吳開源 王佳佳 尹彤 章濤

(華南理工大學 機械與汽車工程學院, 廣東 廣州 510640)

電動車LLC諧振充電電源系統(tǒng)*

吳開源 王佳佳 尹彤 章濤

(華南理工大學 機械與汽車工程學院, 廣東 廣州 510640)

研制了一種電動車LLC諧振充電電源系統(tǒng).該系統(tǒng)以STM32為控制核心，采用數(shù)字化脈沖頻率調制(PFM)控制，選取滿足電動車鉛酸蓄電池充電電源要求的LLC諧振主電路拓撲和4階段+正負脈沖充電方案.試驗結果表明：該電源系統(tǒng)能夠全程實現(xiàn)LLC諧振主電路的軟開關狀態(tài)，LLC諧振主電路始終工作于原邊MOSFET功率開關管零電壓開通和副邊整流二極管零電流關斷軟開關狀態(tài)，提高了電源轉換效率；結合電池充電曲線并使用4階段+正負脈沖充電方式，可以減少過充電及析氣極化現(xiàn)象，保護電池，提高充電速度.

電動車；充電電源；鉛酸蓄電池；正負脈沖充電；LLC諧振；STM32芯片

隨著低碳環(huán)保生活方式席卷全球，電動車已大規(guī)模普及到人們的日常生活.電動車充電電源是電動車的基礎，也是目前電動車發(fā)展的制約因素之一.由于鉛酸蓄電池性能穩(wěn)定，價格便宜，輸出特性好，市面上大部分的電動車動力電池采用鉛酸蓄電池.目前常規(guī)的電動車鉛酸蓄電池充電方式包括：恒壓充電、恒流充電、階段充電和脈沖充電等.恒壓和恒流充電方式較為陳舊，不符合電池充電曲線，使整個充電過程存在著嚴重的過充電和析氣等現(xiàn)象，造成充電效率過低，充電時間過長，容易損壞電池；階段充電方式能實時調整充電曲線，達到電池最佳充電效果；脈沖充電方式能提高鉛酸蓄電池接受大電流充電電荷的能力，避免蓄電池過熱引起的變形和析氣等現(xiàn)象，有效保證蓄電池達到最佳的充電效果[1-2].

傳統(tǒng)電動車充電電源大多使用脈沖寬度調制(PWM)控制，其開關器件工作于硬開關或移相全橋軟開關狀態(tài).硬開關造成開關損耗，帶來電磁污染[3]；移相全橋軟開關電路存在輕載時滯后橋臂難以實現(xiàn)軟開關的問題，滯后橋臂大部分時間還是工作在硬開關狀態(tài)[4-5]，同時還存在副邊整流二極管反向恢復和占空比丟失等問題[6-8].這些都制約了充電效率的提高，給電網安全及電池壽命帶來了挑戰(zhàn)[9].

LLC諧振變換器可在全負載范圍下實現(xiàn)原邊MOSFET功率開關管零電壓開通和副邊整流二極管零電流關斷的軟開關狀態(tài)，電流工作在正弦狀態(tài)，對外輻射較小，無需外接任何緩沖吸收電路，易于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，效率相對移相全橋軟開關變換器更高[10-14].

針對目前電動車充電存在的上述問題，文中提出以STM32為控制核心，實現(xiàn)數(shù)字化脈沖頻率調制(PFM)控制，采用LLC諧振主電路提高電源效率，同時結合電池的充電曲線采用4階段+正負脈沖充電方式，減少過充電及析氣極化現(xiàn)象，保護電池，提高充電速度.

1 充電電源結構及設計

1.1 充電電源系統(tǒng)組成

電動車LLC諧振充電電源系統(tǒng)包括主電路和控制系統(tǒng)，如圖1所示.主電路由輸入整流濾波電路、全橋LLC諧振逆變電路、高頻變壓器、次級整流濾波電路和正負脈沖生成電路組成；控制系統(tǒng)以STM32F103RBT6為核心，包括電流采樣電路、電壓采樣電路、電池狀態(tài)判斷電路、網壓檢測電路、故障保護電路、人機界面、MOSFET驅動電路和IGBT驅動電路.

