基于串联拓扑结构的电动汽车快速充电桩设计

应 鸿， 於国芳， 姜 涛， 吴新刚， 张孝杰，田 阳， 温旭日， 宫雷杰

(1.浙江华云清洁能源有限公司，浙江 杭州 310002； 2.北京智芯微电子科技有限公司，北京 100089)

0 引言

近年来，随着燃油机车对环境造成的不良影响，汽车工业面临着关键转折点[1-3].电动汽车由于其环保优势以及不断上涨的油价，正成为燃油机车的潜在替代品.因此，电动汽车配套充电设施的研制已成为各国学者关注的焦点[4-6].

充电设施由操作系统、客户信息系统和充电系统组成.在这些系统中，充电系统是整个设施中最基本也是最重要的部分.根据充电时间和充电方法，充电系统可分为慢充和快充两种模式.慢速充电模式的功率约为3-4 kW，充电时间大约需要6-7小时，因此慢速充电模式适用于在夜间进行充电.快速充电模式需要充电桩向电动汽车提供大约50 kW的功率，充电时间小于0.5小时[7-10].

西欧、美国和日本等许多发达国家已对快速充电桩进行了研制和测试[11-13].然而，随着充电站规模的增大，其会对配电系统的电能质量产生不利影响，这些不利影响通常表现为电压畸变和电流谐波，以及包括低功率因数在内的低电能质量问题目前在许多国家已成为亟待解决的问题[14,15].为了解决这些问题，可以考虑采用功率因数校正(PFC)技术.但是，峰值充电功率对交流电网的影响会依然存在[16,17].

本文介绍了一种新型的50 kW快速充电系统.该充电系统提高了交流电网的功率因数和功率转换效率.它能够通过提供0～125 A的电流，在300～500 V的电压范围内为电动汽车中的锂离子电池充电.当电动汽车蓄电池的最大功率为50 kW时，充电系统在最大充电电流供电间隔内会在交流电网中产生电压降落和电压畸变.但是通过在直流总线中引入缓冲电池组，可以减少这些不利影响.

1 系统构成

为了实现安全、可靠、快速、高效的充电，功率转换器的拓扑结构必须满足几个基本要求.而且在转换器的设计过程中，为了在效率、成本、尺寸、体积和重量方面满足产品规范，必须特别注意系统的整体优化.从半导体到散热器的所有组件，包括无源滤波器组件，都必须进行设计，以便开发一个优化的系统[18,19].

50 kW快速充电桩的结构框图如图1所示.主电源转换部分由功率因数校正(PFC)装置和DC-DC转换器组成，缓冲电池组(BB)位于主电源转换单元之间，缓冲电池组由64个锂离子电池组成，其电压为237 V.

图1 50 kW快速充电桩框图

1.1 DC-DC转换器

DC-DC转换器由移相全桥变换器、三台变压器和三台输出滤波器组成.在DC-DC功率转换器中，通过采用移相控制来降低开关损耗.为了防止铁磁材料饱和，在每个变压器一次侧均增加电容(Cr)，以平衡B-H曲线上的磁通位移.

本文串联型拓扑结构是由多个基本变换单元串联组成的，其通用表现形式如图2所示，它能够解决传统DC-DC变换器中普遍存在的开关管应力大和开关损耗严重等问题，适合在大功率、高增益场合.

图2 串联型拓扑结构通用表现形式

图3显示了具有串联拓扑结构的常规DC-DC转换器和本文所设计的DC-DC转换器.传统的全桥式DC-DC转换器电路原理为直流电压Vi经过T1～T4组成的全桥开关变换器，在高频变压器初级得到高频交流方波电压，经变压器后，再经过全波整流变成直流方波，最后经过电感L0和电容C0组成的滤波电路，得到平直的直流电压.两者唯一的区别是DC-DC转换器中的附加连接.如图3所示，由于只有一个附加连接，拓扑结构简单且非常易于实现，且Vi端直接与电容C0相连，因此，该充电桩的输出电压由直流母线电压和移相全桥变换器的输出电压之和组成.这种变换器结构可以显著提高充电桩的效率.

(a)常规DC-DC变换器结构

(b)设计的DC-DC变换器结构图3 DC-DC转换器示意图

本文对DC-DC转换器在不同阻值负载情况下的效率情况进行了测试，其结果如图4所示.可以看出，转换器的工作效率随着负载的增大而提升.当负载电流从48 A增大至60 A时，转换器的工作效率显著提高；当负载电流为96 A时，效率达到了94.5%.

