電動汽車充電樁設計研究

摘 要:通過分析大功率充電樁項目實施的必要性，根據設計目標:充電樁輸出功率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100A，輸出最高電壓380V，輸出電流紋波控制在±1%以內，從硬件結構，控制算法的層面上對系統進行設計，仿真結果證明了設計的可行性，

關鍵詞:充電樁 設計

中圖分類號:TU-9文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)08(a)-0037-011 引言

面對當前全球“能源危機”和全球“氣候變暖”等問題，新能源的發展和應用越來越受到關注。因此，新能源汽車也日益成為全球競相發展的熱門產業。電動汽車作為未來新能源汽車發展的大方向，必將引起越來越多的重視。隨著電動汽車的進一步發展，必將帶動電動汽車充電設備的發展和使用。近年，電動汽車充電樁得到了迅猛的發展。但是現有的大多數電動汽車充電樁主要存在如下問題。

1.1 充電速度慢

電動汽車充電時間長是電動汽車推廣應用的難題之一。對應不同特性的電池，例如，鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，電池充電模型各有不同，因此要求充電樁能根據不同的電池對象，選擇相應的最佳充電算法以達到最快充電速度。

1.2 充電對象單一

目前，市場上已有的充電樁，一般只針對一種蓄電池充電，而能夠針對不同蓄電池快速充電的充電樁還非常少見。

1.3 高頻變壓器損耗高且難于設計

為了實現電氣隔離，同時減小變壓器體積與重量，電動汽車充電樁結構上通常采用高頻變壓器進行隔離。但是，隨著電動汽車充電樁的容量不斷增大，高頻變壓器的損耗也在不斷增加。在大輸出電流的條件下，為了減小高頻變壓器漏感和鐵損，使高頻變壓器的設計越來越困難。

為了克服傳統電動汽車充電樁的局限，必需改進電動汽車充電樁的拓撲形式和控制算法，高性能電動汽車快速充電樁由此應運而生。高性能電動汽車快速充電樁不僅能夠實現傳統電動汽車充電樁的所有功能，并且具有:充電速度快、充電對象多樣、高頻器件設計容易等優點。

2 充電樁整體設計

2.1 硬件設計

電動汽車充電樁作為一種電力變換裝置在電動汽車充電設備中的應用，在上個世紀就已經提出。電動汽車充電樁通常由一個單相或者三相不可控整流橋將單相交流電或者是三相交流電整流成直流，然后通過一個DC-DC變換電路轉化為直流電壓和直流電流都可控的電源給蓄電池充電。目前的研究主要集中在采用高頻變壓器作為隔離元器件，使用ZVZCS算法進行控制，這種結構是采用4個開關組成一個逆變器電路，結構緊湊，功率密度大，其主電路拓撲結構簡單，并具有諸多的理想特性具有廣闊的應用前景。

2.1.1 系統總體結構

系統主要包括8個部分:交流輸入:50Hz 220V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)。

2.1.2 主電路拓撲結構

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。

根據是否有隔離變壓器，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。常用的隔離變換器有推挽式、正激式、反激式、及半橋和全橋。正激式與反激式受到自身輸出功率的限制，適用于輸出功率為幾百瓦的場合。推挽式的輸出功率較大，但開關管的最大電壓應力兩倍與直流輸入電壓，且存在磁通不平衡等問題，限制了它的應用。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。考慮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AC380V，經過不可控整流得到C1上的電壓為537V。

本系統參數定為:最高充電電壓為DC380V，最大充電電流為100A，功率等級為10kW，變壓器匝數比為1∶2。

2.2 控制策略

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=800mAh， 1C充電率即充電電流為800mA)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。此外，充電系統還必須具有自動調節充電參數、自動控制和自動保護功能。尤其在恒壓充電階段，如果單體電池的充電電壓超過允許的充電電壓時，充電樁應能自動減小充電電壓和電流，使該電池的充電電壓不超過允許的充電電壓，防止該電池過壓充電。本文采用方波調制策略，方波信號頻率5KHz，鋸齒波(載波)頻率60KHz，調制范圍0～1。

3 仿真結果

恒壓臨界點設定為直流100V，期望輸出直流電壓為100V，模擬電容值15e-2模擬電容初始電壓0V電阻0.1，充電終止時間0.182s超調0V。

仿真結果分析如下:在0.14s以前是CC充電階段(恒定電流為100A)，之后是恒壓充電(恒定電壓100V)到0.2s基本將電池充滿。黃線表示電池內部實際電壓值(模擬電容電壓)。

4 結語

通過仿真研究，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，10kW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。