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電動(dòng)汽車充電器電路拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)考慮 |
| 作者：輕輕紅過 欄目：電源技術(shù) |
0 引言 早在20世紀(jì)初期，在歐洲和美國的轎車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，曾使用過電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)的電動(dòng)車已取代了昔日的馬車和自行車成為主要交通工具。電動(dòng)汽車所具有的舒適、干凈、無噪聲，污染很小等優(yōu)點(diǎn)曾一度使人們認(rèn)為這將是交通工具的一個(gè)巨大革新。但由于當(dāng)時(shí)電池等關(guān)鍵技術(shù)的困擾，以及燃油車的發(fā)展，100年來電動(dòng)汽車的開發(fā)一直受到限制。 隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展和當(dāng)今世界環(huán)境、能源兩大難題的日益突出，電力驅(qū)動(dòng)車輛又成為汽車工業(yè)研究、開發(fā)和使用的熱點(diǎn)。世界各國從20世紀(jì)80年代開始，掀起了大規(guī)模的開發(fā)電動(dòng)汽車的高潮。但電動(dòng)汽車的市場(chǎng)化一直受到一些關(guān)鍵技術(shù)的困擾。其中，比較突出的一個(gè)問題就是確保電動(dòng)汽車電池組安全、高效、用戶友好、牢固、性價(jià)比高的充電技術(shù)[1][2]。 1 充電技術(shù) 電動(dòng)汽車電池充電是電動(dòng)汽車投入市場(chǎng)前，必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。電動(dòng)汽車電池充電一般采用兩種基本方法：接觸式充電和感應(yīng)耦合式充電。 1.1 接觸式充電 接觸式充電方式采用傳統(tǒng)的接觸器，使用者把充電源接頭連接到汽車上。其典型示例如圖1所示。這種方式的缺陷是：導(dǎo)體裸露在外面，不安全。而且會(huì)因多次插拔操作，引起機(jī)械磨損，導(dǎo)致接觸松動(dòng)，不能有效傳輸電能。 圖1 接觸式充電示意圖 1.2 感應(yīng)耦合式充電 感應(yīng)耦合式充電方式，即充電源和汽車接受裝置之間不采用直接電接觸的方式，而采用由分離的高頻變壓器組合而成，通過感應(yīng)耦合，無接觸式地傳輸能量。采用感應(yīng)耦合式充電方式，可以解決接觸式充電方式的缺陷[3][4]。 圖2給出電動(dòng)汽車感應(yīng)耦合充電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化功率流圖。圖中，輸入電網(wǎng)交流電經(jīng)過整流后，通過高頻逆變環(huán)節(jié)，經(jīng)電纜傳輸通過感應(yīng)耦合器后，傳送到電動(dòng)汽車輸入端，再經(jīng)過整流濾波環(huán)節(jié)，給電動(dòng)汽車車載蓄電池充電。 圖2 EV感應(yīng)耦合充電系統(tǒng)簡(jiǎn)化功率流圖 感應(yīng)耦合充電方式還可進(jìn)一步設(shè)計(jì)成無須人員介入的全自動(dòng)充電方式。即感應(yīng)耦合器的磁耦合裝置原副邊之間分開更大距離，充電源安裝在某一固定地點(diǎn)，一旦汽車�？吭谶@一固定區(qū)域位置上，就可以無接觸式地接受充電源的能量，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)充電，從而無須汽車用戶或充電站工作人員的介入，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)充電。 2 感應(yīng)耦合充電標(biāo)準(zhǔn)—SAE J-1773 為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車市場(chǎng)化，美國汽車工程協(xié)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)要求，制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。其中，針對(duì)電動(dòng)汽車的充電器，制定了SAE J-1772和SAE J-1773兩種充電標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)應(yīng)于接觸式充電方式和感應(yīng)耦合充電方式。電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)制造商在設(shè)計(jì)研制及生產(chǎn)電動(dòng)汽車充電器中，必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)。 SAE J-1773標(biāo)準(zhǔn)給出了對(duì)美國境內(nèi)電動(dòng)汽車感應(yīng)充電耦合器最小實(shí)際尺寸及電氣性能的要求。 充電耦合器由兩部分組成：耦合器和汽車插座。其組合相當(dāng)于工作在80～300kHz頻率之間的原副邊分離的變壓器。 對(duì)于感應(yīng)耦合式電動(dòng)汽車充電，SAEJ-1773推薦采用三種充電方式，如表1所示。對(duì)于不同的充電方式，充電器的設(shè)計(jì)也會(huì)相應(yīng)地不同。其中，最常用的方式是家用充電方式，充電器功率為6.6kW，更高功率級(jí)的充電器一般用于充電站等場(chǎng)合。 表1 SAEJ-1773推薦采用的三種充電模式 充電模式 充電方式 功率等級(jí) 電網(wǎng)輸入 模式1 應(yīng)急充電 1.5kW AC120V,15A單相 模式2 家用充電 6.6kW AC230V,40A單相 模式3 充電站充電 25～160kW AC208～600V三相 根據(jù)SAE J-1773標(biāo)準(zhǔn)，感應(yīng)耦合器可以用圖3所示的等效電路模型來表示。