沈陽(yáng)理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 石征錦 皇甫尚偉 郭瑞曦 王 康

電動(dòng)汽車(chē)先進(jìn)充電系統(tǒng)研究

沈陽(yáng)理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 石征錦 皇甫尚偉 郭瑞曦 王 康

根據(jù)目前電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)發(fā)展的情況以及充電所需要的高可靠性和高智能化的特點(diǎn)，本文提出以高頻大功率間歇變電流來(lái)滿(mǎn)足大功率，高頻率充電的要求。設(shè)計(jì)中以全橋電路為基礎(chǔ)，采用移相開(kāi)關(guān)控制方法為充電系統(tǒng)輸出高質(zhì)量電能提供控制策略。改進(jìn)后的零電壓—零電流軟開(kāi)關(guān)與鉗位電路的配合為實(shí)現(xiàn)移相全橋控制提供控制策略。該系統(tǒng)以高頻大功率間歇變電流減少了充電時(shí)間，提高了充電效率。

電動(dòng)汽車(chē)；充電系統(tǒng)；間歇變電流脈沖

0 引言

電動(dòng)汽車(chē)的充電設(shè)備主要有充電樁、充電站和換電站三種，其充電方法分別對(duì)應(yīng)的是常規(guī)充電、快速充電和機(jī)械充電。目前歐美國(guó)家主要是以充電樁為主[1]。考慮到我國(guó)的復(fù)雜條件，我國(guó)未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)的電力供應(yīng)形勢(shì)應(yīng)該是“充電樁為主、充電站為輔”，以充電樁、充電站和換電站組成電動(dòng)汽車(chē)的電力供應(yīng)系統(tǒng)[2]。為了解決充電緩慢的問(wèn)題，本文從充電方式出發(fā)提出一種高頻大功率的間歇變電流的方式來(lái)提高電動(dòng)汽車(chē)的充電效率。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)充電是將交流電轉(zhuǎn)化為直流電供給電動(dòng)汽車(chē)電池。電動(dòng)汽車(chē)的充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本文根據(jù)全橋電路的工作原理、軟開(kāi)關(guān)在全橋電路中的特點(diǎn)以及高頻大功率的要求，選擇移相全橋零電壓—零電流軟開(kāi)關(guān)電路作為電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)主電路，其原理圖如圖2所示。

圖2 移相全橋零電壓-零電流軟開(kāi)關(guān)電路原理圖

圖2中在輸出端添加了鉗位電路，其節(jié)能簡(jiǎn)單，能保證開(kāi)關(guān)的工作效率；變壓器二次側(cè)輔助電路可以抑制整流模塊在整流過(guò)程中產(chǎn)生的尖峰電壓，保證整流模塊良好的工作環(huán)境。

經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)的整流橋輸出功率Pin為1.5×104W最大輸出功率Pin約為1.6×104W，充電電路三相交流輸入電壓范圍Vin是342V～418V整流后輸出電壓Uin范圍為461.7V～564.3V。輸出電流平均值Iin(min)=28.0A，Iin(max)=34.2A ，三相整流橋每個(gè)二極管流過(guò)的電流有效值IVT(min)≈16.2A,IVT(max)≈19.7A，整流二極管所能承受最大反向電壓IVT為591.1V二極管電流裕量為2，電壓裕量為3故選用50A/1800V整流橋。

電壓比所涉及到的各因素應(yīng)該滿(mǎn)足關(guān)系：

其中，Uimin為輸入電壓下限時(shí)的整流電壓與電壓波動(dòng)量之差，即440V，Dmax取0.7，與控制電路有關(guān)，UOmax為最高輸出電壓750V，取2V。計(jì)算可知KT≦0.41。

鐵芯參考依據(jù)為：

本文中設(shè)計(jì)的變壓器傳輸?shù)墓β蔖T=31000W，鐵芯窗口面積Aw的使用系數(shù)KO取0.4，波形系數(shù)KF取4.0，開(kāi)關(guān)頻率fs取20HZ，工作磁通密度Bm取0.4T，電流密度比例系數(shù)Kj與磁芯形狀有關(guān)，本文中取300，X為常數(shù)-0.13。計(jì)算可得AθAw=155cm2。本文選用了安泰科技ONL1308040，其外徑為13cm，內(nèi)徑為8cm，厚度為4cm，有效截面積Aθ為7.2cm2，窗口面積Aw為50.27cm2。因?yàn)锳θAw=361.9＞155，所以選擇滿(mǎn)足要求。

