陳麗穎(綏化學(xué)院，黑龍江綏化 152061)

電動(dòng)汽車車載充電系統(tǒng)逆變電路的研究

陳麗穎
(綏化學(xué)院，黑龍江綏化 152061)

電動(dòng)汽車是環(huán)保和節(jié)能產(chǎn)品的研究熱點(diǎn)之一。良好的充電技術(shù)水平是其穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件，并且直接影響汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。本文提出了車載充電系統(tǒng)的逆變電路主電路圖，針對(duì)逆變電路考慮輸出諧波少并且減少噪聲的設(shè)計(jì)原則，對(duì)逆變電路的主電路進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。然后利用MATLAB/Simulink軟件對(duì)逆變電路輸出的電壓和部分電路的損耗進(jìn)行仿真、對(duì)比，從而提出了系統(tǒng)電路的優(yōu)化方法，驗(yàn)證了理論分析和方法的正確性。

車載充電系統(tǒng)；DC/DC變換器；SiC；MATLAB/Simulink

電動(dòng)汽車環(huán)保節(jié)能的優(yōu)越特性，使其成為當(dāng)今世界工業(yè)產(chǎn)品研究的熱點(diǎn)。充電技術(shù)一直是電動(dòng)汽車穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是當(dāng)今研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)。而國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)較多研究充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[1]，也有對(duì)充電系統(tǒng)的充電程序進(jìn)行詳細(xì)研究與設(shè)計(jì)[2-4]。然而，對(duì)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的效率和控制精度相關(guān)問題的系統(tǒng)研究卻很少。本文首先對(duì)車載充電系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，對(duì)部分電路進(jìn)行參數(shù)計(jì)算及優(yōu)化，并通過對(duì)逆變電路輸出電壓波形及充電電壓波形的仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文研究的車載充電系統(tǒng)的主電路輸入電壓為220V，最大功率值可輸出為4kW，輸出電壓最高達(dá)450V，最大輸出電流可達(dá)12A；充電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)前級(jí)為Boost型APFC電路，對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正；可對(duì)充電系統(tǒng)的控制精度進(jìn)行全面調(diào)整，包括穩(wěn)壓精度和穩(wěn)流精度都會(huì)有較大的提升；后端為全橋逆變電路[5]，由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率輸出大、變壓器利用效率高，可以在負(fù)載范圍調(diào)節(jié)很大的前提下實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，并且對(duì)抑制副邊輸出整流二極管的反向恢復(fù)損耗的輸出也起到重要作用。在主電路系統(tǒng)中的兩級(jí)電路采用同一控制電路對(duì)系統(tǒng)整體控制，本文著重研究全橋逆變電路部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 全橋式變換主電路及工作原理

全橋式變換電路[6]如圖2所示。此種電路是逆變電路中應(yīng)用最廣并且效率較高的電路，電路中的四個(gè)橋臂，通過兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)輸出的電壓和電流波形相同，而幅值卻比半橋電路的輸出相應(yīng)的幅值高一倍，在主電路中變壓器原邊會(huì)形成交變電壓，同時(shí)也存在直流成分。當(dāng)整個(gè)電路的直流輸入電壓E改變時(shí)，輸出的直流電壓就可以相應(yīng)改變，并且輸出功率會(huì)隨著輸入電壓的增大而增大。變壓器Tr原邊電流中的直流成分，長(zhǎng)時(shí)間作用在變壓器上會(huì)導(dǎo)致氣隙磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致鐵心磁化直至達(dá)到飽和狀態(tài)。致使變壓器無法正常穩(wěn)定工作，此問題可以通過在變壓器原邊串聯(lián)一隔直電容，將原邊的直流成分濾掉來解決。Q1～Q4四個(gè)開關(guān)管均采用MOSFET管，其內(nèi)部的結(jié)電容也是實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的必要條件。

圖2 全橋式變換電路

2.1 高頻變壓器設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)中的變壓器主要起著能量傳輸?shù)淖饔茫⑶覍?duì)四個(gè)開關(guān)管的零電壓范圍調(diào)節(jié)和占空比的減小有改善作用。設(shè)定高頻變壓器最高輸入電壓Uin=350V；最高輸出電壓U0=450V；最大輸出電流I0=12A；工作頻率fs=100kHz；變壓器初級(jí)電壓設(shè)為350V。

次級(jí)電壓與線路壓降、整流二極管壓降、占空比丟失、電池負(fù)載的內(nèi)阻等要素相關(guān)。

DN是占空比為0.45；UP為最大輸入電壓；N是原副邊匝比為0.7；Kf為有效值與平均值之比波形系數(shù)，正弦波時(shí)數(shù)值為4.44，方波時(shí)數(shù)值為4；fs為開關(guān)頻率100kHz；ΔBm為工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過計(jì)算為0.12T；磁芯有效面積Ae=5.32cm2。

