电动汽车先进充电系统研究

沈阳理工大学自动化与电气工程学院 石征锦 皇甫尚伟 郭瑞曦 王 康

电动汽车先进充电系统研究

沈阳理工大学自动化与电气工程学院 石征锦 皇甫尚伟 郭瑞曦 王 康

根据目前电动汽车充电系统发展的情况以及充电所需要的高可靠性和高智能化的特点，本文提出以高频大功率间歇变电流来满足大功率，高频率充电的要求。设计中以全桥电路为基础，采用移相开关控制方法为充电系统输出高质量电能提供控制策略。改进后的零电压—零电流软开关与钳位电路的配合为实现移相全桥控制提供控制策略。该系统以高频大功率间歇变电流减少了充电时间，提高了充电效率。

电动汽车；充电系统；间歇变电流脉冲

0 引言

电动汽车的充电设备主要有充电桩、充电站和换电站三种，其充电方法分别对应的是常规充电、快速充电和机械充电。目前欧美国家主要是以充电桩为主[1]。考虑到我国的复杂条件，我国未来的电动汽车的电力供应形势应该是“充电桩为主、充电站为辅”，以充电桩、充电站和换电站组成电动汽车的电力供应系统[2]。为了解决充电缓慢的问题，本文从充电方式出发提出一种高频大功率的间歇变电流的方式来提高电动汽车的充电效率。

1 系统方案设计

电动汽车充电是将交流电转化为直流电供给电动汽车电池。电动汽车的充电系统结构框图如图1所示。

图1 电动汽车充电系统结构框图

本文根据全桥电路的工作原理、软开关在全桥电路中的特点以及高频大功率的要求，选择移相全桥零电压—零电流软开关电路作为电动汽车充电系统主电路，其原理图如图2所示。

图2 移相全桥零电压-零电流软开关电路原理图

图2中在输出端添加了钳位电路，其节能简单，能保证开关的工作效率；变压器二次侧辅助电路可以抑制整流模块在整流过程中产生的尖峰电压，保证整流模块良好的工作环境。

经计算设计的整流桥输出功率Pin为1.5×104W最大输出功率Pin约为1.6×104W，充电电路三相交流输入电压范围Vin是342V～418V整流后输出电压Uin范围为461.7V～564.3V。输出电流平均值Iin(min)=28.0A，Iin(max)=34.2A ，三相整流桥每个二极管流过的电流有效值IVT(min)≈16.2A,IVT(max)≈19.7A，整流二极管所能承受最大反向电压IVT为591.1V二极管电流裕量为2，电压裕量为3故选用50A/1800V整流桥。

电压比所涉及到的各因素应该满足关系：

其中，Uimin为输入电压下限时的整流电压与电压波动量之差，即440V，Dmax取0.7，与控制电路有关，UOmax为最高输出电压750V，取2V。计算可知KT≦0.41。

铁芯参考依据为：

本文中设计的变压器传输的功率PT=31000W，铁芯窗口面积Aw的使用系数KO取0.4，波形系数KF取4.0，开关频率fs取20HZ，工作磁通密度Bm取0.4T，电流密度比例系数Kj与磁芯形状有关，本文中取300，X为常数-0.13。计算可得AθAw=155cm2。本文选用了安泰科技ONL1308040，其外径为13cm，内径为8cm，厚度为4cm，有效截面积Aθ为7.2cm2，窗口面积Aw为50.27cm2。因为AθAw=361.9＞155，所以选择满足要求。

变压器的绕组匝数通过公式：

计算得出，经过计算可得原边绕组N1为25，副边匝数N2为61。整流模块的电容计算公式为：

式中：f为三相输入频率。

输出电阻计算公式RL为：

输入电容是Cin是5～8倍的C，计算可知：Cin=627μF～1003μF，因此选用5个470μF，450V电解电容并联作为一组，两组再串联。并联后电容为：C=1175μF。添加的电感与电容一起构成工频LC滤波电路，查询文献，滤波电感取100mH[3]。

本文充电系统所选用开关频率选择为fs=20KHZ。因为变压器原边母线电压最大值为：Uinmax=564.3V，在两倍裕量下，采用耐压值为1200V的IGBT功率管；而原边电流有效值48.8A，因此选用50A/1200V的IGBT。

2 电动汽车充电控制系统设计

电动汽车充电系统控制系统主要包括以下几部分：

(1)控制核心，接收来自检测电路、传感器等传送的数据；对数据按照充电系统功能要求进行运算，把运算结果传送给执行机构，进行相关动作；

(2)检测部分，分为输入电压检测、输出电压及电流检测、电池状态检测等；

(3)驱动部分，主要负责主电路中开关的驱动，为开关实现PWM零电压零电流软开关提供控制信号；

(4)保护部分，分为输入三相电路保护、输出电路保护、主电路开关元件保护；

(5)显示部分，主要用来显示电压、电流、温度、时间、计费等信息。

本文所选择控制器型号为TMS320F28335，大功率、高频充电电源常用脉冲发生芯片有UC3875和UCC3895两种。UCC3895性能更好，与之相比UCC3895适应能力更强，可以根据需要来选择[4]。驱动电路选择的是三菱公司的M57962L型IGBT驱动器[5]。考虑到检测的要求，本文所有检测部分均选用霍尔传感器，输入端的电压检测选用VSM800DP电压型霍尔传感器，输出电流检测采用霍尔电流传感器,型号为HNC-100US。

