电动车用锂电池单级车载充电机的研制

梅建伟,蒋伟荣,程登良,张凯

湖北汽车工业学院电气与信息工程学院,湖北十堰442002

电动车用锂电池单级车载充电机的研制

梅建伟,蒋伟荣,程登良,张凯

湖北汽车工业学院电气与信息工程学院,湖北十堰442002

针对传统两级锂电池车载充电机的特点，课题研制的电动汽车用锂电池单级车载充电机，采用UCC28070做为功率变换的控制核心，以MC9S08DZ60作为系统监控和数据传输的控制核心，开发了恒压、恒流以及充电过程控制算法，设计了单级功率变换的硬件控制电路。样机试验结果表明，车载充电机较好地实现了充电过程控制、数据传输与监控以及保护等功能，获得了较高的功率因素和效率。

车载充电机;单级;斜率补偿;双环控制

随着电动汽车研究的深入，电动汽车的相关技术得到了国内外的广泛重视，车载充电机被列入863项目电动汽车重大专项，目前国内仅有的几家单位生产的电动汽车用车载充电机采用传统的两级功率变换结构，存在体积大、效率低的特点，很难满足电动汽车对车载充电机的需求，研制电动汽车用高效率高功率密度车载充电机具有重要意义，本课题研制的一种单级车载充电机，具有体积小、效率高、成本低的特点，有一定的应用前景[1,2]。

1 主电路拓扑结构

在单相交流电压输入时，通过AC-DC-AC-DC变换，车载充电机按照锂电池组最优充电曲线实现直流电压输出，同时为了提高车载充电机的抗干扰性和减小对电网的污染，系统增加了输入EMI滤波器和输出纹波滤波电路，其主电路结构如图1所示。

图1 充电机主电路结构图Fig.1 Main circuit diagram of charger

该主电路是一种带隔离变压器的单级功率因素校正电路，Lg1,Lg2及辅助电容组成，输入EMI滤波器,L1的作用将整流输出直流电压转换成直流恒定电流,Q1,Q2,Q3,Q4,T1,D6,D7,D8,D9功率转换电路，Lg3,Lg4及辅助电容组成输出EMI滤波器，显著减小输出纹波数值[3,4]。

2 硬件电路设计

2.1 主要技术参数

(1)输入电压：AC 85 V～265 V，输出电压：DC 120 V～175.2 V

(2)额定电流：16 A；功率因素：＞97%；效率：＞93%

(3)体积：330 mm×262 mm×110 mm，重量＜12 kg

(4)工作温度：-200C～850C

2.2 单级功率转换电路设计

为减小充电机对电网的污染，降低谐波含量，在提高充电机功率因素的同时，保证其有较高的功率密度，采用有源单级隔离方案，当Q1，Q4，T1，D6，D9导通与Q2，Q3，T1，D7，D8导通时的等效电路如图2所示。

图2等效电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram

图3 连续模式电感电流和电容电压波形图Fig.3 The inductor current and the capacitor voltage waveform in continuous mode

其等效电路为Boost型DC-DC变换器，电感电流工作在CCM工作模式，采用平均电流控制模式，减小开关管的应力[5]。

2.2.1 储能电感设计在连续模式的每一个开关周期中，储存在升压电感中的能量不是全部转移到输出电容中，电感值的大小决定了输入端的高频纹波电流的大小，这有助于减小噪音和输入滤波器的体积。

其中：E-输入直流电压，U0-升压电路输出电压，f-MOSFET工作频率，L-电感量

根据前面提供的技术参数，电感电流的波动量为电路平均电流的10%左右。

考虑到电感的体积和抗饱和特性，磁芯材料采用铁硅铝，环型磁芯。

2.2.2 输出储能电容设计输出储能电容的大小主要取决于输出电压、输出功率、电压纹波以及过电压值。

在图3中，在0～t1之间，电容一直放电，电容的平均电流等于输出平均电流，即：IC=I0，电容峰-峰波动电压为：

2.2.3 变压器设计课题中采用的高频变压器工作频率为35 KHz，因此要求铁心高频损耗小，导磁能力和抗饱和能力强，采用镍锌EE型磁芯。

二次侧视在功率：P2S=IO×(VO+2Vd)=16.0×(175.2+2)=2835.2(VA)

由于骨架占用铁心窗口面积，此时实际利用的磁心窗口面积，仅仅能达到理论值的0.6，因此整个窗口利用系数被降低了，此时磁心几何常数要乘上1.67，并且窗口利用系数按0.24计算电流密度，故：

