中电容C与开关器件并联,开关开正弦波.开关两端电压下降为零时,开关由截止转入导通,开关处于零电压通断,避免了开关器件通振变换器;由于变换器工作在谐振状态的时间只电动汽车传导式充电机关键技术占一个开关周期的一部分,其余时间处于非谐振单,最普遍的谐振变换器是Lc串联谐振变换器,结构中,谐振网络和负载构成一个分压器,如果改了变换器工作中开关器件开关过程中电压和电流的交叠现象,降低了开关器件的开关损耗,但该变控制器的优化设计困难,另外,变换器中

16、存在电变换器主要应用于中小功率场合.(6)LLC谐振变换器LLC谐振变换器是在传统串联或并联LC谐振变换器的基础上改良产重而变化,在空载至满载全范围内实现ZVS工作和暂态过电流,从方法上克服了采用桥式PWMZVS变换方式或桥式移相ZVSPWM变换方式常常出现的滞后臂难以实现软开关工作的难题;次有较大的应用价值【.该电路的难点主要是谐联谐振全桥DC/DC变换器主电路.图5LLC串联谐振全桥DC/DC变换器主电路综上所述,并结合国内外研究现状和发展趋器和LLC谐振式DC/DC变换器是当前的研究热点,是实现高效,隔离,DC/DC功率变换,提高变换器的变换效率,功率密度以及动态性能,减小变换器的体积和

17、重量,改善电磁兼容性的优选方案.3功率因数校正与谐波抑制技术功率因数A是指交流输入有功功率P与输入视在功率S的比值,即:A=下P=Tllcosycos(1)T7TTT,oU111式中:,l为输入基波电流有效值;,为输入电流有效值;y为输入电流失真系数,=,1/,;coso为基波电压与基波电流之间的相移因数.可见,A由和cos决定.A低的电器设备,功率损耗,会对继电器,自动保护装置,电子计算机及通讯设备产生干扰而造成误动作或计算误差.因此,防止和减小电流谐波对电网的污染,抑电工委员会和国际电气与电子工程师协会都成立了专门的工作小组,制定了电力系统与电工产品的谐波限制标准IEC6100032和IE

18、EE5191992,从1996年起,这两个标准在欧共体国家已经具有标准GB/T145491993拥.高频开关模式的充电电源第1级常采用二极管单相整流全桥或三相整流全桥.在正常工作时,增加,波形畸变更严重,输入电流畸变成了尖项波,含有丰富的谐波成分.高频开关模式的充电电源系统的PFC与谐波抑制技术一般采用无源PFC或有源PFC(APFC)放Lc滤波器,来改善功率因数,减小电流谐波,方法简单但电路庞大笨重,有些场合无法采用,补生电流谐振和电压谐振,而且,对于负载不断变化负载范围的滤波器.APFC由高频电感,电容和功约380V的直流高压.APFC具有体积小.重量轻,效率高的特点.通过一定方法调整电流

19、的波形,使输入电压,电流波形接近正弦波,并将低次谐波分量转移到高频区段,再采用无源滤波的方法滤除.而且,APFC能够对变化的谐波进行动态跟踪补统APFC的基本原理框图.23第45卷第12期2011年12月电力电子技术PowerElectronicsDecember2011图6传统APFC的基本原理框图当遇到35kW或更大功率的APFC问题时.采用传统APFC还存在很多实际应用问题.二极管VD,反向恢复产生的电流冲击问式时.开关管Vs的开关频率很高,直流侧输出VS开启瞬时电流冲击较大,会产生很大的电流开启应力和开关损耗,容易造成vS失效烧毁.还会在输入电流,电压上引入尖刺纹波噪声问题.题,影响其

20、他用电设备正常工作.文献38进一步从采用高压SiC肖特基二极管新型器件,采用带中心抽头的电感及采用有源缓冲器软开关技术三方面分别解决电流冲击等问题.文献3940在上世纪90年代初就提出了一具有效率高,输入电流纹波小,功率器件的电流应交错并联的APFC技术得到了长足发展41-44J.图7交错并联APFC电路的主功率拓扑图1982年BusseAled等首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑及网侧电流幅相控制策略,并实现了电流型PWM整流器网AkagiHirofmni等提出了基于PWM整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略,这实际上就是电压代末,随着AWGreen等人提出了基于坐标变换的PW

21、M整流器连续,离散动态数学模型及控制的高度【.自20世纪90年代以来,PWM整流器一来,如有源滤波器,超导储能,交流传动,高压轻型24研究又促进了PWM整流器及其控制技术的进步和完善.PWM整流器的突出特点有:网侧电流接近正弦波,谐波含量小;网侧功率因数可控;电压型全桥PWM整流器的能量可以双向变量的双向流动,而无需改变电路的拓扑接线方式:动态传输响应能力快速.很好的发展前景.图8示出单相半桥式,单相全桥式以及三相单位功率因数整流器主电路.(b)单相伞桥式(c)2-相图8单位功率因数整流器主电路拓扑4变换器高密度磁集成技术磁性元件(简称磁件)是高频开关充电电源中实现能量储存与转换,滤波和电气隔

