電動車用鋰電池車載充電機的研制

梅建偉，蔣偉榮，程登良，張 凱

（湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

電動車用鋰電池車載充電機的研制

梅建偉，蔣偉榮，程登良，張 凱

（湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

研制了電動汽車用鋰電池車載充電機，采用L4981和KA3846作為兩級功率變換的控制核心，以MC9S08DZ60作為系統監控和數據傳輸的控制核心，開發了恒壓、恒流以及充電過程控制算法，設計了兩級功率變換的硬件控制電路。樣機實驗結果表明，車載充電機較好地實現了充電過程控制、數據傳輸與監控以及保護等功能，獲得了較高的功率因素和效率。

車載充電機；AP FC逆變器；斜率補償；雙閉環控制

以動力電池為能源的電動汽車是2l世紀的綠色工程，隨著電動汽車研究的深入，電動汽車的相關技術也得到國內外的廣泛重視，車載充電機被列入“十五”～“863”電動汽車重大專項，目前國內的一些生產單位的充電機主要面向電瓶車、游覽車以及電池維護等應用場合，僅有的幾家單位生產的電動汽車車載便攜式充電機很難滿足車載充電機需求的快速發展，研制電動汽車大功率高功率密度充電機具有重要意義。

1 主電路拓撲結構

該主電路是一中帶隔離變壓器的兩級功率因素校正電路，其中，Lg1，lg2及輔助電容組成輸入EM I濾波器，L1，C1，D1，C3，Q5構成升壓型前級PFC電路，Q1，Q2，Q3，Q4，T1，D2，D3，D4，D5組成后級的功率轉換電路，Lg3，lg4及輔助電容組成輸出EM I濾波器，顯著減小紋波數值[1]。圖1為充電機主電路結構圖。

2 硬件電路設計

2.1 主要技術參數

（1）輸入電壓：AC 85～265 V；輸出電壓：DC 120～175.2 V；

圖1 充電機主電路結構圖

（2）額定電流：16 A；功率因素：＞97%；效率：＞93%；

（3）體積：330mm×262mm×110mm，質量＜12 kg；工作溫度：－20～85℃。

2.2 兩級AP FC電路設計

為減小充電機對電網的污染，降低諧波含量，必須提高充電機的功率因素。采用有源兩級串聯方案。其中前級為Boost型DC-DC變換器，實現有源功率因素調整，后級為DC-DC變換器實現輸出功率調節和輸出。Boost型DC-DC變換器采用硬件控制模式，電感電流工作在CCM工作模式，采用平均電流控制方法，減小開關管的應力[2-3]。

（1）儲能電感設計

在連續模式中，在每一個開關周期中，儲存在升壓電感中的能量不是全部轉移到輸出電容中，電感值的大小決定了輸入端的高頻紋波電流的大小，這有助于減小噪音和輸入濾波器。

根據前面提供的技術參數，電感電流的波動量為電路平均電流的30%左右。

考慮到電感的體積和抗飽和特性，磁芯材料采用鐵硅鋁，環型磁芯。

（2）輸出儲能電容設計

輸出儲能電容的大小主要取決于輸出電壓、輸出功率、電壓紋波以及過電壓值。

連續工作模式中，當開關管導通時，電容一直放電，電容的平均電流等于輸出平均電流，即：IC=I0，電容峰-峰波動電壓為：，課題中則

（3）變壓器設計

課題中采用的高頻變壓器的工作頻率為35 kHz，因此要求鐵心高頻損耗小，導磁能力強，抗飽和能力強。因此這里采用鎳鋅EE型磁芯。

由于骨架占用鐵心窗口面積，實際利用的磁心窗口面積僅僅能達到理論值的0.6，因此整個窗口利用系數被降低了，此時磁心幾何常數要乘上1.67，并且窗口利用系數按0.24計算電流密度，故：

我們選用鐵粉末EE型磁心，磁心型號為EE55B。

2.3 控制電路設計

控制電路的主要功能為：APFC驅動與控制、逆變橋驅動與控制、信號采集、充電過程控制以及保護功能。所以本控制系統分為以下幾個部分。圖2為系統控制結構框圖。

圖2 系統控制結構框圖

（1）APFC控制電路

課題采用控制芯片是L4981A，是一款連續模式平均電流控制器，可以在較寬的輸入電壓范圍、功率范圍內功率因素高達0.99，具有完善的過壓、過流以及軟啟動功能。控制電路如圖3所示，其中RST端用單片機控制L4981A的啟動和停止，IAC，VRMS為前饋補償的電壓和電流輸入，13腳和14腳構成輸出電壓反饋電路，5腳、8腳和9腳構成電流反饋電路，電壓反饋環是外環，電流反饋環是內環，電壓反饋的輸出作為電流反饋環的參考值[4]。