圖1 充電電源系統(tǒng)框圖

1.2 主電路拓撲結構及工作原理

全橋LLC諧振變換器主電路拓撲如圖2所示.主電路的工作原理為：電壓Vin經過電容C1濾波提供給由MOSFET功率開關管和高頻變壓器組成的諧振電路，其中Lr為諧振電感，Lm為勵磁電感，Cr為諧振電容，與負載一起組成諧振腔；MOSFET功率開關管V1～V4在MOSFET驅動電路提供的PFM變頻信號控制下導通和關斷；提供給負載的電壓經高頻變壓器轉變后，在變壓器副邊輸出頻率變化的交流電，之后經整流二極管D1和D2整流為直流電，然后經電容C2濾波得到Vo.LLC諧振主電路可以利用諧振電感、勵磁電感、諧振電容和負載諧振，實現(xiàn)原邊MOSFET功率開關管零電壓開通和副邊整流二極管零電流關斷，減小功率開關管的損耗.

圖2 全橋LLC諧振變換器主電路原理圖

Fig.2 Schematic diagram of main circuit of full-bridge LLC resonant converter

全橋LLC諧振主電路存在兩個諧振頻率，當變壓器勵磁電感不參與諧振時，諧振頻率由Lr和Cr決定，即

(1)

當變壓器勵磁電感參與諧振時，諧振頻率由Lr、Lm和Cr決定，即

(2)

根據(jù)開關頻率fs的不同，LLC諧振變換電器存在3種工作模式[15].工作模式1為fmfr，此時副邊整流二極管電流為連續(xù)，存在反向恢復損耗.

采用基波分析的方法[16]，可得到全橋LLC諧振變換器的直流電壓增益為

圖3 全橋LLC諧振變換器兩種工作模式的主要波形

Fig.3 Key waveforms of LLC resonant converter in two working modes

(3)

圖4 LLC電路增益與頻率曲線圖

1.3 正負脈沖生成電路

正負脈沖生成電路如圖5所示.V1和V2為IGBT開關管，R1-R4為耗能電阻.通過IGBT開關和耗能電阻，將全橋LLC諧振變換器輸出的直流電轉換為正負脈沖給電池充電.正脈沖產生階段，STM32控制開通V1和關斷V2，實現(xiàn)正脈沖大電流對電池的充電；負脈沖產生階段，STM32控制電池通過V2向R1-R4放電并將電能消耗，瞬時釋放大幅度放電電流，即形成負脈沖放電電流.正脈沖和負脈沖之間有死區(qū)階段，即V1和V2都關斷，此死區(qū)時間給了蓄電池“歇息”的時間，電池內部能發(fā)生中和反應，有利于蓄電池接受較大的充電電流，加快充電速度.

圖5 正負脈沖生成電路

2 電源充電方案

2.1 鉛酸蓄電池充電特性

電動車充電電源主要針對鉛酸蓄電池.對鉛酸蓄電池充電需要滿足鉛酸蓄電池充電曲線.馬斯定律的提出，令電池快速充電技術理論化.馬斯定律指出，電池可接受電流能力隨著充電過程的進行而逐漸下降[19].單一的充電方式不能充分利用電池充電特性，甚至可能損傷電池.

鉛酸蓄電池長期處于放電或半放電狀態(tài)時，極板上析出白色的PbSO4結晶會阻礙電解液的化學反應，因此在給鉛酸蓄電池大電流充電之前，一般需要用小電流充電，把極板上的PbSO4結晶去除，達到激活電池的效果.鉛酸蓄電池大電流充電充滿80%后，電池接收電流的能力減弱，需要恒壓減流，對電池進行涓流浮充到充滿為止.文中針對鉛酸蓄電池的充電特性，將階段充電法和脈沖充電法相結合，組成4階段+正負脈沖充電方式，實現(xiàn)鉛酸蓄電池的快速充電.