本文所设计的DC-DC转换器具有直接功率传输路径，其效果如下：标称缓冲电池组电压为230 V，电动汽车电池电压为400 V，最大充电电流为125 A，传输功率为28.75 kW，DC-DC转换器传输功率为21.25kW.这表明大约60%的最大额定功率不需要转换.常规的转换器转换所有的充电功率，而本文设计的转换器只需转换40%的充电功率.因此，本文设计的转换器相较于常规转换器具有更高的转换效率[20].

图4 实测效率曲线

1.2 控制器

锂离子电池充电分为涓流充电、恒流充电、恒压充电和终止充电四个阶段，其中恒流(CC)充电和恒压(CV)充电两个阶段为主要阶段，如图5所示.

图5 锂离子电池充电过程

涓流充电阶段是对已完全放电的电池进行预充，即恢复性充电.当电池电压低于3 V时为涓流充电阶段，采用恒流充电电流的十分之一即0.1 C的恒定电流对电池进行充电；当电池电压上升至涓流充电阈值以上时，便可提高充电电流进行恒流充电.恒流充电的电流在0.2 C至1.0 C之间，恒流充电时的电流并不要求十分精确，保持准恒定电流即可.在此过程中电池电压会逐渐上升，当电池电压上升至4.2 V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段.在恒压充电过程中，充电电压始终保持4.2 V，为使性能达到最佳，稳压容差应当优于+1%；充电电流会逐渐下降，一直到电流低于0.1 C后，终止充电，整个充电过程大约会持续2.5～3 h.

为了快速安全地进行充电操作，需通过车载和非车载电池管理系统(BMSs)对电动汽车电池的电压和充电电流持续监测.考虑到锂离子电池的特性，电动汽车需要采用最大恒流模式，直到达到特定的电压.在这样的模式下，电动汽车需要逐渐减小充电电流.一般来说，电动汽车电池电量达到满电量的85%时即会发出停止指令.为了满足这一要求，DC-DC转换器的控制器需采用恒流模式和恒压模式的双模控制模式，因此本文设计了如图6所示的控制器.

图6 电动汽车蓄电池控制器框图

本文中的控制器采用了PI双闭环控制，PI双闭环控制方法含有两个控制部分：电流内环PI控制器和电压外环PI控制器.电流内环控制器通过电流负反馈的手段使得流过电感上的电流为给定幅值和相位的电流，电压外环的作用是引入电压负反馈，使得直流侧电压稳定为给定值.控制器的整个过程相当于电压转电流，并通过PI调节使得收敛性更好，然后经过饱和限制元件，防止控制电流过大，电流经过PI调节后进行脉冲宽度调制，最后输出.

2 实验测试结果

为了验证控制算法和硬件电路性能，对所设计的快速充电桩进行了测试.移相变换器在半负载和全负载条件下的IGBT输出电压和电流的实验波形如图7～10所示，作为主开关的IGBT模块为600 V/400 A级.

图7 IGBT半负载条件下输出电压 波形图(Vo=100 V/div)

图8 IGBT半负载条件下输出电流 波形图(Io=50 A/div)

图9 IGBT全负载条件下输出电压 波形图(Vo=100 V/div)

图10 IGBT全负载条件下输出电流 波形图(Io=50 A/div)

从图中可以看出，输出电压约为230 V，输出电流约为125 A，满足要求，且IGBT输出电压波形表明全桥DC-DC变换器工作在移相模式.桥式二极管整流电压和IGBT输出电压如图11所示，该系统采用了三个1 200 V/100 A的桥式二极管模块.

图11 IGBT全负载条件下输出电压和 二极管整流电压波形图(Vs=200 V/div)

用数字信号处理器(DSP)中的12位A/D转换器测量输出电压和电流信号.通过在DSP中设置周期和相角寄存器，使得DC-DC功率转换器更易产生PWM信号.

3 结论

本文设计了一种50 kW快速充电桩，并通过试验验证了该快速充电桩的有效性.通过在DC-DC转换器中采用串联拓扑结构，显著提高了快速充电桩的功率转换效率；通过引入缓冲电池组，可以降低电源安装成本；此外，通过采用功率因数校正(PFC)装置和缓冲电池组，可以提高交流电网的电能质量