大功率电动汽车充电装置的实验研究

余岳 汪红霞

摘 要：根据设计目标：充电装置输出功率10kw，充电桩主电路由输入电路、全桥DC/ DC 直流变换器和输出电路组成，输出最大电流100 A，输出最高电压100 V，输出电压纹波控制在±2%以内，从硬件结构，控制算法的层面上对系统进行设计，实验结果证明了设计的可行性，

关键词：大功率充电桩 实验研究 硬件设计

中图分类号：T H1 3 3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-01

1 充电桩硬件设计

1.1 硬件总体结构

系统主要包括8个部分：交流输入：50 Hz 220 V的市电，主电路拓扑结构有待进一步的确定（全桥式开关电源电路），充电对象：电动汽车车用锂电池，驱动电路：用于驱动主电路的开关，保护电路：用于系统过压、过流、短路、过热等保护，采样电路：用于采集充电电池的电压和电流信号，控制电路：与上位机通信并实现相应的控制算法，人机交互界面（上位机）：对系统进行全面的监控（电池电压、充电电流、温度、电池电量等）；能够进行相应的设置（充电模式设定、充电电量设定、主电路输出电压、电流的设定等）。

1.2 主电路拓扑结构

主电路拓扑结构如图1所示主电路是能量传递单元，其可靠性、效率高低影响到整个充电器的工作。因此，根据功率传递要求，选择合适的拓扑结构是十分重要的。常用拓扑结构可分为隔离型与非隔离型。与隔离型相比，非隔离型虽然也能完成电压变换的功能，但存在着局限性：如输入输出不隔离存在安全隐患，输入输出电压电流比不能太大，无法实现多路输出等，比较适用于小功率场合。全桥拓扑与半桥拓扑相比，在输入电压和输入电流相同的情况下，能够提供两倍的功率，适用于大功率的场合。考虑到本系统输出功率的要求及以后的可拓展性，可以选择全桥式变换器作为我们的主回路。主电路主要包括两个不可控整流桥，4个IGBT，两个滤波电感L1、L2，两个滤波电容C1、C3，一个变压器及其初级阻断电容C2，一个二极管D1。系统输入电压为AC380 V，经过不可控整流得到C1上的电压为537 V。本系统参数定为：最高充电电压为DC380 V，最大充电电流为100 A，功率等级为10 kW，变压器匝数比为1∶2。

2 控制算法

对锂电池模型负载进行先恒流（CC）再恒压（CV）控制。锂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=800 mAh，1C充电率即充电电流为800 mA）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该文采用方波调制策略，方波信号频率5 kHz，锯齿波（载波）频率60 kHz，调制范围0～1。

3 实验结果

期望输出直流电压为80 V，输出电流达到101 A时，实验结果如图2：当负载电流为达到101 A时，实际输出电压为80.9 V，输出电压精度为1.125%。

图2 输出电压电流波形

4 结语

通过实验研究，以单相零电压零电流开关切换DC-DC变换器为基础，研究一种基于DC-DC变换器的电动汽车充电桩的拓扑结构，同时，对零电流开关切换DC-DC变换器的控制策略进行研究，10 kW 充电桩电路结构简单、设计合理、工作可靠。性能完全符合设计要求。