我们选用的磁心型号：EE75。

2.3 控制系统设计

控制系统的主要功能为：逆变桥驱动与控制、电压电流信号采集、充电过程控制、充电电压电流给定、状态监控以及保护功能，控制系统结构框图如图4所示。

图4 系统控制结构框图Fig.4 System control block diagram

2.3.1 脉冲产生控制电路设计基于电流馈电拓扑的单级车载充电机结构中，在图1中Q1和Q4脉冲相同，Q2和Q3脉冲相同，但是相位相差1800，同时两路脉冲必须有一定的重叠角度，以保证开关管可靠换相[6-8]，采用控制芯片是UCC28070，是一款连续模式控制器，可以在较宽的输入电压范围、较大功率范围内实现功率因素高达0.99，具有完善的过压、过流、开路保护、频率与占空比可编程以及软启动等功能。控制电路如图5所示，其中INACV为前馈补偿电压输入，3脚和4脚构成输出电压反馈电路，6脚、8脚、9脚、11脚和12脚构成电流反馈电路，电压反馈环是外环，电流反馈环是内环，电压反馈的输出作为电流反馈环的参考值。

2.3.2 电压/电流调节控制电路设计图6中，00,UI是输出电压和输出电流反馈，其中1AU的1脚是电流外环的输出作为电压内环的参考值，31,RC是电流环的反馈补偿环节，1413,RC是电压环的反馈补偿环节，线性光藕7U的输出是14U的5脚输入，该输入电压是调节脉冲宽度的控制电压。

图5 PWM控制电路图Fig.5 PWM control circuit diagram

图6 双闭环控制电路图Fig.6 Double closed loop control circuit diagram

3 软件设计

软件系统的功能主要完成启动前的诊断，判断充电机工作前的各项指标是否符合要求，符合技术要求后，软件系统控制各个模块进入启动子程序，启动完成后，由软件控制充电过程，同时对充电机的运行状态进行检测，决定系统是进入正常运行模式还是保护工作模式，软件系统的结构框图如图7所示。

图7 软件结构框图Fig.7 Software structure diagram

图8 双闭环控制框图Fig.8 Dual closed-loop control block diagram

3.1 充电过程控制结构原理

正常启动后，开始恒流16A充电，外环为电流环，当充电电压达到175.2 V以后，系统开始恒压充电，直到充电电流小于0.5A以后充电完成，系统安全关机，充电过程控制原理图如图8所示[9-12]。

Ig是给定的输出电流值，fI是反馈电流值，gU电流环的输出作为电压环的参考值，fU是反馈电压值。

3.2 启动过程控制原理

启动流程是否合理决定了Boost电路的超调量、逆变桥的可靠性以及输出继电器是否能可靠工作。启动后，诊断系统检查输入是否过压、欠压，电池状态是否正常，是否过热，自检正常后，进入启动工作模式。启动流程图如图9所示。

图9 启动过程流程图Fig.9 Flow chart of startup process

4 测试结果以及数据分析

4.1 测试数据

根据东风某公司某型电动车车载充电机的技术要求和国家标准，我们制做了样机，在单相交流电压85 V～265 V的范围内，对充电机的各项技术指标进行了测试，实际测试结果如图10、图11所示，各种条件下的测试数据如表1所示。

图10 交流输入电压电流波形Fig.10AC input voltage and current waveforms

图11 充电过程波形Fig.11 Charging process waveform

表1 单机系统测试数据Table 1 Stand-alone system test data

4.2 数据分析

本系统样机功率为3300 W，系统要求输入电压的范围为85 V～265 V，输出直流电压为0 V～175.2 V，输出电流为0 A～16 A，利用功率分析仪对该样机进行了测试，表1中的测试数据是在输出恒流且电流为8 A的条件下测试的数据，根据测试结果得到下面结论：

(1)在较宽的交流输入电压范围和较大的负载变换范围内，功率因素都在0.99以上，具有较好的功率因素校正功能；

(2)采用电流型全桥逆变结构，避免了桥臂上两个开关管互通造成的短路现象，没有输出滤波电感，减小了充电机的体积，提高了系统的可靠性；

(3)对系统输出电压和电流的测试，充电机的充电过程实现了启动过程、恒流到恒压的无扰动转换；

5 结论

单级PFC模式的车载充电机在实现功率转换的同时，调节系统的功率因素。该车载充电机具有较高的功率因素，可靠性高，较传统的两级车载充电机结构体积大大减小。目前该充电机进入产品试验阶段。

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Development of Lithium Battery Single-stage on-Board Charger for ElectricVehicle

MEI Jian-wei,JIANG Wei-rong,CHENG Deng-liang,ZHANG Kai
CollegeofElectricalandInformationEngineering,HubeiUniversityofAutomotiveTechnology,Shiyan442002,China

Combined with the characteristics of the traditional two lithium batteries on-board charger,the lithium battery Single-stage on-board charger was developed for electric vehicles,it used UCC28070 as system control core and MC9S08DZ60 as system monitoring and data transmission control core,control algorithm was developed,such as constant voltage,constant current and charging process,control circuit of the power transform was designed.Prototype experimental results showed that control of the charging process,data transmission,monitoring and protection functions of the on-board charger were achieved and high power factor and efficiency was obtained.

on-board charger;single-stage;slope compensation;double-loop control

TM910.6

A

1000-2324(2014)03-0382-05

2012-10-22

2012-11-02

并联型车载充电机关键基础问题研究(ZDK201201)

梅建伟(1978-),男,讲师,主要研究方向为:电力电子变换技术与DSP应用.E-mail:Bainiangudu1999@163.com