貝能國際

摘要：本文分析了車載充電機在電動車輛（EV）或混合動力電動車輛（H EV）在48～800 V電壓范圍內(nèi)為動力電池充電上的應(yīng)用，車載充電機的功能，常用的拓撲結(jié)構(gòu)，以及使用Microchip 16位MCU在數(shù)字電源設(shè)計上的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：MCU；車載充電；拓撲結(jié)構(gòu)

DOI： 10.3969/j.issn.1005—5517.2018.7.021

隨著我國成為全球最大的汽車銷售市場，汽車行業(yè)也進入發(fā)展新階段。近幾年，我國也不斷提倡發(fā)展包括新能源汽車在內(nèi)的節(jié)能汽車，其中電動汽車（ EV）和混合動力汽車（ HEV）成為熱點，而車載充電（OBC）是電動汽車應(yīng)用中的一大重要部分。

1 車載充電機工作原理

直流充電機由電網(wǎng)輸入交流電，經(jīng)過橋式可控整流電路整流后，通過PFC調(diào)制，后級濾波后提供給高頻DC-DC功率變換器，功率變換器經(jīng)過AC-AC變換輸出需要的直流電壓，再次經(jīng)過電容濾波后為電動汽車動力蓄電池或者鋰電池進行充電，車載充電器對電動汽車進行充電是電力從AC轉(zhuǎn)DC的一個過程。

以全橋充電機為例，簡單的動力電源部門框圖如圖

2 所示。

2 車載充電機分類以及充電形式

目前車載充電機按照輸入AC來分，可以分為單相和三相車載充電機：從市場應(yīng)用廣度來看，因為限于重量和尺寸，較少有大于11 kW的充電機。

車載充電機安裝到EV或者HEV電動車上，車與充電基礎(chǔ)設(shè)施間采用了標(biāo)準(zhǔn)的交流保險絲和連接器，我們稱之為交流樁，這種交流樁起到安全供電，出現(xiàn)過流過壓等突然狀況，可以將熔絲熔斷，或者通過壓敏進行電壓保護，從而保護充電機不受到損壞，同時現(xiàn)在車載充電機都是使用電子式控制和調(diào)節(jié)，往往在充電機內(nèi)部也已經(jīng)加入保護單元。

如圖3，目前充電方式，車載充電機使用左側(cè)的方式。右側(cè)是直流充電樁，充電樁功率較大，多大于15KW，作為電動車的集中充電使用。

3 車載充電機的特點

車載充電機的特點可以用六個字概括：智能、安全、高效。

·高功率因數(shù)：交流輸入采用有源功率（ PFC）因數(shù)校正，功率因數(shù)>0.98，實現(xiàn)綠色電網(wǎng)；

·高效率：整機采用LLC諧振軟開關(guān)變化技術(shù)，滿載效率>94.0%，發(fā)熱量小、可靠性高：

·寬電壓輸入范圍：90 VAC～264 VAC，滿足國內(nèi)外電網(wǎng)的需求；

·安裝方便：采用風(fēng)冷式密封防水結(jié)構(gòu)，溫升比自然冷卻低，整機可靠性高；

·對電池采用智能充電：內(nèi)置微處理器，充電過程中判斷電池的相對容量和識別環(huán)境溫度，根據(jù)電池的相對容量大小和環(huán)境溫度采用不同的充電曲線，全過程恒流控制，電池均衡性好，能有效延長電池使用壽命。

4 車載充電機的保護功能

·過熱保護：當(dāng)充電器內(nèi)部溫度超過80。C時，充電電流自動減少，超過87。C時，充電機關(guān)機保護，溫度下降時，自動恢復(fù)充電：

·電池反接保護：電池接反時充電器內(nèi)部電路與電池斷開，不會損壞充電器：

·空載保護：不接電池時無輸出：

·短路保護：輸出短路時充電器內(nèi)部電路與電池斷開，只有當(dāng)故障排除后重新接入電池才可恢復(fù)充電；

·充滿自動關(guān)機：充電器判斷電池充滿后自動關(guān)機。

通過以上分析可看出，車載充電機充分考慮車載使用的場合，進行嚴(yán)格自我保護措施，保證充電對人身和電動汽車的保護同時轉(zhuǎn)換效率也比較高。

5 車載充電機目前常用的拓撲結(jié)構(gòu)

對于拓撲結(jié)構(gòu)，本文按照常用的拓撲舉例說明，主要是PFC（功率因數(shù)）和LLC（DCDC轉(zhuǎn)換）兩部分。PFC由兩個獨立升壓轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接，180度反相工作，非常適合尺寸受限的大功率應(yīng)用。圖5是交叉式PFC各部分的波形，其中兩路PWM是交叉式PFC的MOS控制信號，后面是各部分的電流波形。

交錯式PFC（圖4）的優(yōu)點：

電感紋波電流是反相的，趨向于相互抵消。當(dāng)占空比為50%時，可以實現(xiàn)最佳的電流紋波消除。電感存儲電能要求是單相PFC的二分之一（磁量減?。┙诲e還可減小輸出電容紋波電流效率更高導(dǎo)通損耗為單相的二分之一；最大紋波電流將出現(xiàn)在最小輸入電壓的峰值處（85Vac）。大約70%的占空比產(chǎn)生約為電感紋波電流60%的輸入電流紋波。