3 电动汽车充电系统主控制策略设计

主控制策略为分类以下几部分：

(1)检测环节，首先检测电池电压，温度等外部条件是否满足充电条件，不满足时不启动充电并发出警报，满足时进入下一级；

(2)识别电池，选择充电模式、充电电池类型、容量，选择的目的是为了更好的配合不同电池最佳电流接受曲线，从而实现安全高效充电；

(3)是否进行快充，是则进入快充，否则进行普通充电，充电结束后自动断电，并发出提示。

用来控制充电时间的充电程序流程图如图3所示。首先根据主程序检测到电池信息判断析气电压是否高于设定值，若低于设定值，则开始充电直到析气电压高于设定值，进入下一阶段，若高于设定值，则直接进入下一阶段。同时在充放电过程中要始终检测析气电压是否高于设定值。充电阶段完成后，进入间歇变电流脉冲阶段，这一阶段先间歇一个固定时间，再根据计算放电一段时间，放电完成后，再次进入间歇时间，直到析气电压低于设定值且极化电压低于设定值[6]。

图3 充电程序流程图

4 电动汽车充电控制系统仿真

本文采用的间歇变电流充电控制系统，其主电路采用NI公司的multisim软件进行仿真，仿真模型如图4所示。

图4 间歇变电流充电控制系统仿真模型

IGBT是电动汽车充电系统的重要原件，根据IGBT开关管开关频率可计算出其开关周期为50μs，死区时间为5μs。IGBT仿真开始前对驱动脉冲控制信号进行参数设计，Q1延时0秒启动，Q2延时25秒，Q3延时35秒，Q4延时10秒，然后开始仿真。其仿真结果如图5所示，仿真信号从上至下依次为1号、2号、4号和3号。

图5 IGBT仿真信号

由图5看出IGBT的输出波形为标准方波，各波形相错时间即移相角符合要求，波形较为理想。

经过六脉整流后，输出的理论波形应该为正半周期波形，仿真的全桥整流后直流电压波形如图6所示，从结果看实际输出的波形基本与理论波形相符合。

图6 整流后电压波形

理论上来讲输出电压波形为交流方波，逆变后的电压波形如图7所示，虽然波形下降后有一段震荡明显但是总体与理论波形相符。

图7 逆变后输出电压波形

输出电压波形如图8所示，整体输出波形中输出电压稳定在定值，虽然有一定峰刺，但是这是频率设置过高的问题。

图8 滤波后输出电压波形

在MATLAB中进行快速充电的仿真，其仿真框图如图9所示。仿真结果如图10所示，通过对比可以看出普通快速充电在充电过程中电流变化不明显，与已知的电池充电电流接受曲线出入较大。改进后的快速充电策略，电流波形递减符合电池充电电流接受曲线，更符合充电理论。

图9 电动汽车快速充电仿真框图

图10 电动汽车快速充电仿真框图

5 结束语

本文对全桥电路的特点分析后决定采用移相控制作为全桥电路的开关管的控制方式，然后在移相控制的基础上，在二次侧电路中增加钳位电路使得整个开关电路的开关控制达到最理想状态即零电压零电流控制方式。最后经过仿真得到了各重要原件的输入或输出波形，仿真波形和理论波形的相符验证了方案的可行性。由得到的电动汽车快速充电仿真图可以很清楚的看出，高频间歇变电流的充电方式相对于普通快速充电更符合马斯定律，更加符合电池充电电流接受曲线。因此本文提出的充电方式在电动汽车充电方面更加优秀，能够提高电动汽车的充电效率，缩短充电时间。

[1]鲁莽,周小兵,张维．国内外电动汽车充电设施发展状况研究[J]．华中电力,2011,23(5)：16-20．

[2]王相勤．当前我国电动汽车发展的瓶颈问题及对策[J]．能源技术经济,2011,23(3)：1-5．

[3]陶海敏,何湘宁．大功率可控硅整流器滤波电感设计方法研究[J]．电源世界,2002(6)：49-52．

[4]张哲,张纯江,沈虹．新型移相控制UCC3895的应用研究[J]．电力电子技术,2005,39(3)：64-65．

[5]吴春华,周勤利,孙承波,等,电流源型光伏并网系统及其控制装置和方法：CN,CN100511912C[P]．2009．

[6]W．Tiezhou,C．Quan，LLunan,X．Qing,and W,Xieyang,Research on the fast charging of VRLA,Telkomnika,2012,10：1660-1666．

Research On Advanced Control System Of Electric Vehicle Charging

SHI Zhengjin，HUANGFU Shangwei，GUO Ruixi，WANG Kang
（School of Electrical Engineering and Automation，Shenyang ligong university，Shenyang 110159,China）

According to the development of electric vehicle charging system and the characteristic which are high reliability and high intelligentialize of charging，we put forward a method that high frequency and variable current to meet the requirement of high-power and high frequency. In the project，full bridge circuit in the rectifying process provides a theoretical method to achieve a more efficient frequency conversion and energy utilization.Based on full bridge circuit，the phase shifted soft switching control method provides the control strategy for the high quality power supply of charging system. This system reduced the charging time and improved the efficiency of charging.

Electric vehicle；Charging system；Intermittent alternating current pulse

石征锦（1963-），男，辽宁沈阳人，硕士，教授，研究方向：交、直流电力传动与控制。

皇甫尚伟（1992-），男，硕士研究生，研究方向：复杂系统综合自动化技术。

郭瑞曦（1994-），女，硕士研究生，研究方向：先进控制理论与应用。

王康（1992-），男，硕士研究生，研究方向：人工智能、机器学习。