2.2 4階段+正負脈沖快速充電

按照正常的充電程序，4階段+正負脈沖快速充電方式分為4個階段：小電流激活→正負脈沖→恒壓減流→涓流浮充，每個階段的電壓和電流的狀態(tài)都不一樣，直到充滿為止.充電過程一直穿插判斷電池是否充滿、電池是否正確連接和故障保護判斷.其充電時序圖如圖6所示.

圖6 4階段+正負脈沖充電時序圖

Fig.6 Sequence diagram of four stages+positive and negative pulse charging

圖6中，I表示充電電流，V表示電池電壓.其中Imax為正脈沖最大充電電流，Imin為小電流激活電流和涓流浮充最大電流；Vcv為電池充滿時的電壓，Vo為電池未充電時的初始電壓.

4階段充電方式能根據(jù)馬斯定律實時調整充電曲線，達到電池最佳充電效果.4階段分別為：

第1階段(0-t0):小電流激活.為避免長期不用的電池或新電池一開始就采用大電流充電影響電池的壽命，需要先對蓄電池實行小電流激活，再轉入正負脈沖充電階段.

第2階段(t0-t1):正負脈沖.為達到快速充電的目的，加入脈沖充電，先進行正脈沖大電流充電，電池的容量增加，電壓上升，極化效果明顯；接著再放電，使電池反向通過一個較大的脈沖電流，消除極板孔隙中形成的氣體，幫助濃差極化進一步消失，有助于提高電池接收電流的能力和延長蓄電池使用壽命.在脈沖充電后期，電壓上升較快，則適時地轉入恒壓減流階段.

第3階段(t1-t2):恒壓減流.正負脈沖充電終止后，電池并沒充足電，為了保證電池充入100%的電量，對電池還要進行補足充電.此階段充電采用恒壓減流，可使電池容量快速恢復.此時充電電流逐漸減小，當電流下降至某一閾值時，轉入涓流浮充階段.

第4階段(t2-t3):涓流浮充.此階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，只要在電池接在充電器上并且充電器接通電源，充電器就會給電池不斷補充電荷，可使電池總處于充足電狀態(tài)，也標志著充電過程已結束.

4階段+正負脈沖充電程序流程圖如圖7所示.

圖7 4階段+正負脈沖充電流程圖

Fig.7 Flow chart of four stages+positive and negative pulse charging

程序的工作原理為：系統(tǒng)初始化并判斷電池正確連接后，進入小電流激活充電階段，當該階段時間到時，進入正負脈沖充電階段；當該階段電池充電電壓達到設定閾值時，進入恒壓減流階段；當該階段電池充電電流小于設定閾值時，進入涓流浮充階段；當該階段電池充電電流小于設定閾值時，可認為電池充電完畢.充電全過程支持不同充電階段在線電池拔出關機、故障保護時序的判斷、插入電池重新開機和充滿關機的邏輯過程.

3 實驗結果分析

為驗證LLC諧振充電電源4階段+正負脈沖快速充電方式的有效性，研制了一臺LLC諧振充電電源系統(tǒng)樣機，并對兩節(jié)串聯(lián)的鉛酸蓄電池24V/(170Ah)容量電池組進行充電實驗.樣機選取的元件有：STM32F103RBT6控制芯片，EE65/32/27(PC40)高頻變壓器磁芯，IXFH60N50P3 MOSFET開關管，IXYS DPG60C200HB整流二極管.樣機主要參數(shù)如表1所示.

表1 實驗樣機參數(shù)

3.1 電源軟開關驗證和效率測試

采用電阻負載模擬電池負載進行試驗.LLC諧振充電電源接電阻負載，其電阻Ro=0.42Ω.

