电动汽车车载大功率快速充电机研究

摘要：随着电动汽车技术的发展和应用，对于电动汽车充电技术的要求不断提高，其中快速充电模式已经成为电动汽车充电技术研究和发展的主要模式。文章从车载大功率快速充电机技术的发展与影响，分析了大功率快速充电模式对电网谐波的影响以及目前的解决方案，提出了电动汽车车载大功率快速充电机的技术解决方案。

关键词：快速充电机；电网建设；电动汽车；充电方式；大功率 文献标识码：A

中图分类号：U464 文章编号：1009-2374（2016）22-0007-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.22.004

充电机作为电动汽车的充电设备，在电动汽车应用中发挥着重要的作用，是电动汽车不可缺少的子系统之一。与传统汽车加油方式不同，电动汽车的能量补给方式是将电网的电能转化为电动汽车车载蓄电池的电能，电能补给方式的高效、安全和便捷对于电动汽车的推广至关重要，因此发展车载大功率快速充电机是电动汽车产业发展壮大的基础，具有十分重要的意义。

1 快速充电技术的原理

对充电机实际充电性能的研究应该是根据车载锂电池的充放电曲线，应用合适的充电方法，从而有效控制充电电压、电流及时间等参数，实现对电动汽车动力锂电池安全、快速、可靠地充电。大功率智能化快速充电机由三相三开关三电平PFC、全桥逆变器、LC滤波器、PWM图腾驱动与反馈环节、充电控制系统及相关的通讯接口组成。输入三相交流电经过三相三开关三电平PFC作为全桥逆变器的输入，控制系统采集到相关的反馈信号，经过处理后，并以此为依据输出PWM信号，此信号经过PWM图腾驱动，进而驱动移相全桥逆变的MOS管。全桥逆变器的输出经过整流和LC滤波获得直流电压，配合防反接电路给电池充电，其技术原理图如图1所示：

2 快速充电技术策略研究

影响充电系统的实际充电性能的主要因素是如何有效控制充电电压、电流及时间等参数，安全、可靠、快速地完成对电动汽车动力电池的充电。不同种类的蓄电池具有不同的充放电曲线，其相应的充电方法也有很大的不同。传统的蓄电池充电方法可分为三种，即恒流恒压充电、多级恒流充电和脉冲充电，一些新型的快速充电策略也是建立在这三种传统充电方法的基础之上，通过改进、演化并加入新的理论、思想得到的。

针对锂电池的充放电曲线及不同充电方法存在的优缺点，我们对车用锂电池实现快速充电提出了新的技术策略，主要包括两个方面的内容：（1）通过多级恒流充电与脉冲充电相结合的方式，实现快速充电。所谓多级恒流充电与脉冲充电相结合的方式，就是在充电的初期以较大的电流进行充电，随着蓄电池端电压的升高逐渐降低充电电流，当蓄电池端电压达到一定电压阀值时采用脉冲充电的方式进行充电。这样既可以实现对电池的快速充电，也可以通过脉冲充电的方式提高电池的使用寿命。（2）采取数字控制的方式，集成多种型号电池的充电曲线，适应不同电池的需求。针对不同的电池型号，采用数字控制的方式，预先可以设定多种充电曲线。用户可以根据自己的需要来设定充电曲线，既可以使用默认的充电曲线，也可以根据需要设置快速充电模式，并可以通过数据融合算法对充电曲线以及单体电池的电压进行检测和管理，以期更好、更准确地反映电池的即时状态。

3 充电机实现大功率转化策略研究

高效率是对电动汽车充电系统最重要的技术指标之一，它对整个电动汽车的使用成本有巨大的影响。如果采用传统的硬开关变换电路来实现功率变换，充电机的效率比较低，既不利于节能环保，也增加电动汽车的充电及运行成本。充电机的实质就是一个AC/DC转换电路，为了实现充电机的大功率转换，在同等的参数条件下，需要提高整机的效率、提高整机的功率因数及主开关频率等参数，其中PFC技术、移相全桥逆变技术及数字电源的研究是项目开发的关键。

3.1 PFC电路技术

PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数校正一方面可以提高有功功率；另一方面可以抑制谐波的产生。因为充电机在工作时，由于电网侧功率因素一般都比较低，会产生较大的谐波干扰，对电网造成较大的危害，为了减小这一危害，需要提升电网侧功率因素。功率因素校正电路通常分为有源PFC电路和无源PFC电路两种。

