邱慧+蔡群英

摘 要

面對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車因尾氣排放造成的污染及其對(duì)石油等自然資源的過(guò)渡消耗，電動(dòng)汽車成為各國(guó)發(fā)展的熱點(diǎn)。目前許多國(guó)家的政府、各大汽車生產(chǎn)廠商以及各個(gè)科研機(jī)構(gòu)都在從事電動(dòng)汽車技術(shù)的研究。而電動(dòng)汽車車載充電機(jī)是電動(dòng)汽車中的一個(gè)重要部件，對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展及推廣應(yīng)用都有很重要的作用。

【關(guān)鍵詞】車載充電機(jī) 拓?fù)?PFC DCDC

電動(dòng)汽車從供電電源處獲取電能，并將電能轉(zhuǎn)換為蓄電池的化學(xué)能，當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)提供給電動(dòng)汽車行駛的動(dòng)能。其充電技術(shù)是電動(dòng)汽車的一項(xiàng)重要的技術(shù)，目前充電機(jī)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，主要有地面式充電機(jī)和車載充電機(jī)。地面式充電機(jī)一般安裝在地面，可適應(yīng)不同的充電需求進(jìn)行大功率地快充或者小電流地慢充。而車載充電機(jī)安裝在電動(dòng)汽車上，一般設(shè)計(jì)為能與普通的民用交流電源插座連接，用以對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行小功率慢速充電，而車載充電機(jī)與地面式充電機(jī)不同，其除了要考慮充電對(duì)蓄電池的影響，還需要對(duì)整個(gè)充電機(jī)的體積、重量、環(huán)境因素、車內(nèi)布局等因素進(jìn)行考慮，同時(shí)由于其大部分采用民用電力進(jìn)行充電，還需要考慮充電機(jī)對(duì)電網(wǎng)的影響。

1 車載充電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外都針對(duì)電動(dòng)汽車車載充電機(jī)進(jìn)行了研究，目前采用的結(jié)構(gòu)分為兩大類，一種是不控整流加高頻隔離直流變換器。這種結(jié)構(gòu)一般來(lái)說(shuō)對(duì)功率有很大限制且功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)造成的污染較大，因而其大量接入電網(wǎng)可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，但是這種結(jié)構(gòu)滿足安全的要求，且一般成本較低，其體積和重量也較容易控制。該結(jié)構(gòu)中，不控整流模塊將電網(wǎng)的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，并進(jìn)行穩(wěn)壓濾波后，再通過(guò)DC/DC變換器將電能變換為可以對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的電能。

另一種是前級(jí)功率因數(shù)校正，后級(jí)隔離直流變換器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)也可以滿足安全的要求，且對(duì)電網(wǎng)污染小，能實(shí)現(xiàn)低諧波和高功率因數(shù)的要求，但是由于其兩級(jí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其裝置一般體積會(huì)較大，成本較高。該兩級(jí)結(jié)構(gòu)中的第一級(jí)為PFC電路，其可提高輸入的功率因數(shù)并抑制高次諧波；而第二級(jí)為DC/DC變換器，其將電能變換為可以對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的電能。而這種兩級(jí)結(jié)構(gòu)中也有串聯(lián)的并聯(lián)兩種連接方式，而串聯(lián)型結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 車載充電機(jī)電路設(shè)計(jì)

由前級(jí)PFC和后級(jí)DCDC構(gòu)成的兩級(jí)結(jié)構(gòu)由于其對(duì)電網(wǎng)污染小，能滿足效率和功率因數(shù)的要求，因而應(yīng)用最多。

2.1 前級(jí)PFC結(jié)構(gòu)

前級(jí)PFC電路用于輸出穩(wěn)定的電壓，同時(shí)使輸入具有較高的功率因數(shù)。其典型的前級(jí)PFC電路結(jié)構(gòu)由BOOST型升壓電路、交錯(cuò)并聯(lián)型PFC等。

2.1.1 BOOST型升壓電路

Boost型升壓電路作為前級(jí)功率因數(shù)校正的應(yīng)用由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用很廣，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是輸入電流連續(xù)，EMI和RFI較低，其輸入電感可以降低對(duì)輸入濾波的要求，功率因數(shù)較高，其缺電是隨著輸出功率的增加，其導(dǎo)通損耗增大，效率降低同時(shí)對(duì)散熱也有較高要求，其電感體積較大，輸出紋波電流也較大。

2.1.2 交錯(cuò)并聯(lián)型PFC

隨著功率等級(jí)的不斷提高，BOOST型PFC的使用受到限制，而交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)能夠有效降低功率器件的電流應(yīng)力，減小電流紋波和磁性元件的體積并提升設(shè)備的功率等級(jí)，因而交錯(cuò)并聯(lián)型PFC在車載充電機(jī)中的引用也非常常見。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

典型的交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路采用兩路Boost電路并聯(lián)，相互互補(bǔ)工作。其電路的優(yōu)點(diǎn)是工作時(shí)由于電路紋波電流的抵消使得輸入和輸出的紋波電流較低，其相應(yīng)的濾波電路尺寸可以減小，相比Boost型升壓電路，其損耗降低，但是其器件數(shù)目增加帶來(lái)的控制電路使得其成本升高，其對(duì)散熱也有較高要求。

2.1.3 其他PFC結(jié)構(gòu)

除上述Boost型和交錯(cuò)并聯(lián)PFC外，其他PFC電路，如全橋PFC、Buck、Buck/Boost、反激式、Cuk式、Zeta式，也在一些設(shè)計(jì)中有其應(yīng)用。

2.2 后級(jí)DCDC結(jié)構(gòu)

后級(jí)DCDC一般受控于電池管理系統(tǒng)，根據(jù)電池組反饋的電量信息和所需的充電模式，即使調(diào)整輸出，以實(shí)現(xiàn)智能充電。

2.2.1 移相全橋DCDC變換器

其可以達(dá)到最大的輸出功率，因而其適用于大功率的場(chǎng)合，但是由于其結(jié)構(gòu)及其控制電路復(fù)雜導(dǎo)致其陳本較高，可靠性相對(duì)較低。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2.2 LLC諧振變換

LLC諧振電路具有開關(guān)損耗低、輸入電壓輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，由于其諧振元件都集中到一個(gè)磁性元件上因而減小了變換器的體積。然而由于其參數(shù)眾多，因而導(dǎo)致其工作過(guò)程復(fù)雜，調(diào)試難度大。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2.3 其他DCDC電路

除上述移相全橋型和LLC諧振外，還有推挽式電路，其通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，這適用于低電壓、大電流的工作場(chǎng)合，全橋DCDC電路適合一些大功率應(yīng)用的場(chǎng)合，其他如有源鉗位正激式電路等也在一些設(shè)計(jì)中有其應(yīng)用。

3 總結(jié)

隨著電動(dòng)汽車在世界范圍內(nèi)受到越來(lái)越多的關(guān)注，其市場(chǎng)潛力十分大，而電池及其充電技術(shù)仍然是一個(gè)限制電動(dòng)汽車普及的因素，其中的車載充電技術(shù)也是亟待發(fā)展的，電動(dòng)汽車惡劣的車載條件對(duì)其效率、功率因數(shù)、功率密度和溫度等提出了更高的要求。在現(xiàn)有市場(chǎng)中，其各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)功率需求、輸出電壓、電流等級(jí)要求、成本等具體要求的不同，其車載充電機(jī)的具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多種多樣

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