對(duì)應(yīng)的元件值列于表2中。 圖3 感應(yīng)耦合器等效電路模型 表2 充電用感應(yīng)耦合器等效電路模型元件值 fmin(100KHZ) fmax(350kHz) Rpmax/mΩ 20 40 Lp±10％/μH 0.8 0.5 Rsmax/kΩ 1.6 1.3 Ls±10％/μH 45 55 Rmmin/mΩ 20 40 Lm±10％/μΗ 0.8 0.5 Cs/μF 0.02 0.02 匝比 4:4 4:4 每匝電壓/V 100 100 耦合效率/％ ≮99.5 ≮99.5 絕緣電阻/MΩ 100 100 最大充電電流/A 400 400 最大充電電壓/V 474 474 變壓器原副邊分離，具有較大的氣隙，屬于松耦合磁件，磁化電感相對(duì)較小，在設(shè)計(jì)變換器時(shí)，必須充分考慮這一較小磁化電感對(duì)電路設(shè)計(jì)的影響[5]。 在設(shè)計(jì)中仍須考慮功率傳輸電纜。雖然SAE J-1773標(biāo)準(zhǔn)中沒有列入這一項(xiàng)，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中必須考慮功率傳輸電纜的體積、重量和等效電路。由于傳輸電纜的尺寸主要與傳輸電流的等級(jí)有關(guān)，因而，減小充電電流可以相應(yīng)地減小電纜尺寸。為了使電纜功率損耗最小，可以采用同軸電纜，在工作頻率段進(jìn)行優(yōu)化。此外，電纜會(huì)引入附加阻抗，增大變壓器的等效漏感，在功率級(jí)的設(shè)計(jì)中，必須考慮其影響。對(duì)于5m長(zhǎng)的同軸電纜，典型的電阻和電感值為：Rcable=30mΩ；Lcable=0.5～1μH。 3 對(duì)感應(yīng)耦合充電變換器的要求 根據(jù)SAE J-1773標(biāo)準(zhǔn)給出的感應(yīng)耦合器等效電路，連接電纜和電池負(fù)載的特性，可以得出感應(yīng)耦合充電變換器應(yīng)當(dāng)滿足以下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 3.1 電流源高頻鏈 感應(yīng)耦合充電變換器的副邊濾波電路安裝在電動(dòng)汽車上，因而，濾波環(huán)節(jié)采用容性濾波電路將簡(jiǎn)化車載電路，從而減輕整個(gè)電動(dòng)汽車的重量。對(duì)于容性濾波環(huán)節(jié)，變換器應(yīng)當(dāng)為高頻電流源特性。此外，這種電流源型電路對(duì)變換器工作頻率變化和功率等級(jí)變化的敏感程度相對(duì)較小，因而，比較容易同時(shí)考慮三種充電模式進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。而且，副邊采用容性濾波電路，副邊二極管無須采用過壓箝位措施。 3.2 主開關(guān)器件的軟開關(guān) 感應(yīng)耦合充電變換器的高頻化可以減小感應(yīng)耦合器及車載濾波元件的體積重量，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的小型化。但隨著頻率的不斷增高，采用硬開關(guān)工作方式的變換器，其開關(guān)損耗將大大增高，降低了變換器效率。因而，為了實(shí)現(xiàn)更高頻率、更高功率級(jí)的充電，必須保證主開關(guān)器件的軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗。 3.3 恒頻或窄頻率變化范圍工作 感應(yīng)耦合充電變換器工作于恒頻或窄頻率變化范圍有利于磁性元件及濾波電容的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)，必須避免工作在無線電帶寬，嚴(yán)格控制這個(gè)區(qū)域的電磁干擾。對(duì)于變頻工作，輕載對(duì)應(yīng)高頻工作，重載對(duì)應(yīng)低頻工作，有利于不同負(fù)載情況下的效率一致。 3.4 寬負(fù)載范圍工作 感應(yīng)耦合充電變換器應(yīng)當(dāng)能夠在寬負(fù)載范圍內(nèi)安全工作，包括開路和短路的極限情況。此外，變換器也應(yīng)當(dāng)能夠工作在涓流充電或均衡充電等模式下。在這些模式下，變換器都應(yīng)當(dāng)能保證較高的效率。 3.5 感應(yīng)耦合器的匝比 原副邊匝比大可以使得原邊電流小，從而可采用更細(xì)線徑的功率傳輸電纜，更低電流定額的功率器件，效率獲得提升。 3.6 輸入單位功率因數(shù) 感應(yīng)耦合充電變換器工作在高頻，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。感應(yīng)充電技術(shù)要得到公眾認(rèn)可，獲得廣泛使用，必須采取有效措施，如功率因數(shù)校正或無功補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，限制電動(dòng)汽車感應(yīng)耦合充電變換器進(jìn)入電網(wǎng)的總諧波量。就目前而言，充電變換器必須滿足IEEE5191992標(biāo)準(zhǔn)或類似的標(biāo)準(zhǔn)。要滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，加大了感應(yīng)耦合充電變換器輸入部分及整機(jī)的復(fù)雜程度，增加了成本。而且，根據(jù)不同充電等級(jí)要求，感應(yīng)耦合充電變換器可以選擇兩級(jí)結(jié)構(gòu)（前級(jí)為PFC＋后級(jí)為充電器電路）或PFC功能與充電功能一體化的單級(jí)電路。 4 變換器拓?fù)溥x擇 根據(jù)SAE J-1773給出的感應(yīng)耦合器等效電路元件值，及上述的設(shè)計(jì)考慮，這里對(duì)適用于三種不同充電模式的變換器拓?fù)溥M(jìn)行了考 |
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