目前看，車載充電機大多都是采用LLC作為DCDC的主要拓撲結(jié)構(gòu)，如圖6所示。串并聯(lián)諧振LLC拓撲優(yōu)點為高效率、低噪聲、高功率密度、無法對輸入電壓進行降壓或升壓通過改變開關(guān)頻率來控制輸出電壓（占空比是恒定的50%）具有兩個工作區(qū)域：電感區(qū)域，允許零電壓開關(guān)（ ZVS）；電容區(qū)域，允許零電流開關(guān)（ZCS）。

6 車載充電機拓撲結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式

從目前常見電路設(shè)計來看，其電路拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要分為兩類：

1）采用硬件方式的PFC+LLC

采用『nfineon公司的專用芯片IDP2303：同時采用單片機進行軟件輔助的方式，通過內(nèi)置單片機來進行充電過程中判斷電池的相對容量和識別環(huán)境溫度，根據(jù)電池的相對容量大小和環(huán)境溫度采用不同的充電曲線，全過程恒流控制；軟件輔助部分采用8 bit MCU就可以完全實現(xiàn)，8bit MCU內(nèi)置充電曲線，能夠給所需要的電池選擇不同的充電曲線：以車載充電機廠商經(jīng)常使用的MicrocHip公司PIC18F系列MCU PlC18F45K80-I/PT為例，該器件帶有CAN通信接口，能夠滿足客戶CAN 250 K的通信速率，同時這顆MCU具有數(shù)字存儲功能，可以節(jié)省外部存儲器：這種采用硬件PFC+LLC的能力傳遞方式，輔助以單片機系統(tǒng)進行外部參數(shù)的測試，傳遞給硬件的PFC和LLC進行參數(shù)設(shè)置，另外單片機進行輔助也提供了良好的人機交互界面，目前為眾多車載充電機的生產(chǎn)廠商采用：這種做法的優(yōu)點是可以通過模擬芯片進行AC到DC的能量傳遞，減少軟件算法的難度，而輔助的8 bitMCU，只是進行輔助功能的檢查，幫助降低軟件難度，為開發(fā)人員提供極為方便地人機交互。

2）采用純數(shù)字處理方式

所謂數(shù)字的處理方式，就是通過專用的MCU進行車載充電機的電源算法，模擬硬件PFC和LLC的控制方式，同時具有更加靈活的控制方式，另外還可以規(guī)避硬件方式的缺點；目前在數(shù)字單片機進行電源算法的實現(xiàn)，通常使用16bit或者32bitMCU。

例如Microchip的16bitGS系列控制器芯片，專門為數(shù)字電源控制設(shè)計，帶有豐富的數(shù)字電源外設(shè)，內(nèi)置的運算放大器高達40 M的帶寬，完美的適合數(shù)字電源的設(shè)計，32位乘法器，以及單周期的乘法器和觸發(fā)器極大方便算法的運算，高分辨率的PWM（1.04 ns PWM分辨率）和12bit的AD，極大地提高了PWM調(diào)制的精度和采用的精度。

關(guān)于軟件方面，Microchip公司為了方便客戶設(shè)計，在軟件開發(fā)環(huán)境MPLAB XIDE中集成了DCDT數(shù)字補償器設(shè)計軟件，方便開發(fā)人員進行數(shù)字補償器的設(shè)計。

7 充電機數(shù)字電源設(shè)計實例

開發(fā)人員使用dspic33 GS系列設(shè)計一個數(shù)字電源，采用交錯式PFC+半橋LLC結(jié)構(gòu)。交錯式PFC，如圖7所示。

軟件實現(xiàn)電流和電壓補償時，對于不同的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)入口參數(shù)使用到不同系統(tǒng)。如圖8所示。

LLC半橋：

開發(fā)人員可以根據(jù)自己的設(shè)計的系統(tǒng)進行配置，如圖9是三型補償器3P32的系數(shù)計算。

8 結(jié)論

車載充電機發(fā)展趨勢是數(shù)字化控制系統(tǒng)，Microchip公司有專用的車載充電機電源控制MCU，并為廣大的車載工程師提供更合適開發(fā)設(shè)計的16bit GS系列控制芯片，同時提供了數(shù)字補償器的設(shè)計軟件，方便工程師進行參數(shù)的設(shè)置，縮短產(chǎn)品最終上市時間。

參考文獻：

[l]Antonio Bersani，Alex Dumais and Sagar Khare Microchip Technology inc. AN1336 DC/DCLLC Reference Design Using the dsPIC DSC

[2]Meeravali Shaik and Ramesh Kankanala Microchip Technology Inc. AN1477 Digita！Compensator Design for LLC Resonant Converter777

[3]Andreas Reiter and Alex Dumais Microchip Technology Inc.AN1421 Platinum-rated AC/DCReference Design Using the dsPIC

[4]邱慧.車載充電機拓撲結(jié)構(gòu)對比[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（8）