變壓器的繞組匝數(shù)通過(guò)公式：

計(jì)算得出，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得原邊繞組N1為25，副邊匝數(shù)N2為61。整流模塊的電容計(jì)算公式為：

式中：f為三相輸入頻率。

輸出電阻計(jì)算公式RL為：

輸入電容是Cin是5～8倍的C，計(jì)算可知：Cin=627μF～1003μF，因此選用5個(gè)470μF，450V電解電容并聯(lián)作為一組，兩組再串聯(lián)。并聯(lián)后電容為：C=1175μF。添加的電感與電容一起構(gòu)成工頻LC濾波電路，查詢(xún)文獻(xiàn)，濾波電感取100mH[3]。

本文充電系統(tǒng)所選用開(kāi)關(guān)頻率選擇為fs=20KHZ。因?yàn)樽儔浩髟吥妇€(xiàn)電壓最大值為：Uinmax=564.3V，在兩倍裕量下，采用耐壓值為1200V的IGBT功率管；而原邊電流有效值48.8A，因此選用50A/1200V的IGBT。

2 電動(dòng)汽車(chē)充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要包括以下幾部分：

(1)控制核心，接收來(lái)自檢測(cè)電路、傳感器等傳送的數(shù)據(jù)；對(duì)數(shù)據(jù)按照充電系統(tǒng)功能要求進(jìn)行運(yùn)算，把運(yùn)算結(jié)果傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作；

(2)檢測(cè)部分，分為輸入電壓檢測(cè)、輸出電壓及電流檢測(cè)、電池狀態(tài)檢測(cè)等；

(3)驅(qū)動(dòng)部分，主要負(fù)責(zé)主電路中開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)，為開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)PWM零電壓零電流軟開(kāi)關(guān)提供控制信號(hào)；

(4)保護(hù)部分，分為輸入三相電路保護(hù)、輸出電路保護(hù)、主電路開(kāi)關(guān)元件保護(hù)；

(5)顯示部分，主要用來(lái)顯示電壓、電流、溫度、時(shí)間、計(jì)費(fèi)等信息。

本文所選擇控制器型號(hào)為T(mén)MS320F28335，大功率、高頻充電電源常用脈沖發(fā)生芯片有UC3875和UCC3895兩種。UCC3895性能更好，與之相比UCC3895適應(yīng)能力更強(qiáng)，可以根據(jù)需要來(lái)選擇[4]。驅(qū)動(dòng)電路選擇的是三菱公司的M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器[5]。考慮到檢測(cè)的要求，本文所有檢測(cè)部分均選用霍爾傳感器，輸入端的電壓檢測(cè)選用VSM800DP電壓型霍爾傳感器，輸出電流檢測(cè)采用霍爾電流傳感器,型號(hào)為HNC-100US。

3 電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)主控制策略設(shè)計(jì)

主控制策略為分類(lèi)以下幾部分：

(1)檢測(cè)環(huán)節(jié)，首先檢測(cè)電池電壓，溫度等外部條件是否滿(mǎn)足充電條件，不滿(mǎn)足時(shí)不啟動(dòng)充電并發(fā)出警報(bào)，滿(mǎn)足時(shí)進(jìn)入下一級(jí)；

(2)識(shí)別電池，選擇充電模式、充電電池類(lèi)型、容量，選擇的目的是為了更好的配合不同電池最佳電流接受曲線(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)安全高效充電；

(3)是否進(jìn)行快充，是則進(jìn)入快充，否則進(jìn)行普通充電，充電結(jié)束后自動(dòng)斷電，并發(fā)出提示。

用來(lái)控制充電時(shí)間的充電程序流程圖如圖3所示。首先根據(jù)主程序檢測(cè)到電池信息判斷析氣電壓是否高于設(shè)定值，若低于設(shè)定值，則開(kāi)始充電直到析氣電壓高于設(shè)定值，進(jìn)入下一階段，若高于設(shè)定值，則直接進(jìn)入下一階段。同時(shí)在充放電過(guò)程中要始終檢測(cè)析氣電壓是否高于設(shè)定值。充電階段完成后，進(jìn)入間歇變電流脈沖階段，這一階段先間歇一個(gè)固定時(shí)間，再根據(jù)計(jì)算放電一段時(shí)間，放電完成后，再次進(jìn)入間歇時(shí)間，直到析氣電壓低于設(shè)定值且極化電壓低于設(shè)定值[6]。