圖3 P FC控制電路圖

（2）逆變控制電路

逆變電路采用電流型控制芯片KA3846，為了抑制電路中的震蕩，采用斜率補償技術，取自震蕩電容的電壓與開關管的電流取樣電壓進行疊加，如果自震蕩電容的電壓斜率等于輸出電感電流下降斜率的一半，那么輸出電感電流的平均值與開關管的脈沖寬度無關，這樣就解決了只恒定電感峰值電流而不是恒定電感平均電流而造成的問題。其控制和補償電路如圖4所示。

圖4 逆變器控制電路圖

（3）電壓/電流調節控制電路

圖5中，U0，I0是輸出電壓和輸出電流反饋，其中U1A的1腳是電流外環的輸出做為電壓內環的參考值，R3，C1是電流環的反饋補償環節，R14，C13是電壓環的反饋補償環節，線性光藕U7的輸出是U14的5腳輸入，該輸入電壓是調節脈沖寬度的控制電壓[5-6]。

圖5 雙閉環控制電路圖

3 軟件設計

軟件系統的功能主要完成啟動前的診斷，判斷充電機工作前的各項指標是否符合要求。符合技術要求后，軟件系統控制各個模塊進入啟動子程序，啟動完成后，有軟件控制充電過程，同時對充電機的運行狀態進行檢測，決定系統是進入正常運行模式還是保護工作模式。

3.1 充電過程控制結構原理

正常啟動后，開始恒流16 A充電，外環為電流環，當充電電壓達到175.2 V以后，開關K合上，系統開始恒壓充電，直到充電電流小于0.5 A以后充電完成，系統安全關機，充電過程控制原理圖如圖6所示。

圖6 雙閉環控制框圖

Ig是給定的輸出電流值，If是反饋電流值，Ug是電流環的輸出作為電壓環的參考值，Uf是反饋電壓值[7-10]。

3.2 啟動過程控制原理

啟動流程是否合理決定了Boost電路的超調量、逆變橋的可靠性以及輸出繼電器是否能可靠工作。啟動后，診斷系統檢查輸入是否過壓、欠壓，電池狀態是否正常，是否過熱，自檢正常后，進入啟動工作模式。啟動流程圖如圖7所示。

圖7 啟動過程流程圖

3.3 測試結果以及數據分析

根據東風某公司某型電動車車載充電機的技術要求和國家標準，我們制作了樣機，在單相交流電壓85～265 V的范圍內，分別進行了啟動PFC與不啟動PFC兩個環境下，對充電機的各項技術指標進行了測試，實際測試結果如圖8所示，各種條件下的測試數據如表1所示。

圖8 關鍵節點波形圖

（1）測試數據

表1 單機系統測試數據

（2）數據分析

本系統樣機單機功率為1 500W，系統要求輸入電壓的范圍為85～265 V，輸出直流電壓為0～175.2 V，輸出電流為0～16 A，利用功率分析儀對該樣機進行了測試，根據測試結果得到下面結論：

(a)在較寬的交流輸入電壓范圍和較大的負載變換范圍內，功率因素都在0.99以上，具有較好的功率因素校正功能；

(b)采用具有斜率補償功能的電流型控制芯片KA3846，極大地提高了功率轉換部分的可靠性，同時降低了輸出電壓的紋波；

(c)對系統輸出電壓和電流的測試，充電機的充電過程實現了啟動過程、恒流到恒壓的無擾動轉換。

4 結論

兩級PFC模式的車載充電機具有獨立的PFC單元，其與功率轉換單元相對獨立，該車載充電機具有較高的功率因素，可靠性高，目前應用該充電機的純電動車已經投入運行，運行效果良好。后期的主要工作是提高系統的運行效率和減小體積，提高整機的性價比。

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Development of lithium battery on-board charger forelectric vehicle

MEIJian-wei,JIANGWei-rong,CHENG Deng-liang,ZHANG Kai
(College of Electricaland Information Engineering,HubeiUniversity of Automotive Technology,Shiyan Hubei442002,China)

The lithium battery on-board charger was developed for electric vehicles with L4981A and KA3846 as system control core. With MC9S08DZ60 as system monitoring and data transmission control core, the control algorithm was developed,such as constant voltage,constant current and charging process,and control circuit of the power transform was designed. Prototype experimental results show that control of the charging process, data transmission,monitoring and protection functions of the on-board charger are achieved and high power factor and efficiency was obtained.

on-board charger;APFC,inverter;slope compensation;double-loop control

TM 912

A

1002-087 X(2013)11-1951-03

2013-04-08

并聯型車載充電機關鍵基礎問題研究（ZDK201201）

梅建偉（1978—），男，湖北省人，講師，主要研究方向為特種電源研制與DSP應用。