MOSFET功率開關管V4的GS驅動電壓Vgs4、DS電壓Vds4實測波形和諧振電感在fs=fr頻段附近工作的諧振電流波形如圖8所示.從圖8可以看出：MOSFET管關斷時有震鈴，當MOSFET管兩端電壓(Vds4)下降到0V后，才給MOSFET管驅動電壓(Vgs4)，此時MOSFET管導通，因此原邊MOSFET功率開關管實現(xiàn)了零電壓開通；當電源工作在fs=fr頻段時，整個過程都是諧振電感、諧振電容和負載諧振三者發(fā)生串聯(lián)諧振，勵磁電感始終沒有參與諧振，諧振電流剛好是正弦波，對外界和充電電源控制系統(tǒng)的電磁輻射干擾較小，有助于EMC和主電路的電磁抗干擾設計.

圖8 V4的DS電壓、GS驅動電壓波形和諧振電感在fs=fr頻段附近工作的諧振電流波形

Fig.8Vds,Vgswaveforms of V4and resonant current waveform of resonance resonant inductor working nearfs=fr

副邊整流二極管電壓Vd和次級電流Id實測波形如圖9所示.從圖9可以看出當副邊整流二極管電壓Vd下降到0時，此時次級電流剛好為0 A，副邊整流二極管實現(xiàn)了零電流關斷，二極管無反向恢復，次級電流正好臨界連續(xù).

圖9 副邊整流二極管電壓和電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms of secondary rectifier diode

由于電源的輸出電流為70 A，所以分別采用電阻負載測試電流為55、60、65、70和75 A時工作在諧振點附近的電源效率.實際測量的效率如表2所示，效率曲線如圖10所示.由效率曲線圖可知，LLC諧振主電路工作在諧振點時效率最高，可達94.8%，高于傳統(tǒng)移相全橋軟開關電路.

表2 實際測量的效率

圖10 實測的效率曲線

3.2 充電電源恒壓和恒流外特性測試

對充電電源進行恒壓和恒流外特性測試，由于充電電源電壓主要工作在29.5 V附近，電流工作在70 A范圍內，因此分別測試給定電壓為27.5、29.5和31.5 V的條件下實際測量得到的恒壓外特性曲線，如圖11所示；給定電流為10、30、50和70 A的條件下實際測量恒流外特性曲線，如圖12所示.由圖11和12可知，充電電源在不同的輸出電壓和電流條件下均具有良好的恒壓和恒流特性，能夠滿足鉛酸蓄電池的充電要求.

圖11 實測的恒壓外特性曲線

3.3 充電電源充電試驗研究

針對兩節(jié)串聯(lián)的鉛酸蓄電池24 V/(170 Ah)容量電池組進行充電試驗.鉛酸蓄電池恒壓充電的電壓一般為電池電壓的1.23倍左右，所以恒壓充電的電壓為29.5 V左右；正負脈沖充電正脈沖充電電流為0.35～0.45 C，正脈沖充電電流范圍為59.5～76.5 A，設計充電電流為0.41 C，則額定充電電流為70 A.得到的4階段+正負脈沖充電波形如圖13所示.

圖12 實測的恒流外特性曲線

圖13 4階段+正負脈沖充電波形

Fig.13 Current waveforms of four stages+positive and negative pulse charging

小電流激活為5 min恒流5 A電流充電，如圖13(a)所示；在馬斯第二和第三定律[19]的放電脈沖大小的理論指導基礎上，用實驗方法通過對不同脈沖參數(shù)進行循環(huán)充放電實驗，獲得了較優(yōu)的脈沖充電參數(shù)：正負脈沖的正脈沖70 A，充電時間800 ms，接著死區(qū)時間50 ms，負脈沖60 A放電時間50 ms和死區(qū)時間50 ms，正負脈沖充電直到檢測到電池電壓為28.8 V為止，如圖13(b)所示；正負脈沖大電流充電之后，電池一般只充了80%左右，改用30 V低電壓恒壓減流對電池充電，直到充電電流小于5 A為止，如圖13(c)所示；涓流浮充過程限壓為30 V，即最大充電電壓不超過30 V充電，用5 A恒流充電直到充電電流小于2 A，控制系統(tǒng)認為電池充滿充電結束，如圖13(d)所示.