圖3 充電程序流程圖

4 電動(dòng)汽車(chē)充電控制系統(tǒng)仿真

本文采用的間歇變電流充電控制系統(tǒng)，其主電路采用NI公司的multisim軟件進(jìn)行仿真，仿真模型如圖4所示。

圖4 間歇變電流充電控制系統(tǒng)仿真模型

IGBT是電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)的重要原件，根據(jù)IGBT開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率可計(jì)算出其開(kāi)關(guān)周期為50μs，死區(qū)時(shí)間為5μs。IGBT仿真開(kāi)始前對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖控制信號(hào)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，Q1延時(shí)0秒啟動(dòng)，Q2延時(shí)25秒，Q3延時(shí)35秒，Q4延時(shí)10秒，然后開(kāi)始仿真。其仿真結(jié)果如圖5所示，仿真信號(hào)從上至下依次為1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)和3號(hào)。

圖5 IGBT仿真信號(hào)

由圖5看出IGBT的輸出波形為標(biāo)準(zhǔn)方波，各波形相錯(cuò)時(shí)間即移相角符合要求，波形較為理想。

經(jīng)過(guò)六脈整流后，輸出的理論波形應(yīng)該為正半周期波形，仿真的全橋整流后直流電壓波形如圖6所示，從結(jié)果看實(shí)際輸出的波形基本與理論波形相符合。

圖6 整流后電壓波形

理論上來(lái)講輸出電壓波形為交流方波，逆變后的電壓波形如圖7所示，雖然波形下降后有一段震蕩明顯但是總體與理論波形相符。

圖7 逆變后輸出電壓波形

輸出電壓波形如圖8所示，整體輸出波形中輸出電壓穩(wěn)定在定值，雖然有一定峰刺，但是這是頻率設(shè)置過(guò)高的問(wèn)題。

圖8 濾波后輸出電壓波形

在MATLAB中進(jìn)行快速充電的仿真，其仿真框圖如圖9所示。仿真結(jié)果如圖10所示，通過(guò)對(duì)比可以看出普通快速充電在充電過(guò)程中電流變化不明顯，與已知的電池充電電流接受曲線(xiàn)出入較大。改進(jìn)后的快速充電策略，電流波形遞減符合電池充電電流接受曲線(xiàn)，更符合充電理論。

圖9 電動(dòng)汽車(chē)快速充電仿真框圖

圖10 電動(dòng)汽車(chē)快速充電仿真框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)全橋電路的特點(diǎn)分析后決定采用移相控制作為全橋電路的開(kāi)關(guān)管的控制方式，然后在移相控制的基礎(chǔ)上，在二次側(cè)電路中增加鉗位電路使得整個(gè)開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)控制達(dá)到最理想狀態(tài)即零電壓零電流控制方式。最后經(jīng)過(guò)仿真得到了各重要原件的輸入或輸出波形，仿真波形和理論波形的相符驗(yàn)證了方案的可行性。由得到的電動(dòng)汽車(chē)快速充電仿真圖可以很清楚的看出，高頻間歇變電流的充電方式相對(duì)于普通快速充電更符合馬斯定律，更加符合電池充電電流接受曲線(xiàn)。因此本文提出的充電方式在電動(dòng)汽車(chē)充電方面更加優(yōu)秀，能夠提高電動(dòng)汽車(chē)的充電效率，縮短充電時(shí)間。

[1]魯莽,周小兵,張維．國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施發(fā)展?fàn)顩r研究[J]．華中電力,2011,23(5)：16-20．

[2]王相勤．當(dāng)前我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題及對(duì)策[J]．能源技術(shù)經(jīng)濟(jì),2011,23(3)：1-5．

[3]陶海敏,何湘寧．大功率可控硅整流器濾波電感設(shè)計(jì)方法研究[J]．電源世界,2002(6)：49-52．

[4]張哲,張純江,沈虹．新型移相控制UCC3895的應(yīng)用研究[J]．電力電子技術(shù),2005,39(3)：64-65．

[5]吳春華,周勤利,孫承波,等,電流源型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制裝置和方法：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

石征錦（1963-），男，遼寧沈陽(yáng)人，碩士，教授，研究方向：交、直流電力傳動(dòng)與控制。

皇甫尚偉（1992-），男，碩士研究生，研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)綜合自動(dòng)化技術(shù)。

郭瑞曦（1994-），女，碩士研究生，研究方向：先進(jìn)控制理論與應(yīng)用。

王康（1992-），男，碩士研究生，研究方向：人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)。