2.2 功率開關(guān)管的選擇

在大容量逆變電路中，開關(guān)管通常選用MOSFET，本文考慮變換器的原理及兩端最大電壓，選用功率場(chǎng)效應(yīng)管為電源的開關(guān)器件。開關(guān)管的主要參數(shù)與電路中實(shí)際電壓電流大小有關(guān)：在本文中主電路系統(tǒng)中功率因數(shù)校正后電壓輸出為350V，可判斷每個(gè)開關(guān)管所承受的最大電壓為最大輸入直流電壓，所以在選擇開關(guān)管耐壓容量時(shí)為該電壓1.5～2倍左右的額定電壓；計(jì)算后變壓器原邊電流最大值為24.2A，若考慮電流安全裕量，為滿足電路要求，可以選擇耐流為最大電流1.5～2倍以上的容量為開關(guān)管的額定電流。

3 仿真分析

為減少電路中的損耗，并且降低元件能量損耗，本文通過MATLAB/Simulink軟件對(duì)電路中的二極管進(jìn)行仿真。為得到精確的仿真結(jié)果，采用瞬態(tài)分析法。本次仿真設(shè)置最大時(shí)間步長(zhǎng)為4×10-7，電壓電流相對(duì)精度為10-3。仿真的時(shí)間區(qū)間設(shè)置為[0.01s,0.03s]。

圖3為逆變電路中分別使用SiC二極管和Si二極管的反向恢復(fù)電流仿真結(jié)果?？梢钥闯鰞煞N二極管的反向恢復(fù)時(shí)間幾乎相同，但是反向恢復(fù)電流相差是比較大的，SiC二極管的反響恢復(fù)電流明顯減小。因此本文采用SiC二極管。

圖4是電壓經(jīng)過變壓器傳輸后未經(jīng)過濾波得到的電壓波形，波形表現(xiàn)為雙極性SPWM波形。圖5是經(jīng)過濾波電路后的逆變電路輸出的電壓波形，經(jīng)過濾波后的波形有效值約為220V、50Hz的正弦波電壓。圖6為車載充電系統(tǒng)電路輸出電壓波形。

圖3 續(xù)流二極管的反向恢復(fù)特性仿真結(jié)果

圖4 逆變器的輸出電壓波形(濾波前)

圖5 逆變器的輸出電壓波形(濾波后)

圖6 充電電壓波形

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電動(dòng)汽車的車載式充電系統(tǒng)中的逆變電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，利用MATLAB/Simulink軟件對(duì)逆變電路的主電路進(jìn)行建模和仿真，并通過對(duì)二級(jí)管的輸出電流進(jìn)行仿真，選定SiC二極管，然后對(duì)逆變器的輸出電壓及充電電壓進(jìn)行波形仿真，研究結(jié)果證明了充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

[1]鄧宏偉.電動(dòng)汽車車載充電機(jī)的研究與電路設(shè)計(jì)[D].廣州:華南理工大學(xué),2013.

[2]張學(xué)芹,鄧元望.電動(dòng)汽車車載充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].輕工科技,2014(11):57-59.

[3]李昌林.電動(dòng)汽車車載充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

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[5]徐偉,劉和平,任發(fā).電動(dòng)汽車車載充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2010(12)：307-311.

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[7]吳清玲.高壓高頻變壓器的研究與設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)理工大學(xué),2014.

The Research of Electric Vehicle on-board Charging System Inverter Circuit

CHEN Li-ying

(Suihua University, Suihua Heilongjiang 152061,China)

The electric vehicle is one of the research hot spots of environmental protection and energy saving products. The charging module is one of the key technologies for its stable operation. The research of the technical level has a direct impact on the development of the automobile industry. In this paper, the main circuit diagram of the inverting circuit of the in-vehicle charging system is proposed. Some parameters of the inverter circuit are calculated according to the principle of designing the inverter circuit with less output harmonics and less noise. And the simulation of the output voltage and the loss of some circuits are done by using MATLAB /Simulink.The optimization method of the circuit is presented and the correctness of the theoretical analysis and method is verified.

on-board charging system; DC/DC converter; SiC; MATLAB/Simulink

2016-12-14

綏化市2015科技計(jì)劃項(xiàng)目“電動(dòng)汽車車載高頻充電系統(tǒng)研究”(SHKJ 2015-021)。

陳麗穎(1977- )，女，實(shí)驗(yàn)師，博士研究生,從事電力電子與電力傳動(dòng)研究。

TM912

A

2095-7602(2017)04-0034-04