對4階段+正負脈沖和恒流充電的電池電壓進行對比試驗，電池電壓大小表示電池的充滿情況.兩節(jié)串聯(lián)的鉛酸蓄電池24 V/(170 Ah)容量電池組放電到23 V左右后，分別用4階段+正負脈沖與恒流給電池組充電.由于4階段+正負脈沖充電方式更符合馬斯定律充電曲線，消除電池極化作用理想，有助于提高電池接收電流的能力，充電電流可達0.35～0.45 C，而一般的純直流即恒壓或恒流充電電流僅為0.10～0.25 C.在此試驗中，4階段+正負脈沖充電電流為0.41 C，恒流充電電流為0.2 C，充電過程的電池電壓變化如表3所示.得到電池電壓與時間的關系對比圖如圖14所示.由圖14可知4階段+正負脈沖充滿電池的時間約為3.5 h，而恒流充電需要大約5.5 h，表明4階段+正負脈沖充電速度比恒流充電速度快，能提高鉛酸蓄電池接受大電流充電電荷的能力.

表3 電池電壓的變化

圖14 電池電壓的變化對比圖

4 結論

文中針對傳統(tǒng)電動車鉛酸蓄電池充電方式效率低、充電速度慢、單一充電方式不符合電池充電曲線等問題，研制了一種以STM32為控制核心的電動車LLC諧振充電電源系統(tǒng)，采用4階段+正負脈沖充電時序進行充電試驗，得到主要結論如下：

1)所研制的電動車LLC諧振充電電源系統(tǒng)具有良好的恒壓和恒流外特性，能實現(xiàn)原邊MOSFET功率開關管零電壓開通和副邊整流二極管零電流關斷，效率可達94.8%，高于傳統(tǒng)移相全橋軟開關電源效率.

2)鉛酸蓄電池充電試驗結果表明，所研制的電動車LLC諧振充電電源系統(tǒng)能順利地進行4階段+正負脈沖充電，符合電池充電曲線，可以減少過充電及析氣極化現(xiàn)象.

3)4階段+正負脈沖和恒流充電的電池電壓對比試驗結果表明，4階段+正負脈沖充電速度比恒流充電速度快.

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Power Supply System for LLC Resonant Charging of Electric Vehicles

WUKai-yuanWANGJia-jiaYINTongZHANGTao

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Proposed in this paper is a STM32-based LLC resonant charging power supply system for electric vehicles, which employs digital PFM (Pulse Frequency Modulation) for the system control and adopts an LLC resonant topology as well as a four stages+positive and negative pulse charging scheme that meets the charging requirements of lead-acid battery. Test results demonstrate that (1) the proposed power supply system helps to implement the whole-course soft switching state of the main circuit of LLC resonant converters; (2) the main circuit of LLC resonant converters always operates in the primary-side MOSFET ZVS and the secondary-side rectifier diode ZCS soft-switching state, which improves the power conversion efficiency; and (3) the combination of battery charging curves and four stages+positive and negative pulse charging scheme can reduce the overcharging as well as gassing polarization, protect the battery and increase the charging speed.

electric vehicle; charging power supply; lead-acid battery; positive and negative pulse charging; LLC resonance; STM32 chip

2016-07-14

廣東省科技計劃項目(2013B010402002) Foundation item: Supported by the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2013B010402002)

吳開源(1978-)，男，博士，副研究員，主要從事逆變電源及其數(shù)字化智能控制研究.E-mail:wuky@scut.edu.cn

1000-565X(2017)04-0051-08

TM 46

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.04.008