大功率电动汽车充电机的设计方案

1、大功率电动汽车充电机的设计（图 作者：何占伟刘捷王志本 叵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100200公里。与传统汽车相比， 纯电动车在使用成本上有看无以比拟的优势，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，国家已看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

2、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 48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

3、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

4、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

5、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

6、 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210Af当于700AH电池容量 的0.3C充电率），最高充电电压 700VW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

7、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56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2100Af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

8、充电电流500Av 相当于700AH电池用量0.7C的充电率）。1C3C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 X (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

9、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。它米用三相三开关三 电平BOOS电路，工作在连续模式，开关采用两个 MOSFE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

10、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MOSFE和IGBT 并联

11、技术，充分利用了 MOSFE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 MOSFE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虽迫均流法工作框图 系统采用PWM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