无源PFC电路：主要利用大电感来滤除谐波，功率因素提高不是很明显，且体积较大，适用于单相电流

输入。

有源PFC电路：主要利用电流、电压反馈技术，使输入端电流波形跟随输入的正弦电压波形，达到输入电流与输入电压同相且不失真的效果，从而提高功率因素，适用于三相电流输入，主要包括三开关三电平有源PFC电路和六开关全桥有源PFC电路。

对比六开关全桥有源PFC电路，三开关三电平有源PFC的开关应力小、开关损耗低，具有更高的功率密度，同时不存在MOS管直通的问题，EMI效果也更好。通过软件仿真试验也表明，三开关三电平有源PFC电路方案具有良好的功率因素校正效果，输入电流纹波也较小，适用于大功率快速充电机的要求。

3.2 移相全桥逆变技术

对于较大功率等级的电源来说，一般采取全桥逆变的方式来实现。依据其软开关实现方式的不同，主要分为LLC全桥逆变及移相全桥逆变等类型。

LLC全桥逆变：利用变压器中的漏感及谐振电容等器件构成谐振回路，利用变压器的漏感、谐振电感和谐振电容的储能对功率MOS管结电容的充放电来实现ZVS、ZCS软开关。

移相全桥逆变：谐振变换技术与常规PWM变换技术的结合，移相全桥逆变技术利用功率MOS管的结电容和变压器的漏感作为谐振元件，大多数情况需要外接谐振电感，与上述两个参数一起参与谐振过程。利用变压器的漏感和谐振电感的储能对功率MOS管结电容的充放电来实现全桥臂上4个MOS管的零电压关断，零电流开通，实现ZVS和ZCS软开关技术。

对于大功率充电机来说，功率实现是第一要素。采用数字电源技术和移相全桥的方式，可以获得较大的开关频率和较高的效率，客观上提高系统的整体功率密度，也较为容易实现较大的功率输出。相比较而言，LLC全桥是一种变频调制的方式，对电感、变压器漏感等参数的要求较高，而这些参数在生产过程中难以做到十分准确，其误差相对较大，对产品的一致性的要求非常高。

应用软开关谐振技术，可以使充电机的效率得到大幅度提升，如果参数配合得当，其整机甚至能达到95%以上。随着功率变换技术的发展，移相全桥逆变、LLC全桥逆变等技术在大功率能量转换中得到广泛的应用。为了实现充电机的大功率转换，在同等的参数条件下，需要提高整机的效率、功率因数、主开关频率等参数。这对降低充电机的重量和体积、减小电网的谐波污染以及提高充电机的整机效率等具有现实意义和使用价值。

4 快速充电的发展展望

4.1 快速充电方法的发展趋势

快速脉冲充电的理论基础来自于马斯三定律，关于电池放电对电池可接受充电电流的影响，但定律并未给出具体的量值关系。正脉冲的周期与幅值，负脉冲的周期与幅值的确定与优化方案将会是脉冲充电今后的主要研究方向。恒流恒压充电方法的发展将会主要针对充电参数的关系，参数的确定算法以及变换器的优化设计等方向。综合快速充电的发展将会针对充电过程中的电路设计、控制算法和充电参数等的优化，综合不同的充电方法实现快速安全充电。

4.2 快速充电与电网的发展趋势

目前的研究已经表明电动汽车的快速充电会对电网的负荷带来严重的冲击，此冲击的产生主要是由于充电机中的电力电子器件的频繁开关给电网带来的谐波污染。随着电动汽车的普及，接入电网的快速充电设备会越来越多，应用这些设备产生的数据去具体分析快速充电设备对电网的具体影响。客观全面地评价影响程度的具体方法也将是研究的主要方向之一。随着互联网的不断发展，电动汽车与电网互联技术也将会是电动汽车大面积普及的关键研究方向。

5 结语

本文介绍了快速充电模式的恒流恒压充电、多级恒流充电以及脉冲充电，分析了快速充电模式对电网的影响以及目前的技术策略，对电动汽车的快速大功率充电以及发展趋势做了总结。快速充电方法的发展将趋于更加快速、高效、安全，快速充电与电网之间的关系趋于逐步完善，并最终实现车载大功率快速充电。

参考文献

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作者简介：潘光亮（1984-），男，安徽枞阳人，供职于合肥协力仪表控制技术股份有限公司，研究方向：电气自动化和PLC可编程控制系统；毛德平（1980-），男，供职于合肥协力仪表控制技术股份有限公司，硕士，研究方向：电力电子技术及现代电力传动控制。