大功率電動汽車充電裝置的實驗研究

余岳 汪紅霞

摘 要：根據設計目標：充電裝置輸出功率10kw，充電樁主電路由輸入電路、全橋DC/ DC 直流變換器和輸出電路組成，輸出最大電流100 A，輸出最高電壓100 V，輸出電壓紋波控制在±2%以內，從硬件結構，控制算法的層面上對系統進行設計，實驗結果證明了設計的可行性，

關鍵詞：大功率充電樁 實驗研究 硬件設計

中圖分類號：T H1 3 3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-00-01

1 充電樁硬件設計

1.1 硬件總體結構

系統主要包括8個部分：交流輸入：50 Hz 220 V的市電，主電路拓撲結構有待進一步的確定（全橋式開關電源電路），充電對象：電動汽車車用鋰電池，驅動電路：用于驅動主電路的開關，保護電路：用于系統過壓、過流、短路、過熱等保護，采樣電路：用于采集充電電池的電壓和電流信號，控制電路：與上位機通信并實現相應的控制算法，人機交互界面（上位機）：對系統進行全面的監控（電池電壓、充電電流、溫度、電池電量等）；能夠進行相應的設置（充電模式設定、充電電量設定、主電路輸出電壓、電流的設定等）。

1.2 主電路拓撲結構

主電路拓撲結構如圖1所示主電路是能量傳遞單元，其可靠性、效率高低影響到整個充電器的工作。因此，根據功率傳遞要求，選擇合適的拓撲結構是十分重要的。常用拓撲結構可分為隔離型與非隔離型。與隔離型相比，非隔離型雖然也能完成電壓變換的功能，但存在著局限性：如輸入輸出不隔離存在安全隱患，輸入輸出電壓電流比不能太大，無法實現多路輸出等，比較適用于小功率場合。全橋拓撲與半橋拓撲相比，在輸入電壓和輸入電流相同的情況下，能夠提供兩倍的功率，適用于大功率的場合?？紤]到本系統輸出功率的要求及以后的可拓展性，可以選擇全橋式變換器作為我們的主回路。主電路主要包括兩個不可控整流橋，4個IGBT，兩個濾波電感L1、L2，兩個濾波電容C1、C3，一個變壓器及其初級阻斷電容C2，一個二極管D1。系統輸入電壓為AC380 V，經過不可控整流得到C1上的電壓為537 V。本系統參數定為：最高充電電壓為DC380 V，最大充電電流為100 A，功率等級為10 kW，變壓器匝數比為1∶2。

2 控制算法

對鋰電池模型負載進行先恒流（CC）再恒壓（CV）控制。鋰電池組充電模式采用“恒流―恒壓”兩階段充電模式。充電開始階段，一般采用最優充電倍率（鋰離子電池為0.3C）進行恒流充電。（C是電池的容量，如C=800 mAh，1C充電率即充電電流為800 mA）在這一階段，由于電池的電動勢較低，即使電池充電電壓不高，電池的充電流也會很大，必須對充電電流加以限制。所以，這一階段的充電叫“恒流”充電，充電電流保持在限流值。隨著充電的延續，電池電動勢不斷上升，充電壓也不斷上升。當電池電壓上升到允許的最高充電電壓時，保持恒壓充電。在這一階段，由于電池電動勢還在不斷上升，而充電電壓又保持不變，所以電池的充電流呈雙曲線趨勢不斷下降，一直下降到零。

但在實際充電過程中，當充電電流減小到0.015C時，說明充電已滿就可停止充電。這一階段的充電叫“恒壓”充電，這一階段的充電電壓：U=E+IR為恒壓值。這是鋰離子動力電池組對充電模式的基本要求該文采用方波調制策略，方波信號頻率5 kHz，鋸齒波（載波）頻率60 kHz，調制范圍0～1。

3 實驗結果

期望輸出直流電壓為80 V，輸出電流達到101 A時，實驗結果如圖2：當負載電流為達到101 A時，實際輸出電壓為80.9 V，輸出電壓精度為1.125%。

圖2 輸出電壓電流波形

4 結語

通過實驗研究，以單相零電壓零電流開關切換DC-DC變換器為基礎，研究一種基于DC-DC變換器的電動汽車充電樁的拓撲結構，同時，對零電流開關切換DC-DC變換器的控制策略進行研究，10 kW 充電樁電路結構簡單、設計合理、工作可靠。性能完全符合設計要求。