22、离的重要功能元件,其体积,重量,损耗在整机中也占有相当比例.据统计,磁件的重量一般是变换器总重的30%40%,体积占总体积的20%30%.因此,为了提高电源的功率密度,效率和输出品质,需要对减小磁件体积,重量及损耗的相关技术应用进行体积,重量,损耗【嬲】,集中后的磁件被称为集成磁件.通过一定的耦合方式,合理的参数设计,该技术能有效减小磁件体积和损耗,提高输出动态性能.文献491提出通过抵消耦合作用实现解耦集成的方法,展示了电感与电感,电感与变压器,变压器与变压器的集成思想;文献501提出通过提并联电路中两个电感的集成方法;文献51将磁集成技术应用于LLC谐振变换器中谐振电感与变压器的磁集成.文

23、献5255对磁集成技术的发展历史,磁件等效电路建模方法,多磁路特性和磁芯的获得,磁解耦集成通用方法,磁集成典型应用,磁集成技术的特点,磁集成方式,磁集成技术应用的限制因素,磁集成技术发展趋势等进行了系统地回顾,阐述和总结.不难预见,磁集成技术应用于高频开关电动汽车传导式充电机关键技术模式的充电电源系统,将有助于该电源系统体积,重量,损耗的有效减小,功率密度,效率和输出品的一项关键技术.并联均流控制技术,快速充电技术以及充电机与BMS之间的通讯等技术也都是保证电动汽车充电机高性能的重要技术.5结论电动汽车充电基础设施是影响电动汽车发展的一个重要环节,其中,先进的DC/DC功率变换技术,高功率因数

24、校正与谐波抑制技术,高密度磁集成技术,模块间并联均流控制技术,快速充电技术以及充电机与电池管理系统之间的通讯等技术是电动汽车充电设备提高变换效率,功率密度以及动态性能,减小体积和重量,改善电磁兼容性的关键技术.参考资料1王宇宁,姚磊,王艳丽.国外电动汽车的发展战略J.汽车工业研究,2005,(9):3540.2】陈志鑫,汪晓健.我国电动汽车产业化发展策略研究J.上海节能,2010,(8):16,18.【3】王兆安,黄俊.电力电子变流技术【M】.北京:机械工业出版社.2001.4陈坚.电力电子变换和控制技术M】.北京:高等教育出版社,2002.【5】叶慧贞,杨兴洲.新颖开关稳压电源【M】.北京:

25、国防工业出版社.1999.6】刘胜利.现代高频开关电源实用技术【M】.北京:电子工业出版社.2001.7阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术M】.北京:科学出版社,2000.Zero?-voltageandZero?-current-?switchingPWMFull-bridgeDC/DCConverterA】.29thAnnualConferenceoftheIEEEIndustrialElectronicsSocietyC.2003,(3):1685-1690.voltageandzero-current-switchedPWMDC/DCConvertemUsingActiveSnu

26、bberJ.IEEETrans.onIndustryApplications,1999,35(6):14061412.switchingPWMConverterwithActiveEnergyRecoverySnubberA.ThirdInternationalPowerElectronicsandMotionControlConferenceC.2000,2:763-768.clampSnubberforIsolatedHalf-bridgeDC/DCConvert?-ersA.IECONProceedingsC.2003,1:42-48.12】Duarte,C16udioManoelC,B

27、arbiIvo.AnImprovedFami.1yofZVSPWMActiveclampingDC/DCConvertersJ.IEEETrans.OilPowerElectronics,2002,17(1):1-7.switched,Full-bridgeBoostConverterEmployinganActiveclampCircuitA,27thAnnualIEEEPowerElectronicsSpecialistsConferenceC.1996,(2):19481954.switchedFul1一bridgeSingle-stageAC/DCConverterwithIndust

28、rialElectronics,2oo5,52(4):1109一l116.BuckConverterwithanActiveClampingCellA.Proceedingsofthe33rdAnnualConferenceoftheIEEEIndustrialElectronicsSocietyC.2007:1592-1597.siderationsforHigh?-voltageHigh-?powerFull-bridgeZero?-voltagenualAppliedPowerElectronicsConferenceandExpositionC.1990:275284.bridgeZe

29、ro-?voltage?switchedPWMConveerUsingaSaturableInductorJ.IEEETrans.onPowerElectronics,1993,8(4):530534.18GuanChyunHsieh,JungChienLi,MingHueiLiaw,eta1.AStudyonFul1?bridgeZero-voltageswitchedPWMConverter:DesignandExperimentationA.ProceedingsofElectronicsC.1993.2:12811285.voltage-switchedPWMConverterA.In

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31、witchingPWMFullbridgeConverterUs?ingTwoDiodesinSerieswitlltheLaggingLegJ.IEEETrans.onIndustrialElectronics,2001,48(4):777785.【24】YungtackJang,JovanovicMM,YuZVS?PWMFullbridgeConverterJ.IEEETrans.o1"1Power第45卷第12期2011年12月电力电子技术PowerElectronicsDecember2011Electronics,2003,l8(5):l1221129.ClampingDi

32、odeCurrentResetSchemeforZVSPWMFull-bridgeConverterA.2010IEEEEnergyConversionCongressandExpositionC.2010:1932-1937.voltageswitchedQuasiresonantBuckandFlybackConverterExperimentalResultsat10MHzJ.IEEETrans.onPowerElectronics,1989.4(2):194204.voltage-switchingMuhiresonantTechniqueANovelApproachtoImprovePerformanceofHigh-frequencyQuasi-resonantConvertersA】.IEEEPowerElectronicsSpecialistsConf.Rec.C】.1988:9一l7.APECC