車載充電機拓撲結構對比

邱慧+蔡群英

摘 要

面對傳統燃油汽車因尾氣排放造成的污染及其對石油等自然資源的過渡消耗，電動汽車成為各國發展的熱點。目前許多國家的政府、各大汽車生產廠商以及各個科研機構都在從事電動汽車技術的研究。而電動汽車車載充電機是電動汽車中的一個重要部件，對電動汽車的發展及推廣應用都有很重要的作用。

【關鍵詞】車載充電機 拓撲 PFC DCDC

電動汽車從供電電源處獲取電能，并將電能轉換為蓄電池的化學能，當汽車運行時提供給電動汽車行駛的動能。其充電技術是電動汽車的一項重要的技術，目前充電機根據應用環境，主要有地面式充電機和車載充電機。地面式充電機一般安裝在地面，可適應不同的充電需求進行大功率地快充或者小電流地慢充。而車載充電機安裝在電動汽車上，一般設計為能與普通的民用交流電源插座連接，用以對電動汽車進行小功率慢速充電，而車載充電機與地面式充電機不同，其除了要考慮充電對蓄電池的影響，還需要對整個充電機的體積、重量、環境因素、車內布局等因素進行考慮，同時由于其大部分采用民用電力進行充電，還需要考慮充電機對電網的影響。

1 車載充電機總體結構

國內外都針對電動汽車車載充電機進行了研究，目前采用的結構分為兩大類，一種是不控整流加高頻隔離直流變換器。這種結構一般來說對功率有很大限制且功率因數較低，對電網造成的污染較大，因而其大量接入電網可能會對電網的穩定產生影響，但是這種結構滿足安全的要求，且一般成本較低，其體積和重量也較容易控制。該結構中，不控整流模塊將電網的交流電能轉換為直流電能，并進行穩壓濾波后，再通過DC/DC變換器將電能變換為可以對蓄電池進行充電的電能。

另一種是前級功率因數校正，后級隔離直流變換器的結構。這種結構也可以滿足安全的要求，且對電網污染小，能實現低諧波和高功率因數的要求，但是由于其兩級結構導致其裝置一般體積會較大，成本較高。該兩級結構中的第一級為PFC電路，其可提高輸入的功率因數并抑制高次諧波；而第二級為DC/DC變換器，其將電能變換為可以對蓄電池進行充電的電能。而這種兩級結構中也有串聯的并聯兩種連接方式，而串聯型結構應用最多。其總體結構如圖1所示。

2 車載充電機電路設計

由前級PFC和后級DCDC構成的兩級結構由于其對電網污染小，能滿足效率和功率因數的要求，因而應用最多。

2.1 前級PFC結構

前級PFC電路用于輸出穩定的電壓，同時使輸入具有較高的功率因數。其典型的前級PFC電路結構由BOOST型升壓電路、交錯并聯型PFC等。

2.1.1 BOOST型升壓電路

Boost型升壓電路作為前級功率因數校正的應用由于其結構簡單，控制結構簡單，工作性能穩定等優點，因而應用很廣，其拓撲結構如圖2所示。

該電路的優點是輸入電流連續，EMI和RFI較低，其輸入電感可以降低對輸入濾波的要求，功率因數較高，其缺電是隨著輸出功率的增加，其導通損耗增大，效率降低同時對散熱也有較高要求，其電感體積較大，輸出紋波電流也較大。

2.1.2 交錯并聯型PFC

隨著功率等級的不斷提高，BOOST型PFC的使用受到限制，而交錯并聯技術能夠有效降低功率器件的電流應力，減小電流紋波和磁性元件的體積并提升設備的功率等級，因而交錯并聯型PFC在車載充電機中的引用也非常常見。其拓撲結構圖如圖3所示。

典型的交錯并聯Boost PFC電路采用兩路Boost電路并聯，相互互補工作。其電路的優點是工作時由于電路紋波電流的抵消使得輸入和輸出的紋波電流較低，其相應的濾波電路尺寸可以減小，相比Boost型升壓電路，其損耗降低，但是其器件數目增加帶來的控制電路使得其成本升高，其對散熱也有較高要求。

2.1.3 其他PFC結構

除上述Boost型和交錯并聯PFC外，其他PFC電路，如全橋PFC、Buck、Buck/Boost、反激式、Cuk式、Zeta式，也在一些設計中有其應用。

2.2 后級DCDC結構

后級DCDC一般受控于電池管理系統，根據電池組反饋的電量信息和所需的充電模式，即使調整輸出，以實現智能充電。

2.2.1 移相全橋DCDC變換器

其可以達到最大的輸出功率，因而其適用于大功率的場合，但是由于其結構及其控制電路復雜導致其陳本較高，可靠性相對較低。其結構如圖4所示。

2.2.2 LLC諧振變換

LLC諧振電路具有開關損耗低、輸入電壓輸出電壓調節范圍寬的優點，由于其諧振元件都集中到一個磁性元件上因而減小了變換器的體積。然而由于其參數眾多，因而導致其工作過程復雜，調試難度大。其結構如圖5所示。

2.2.3 其他DCDC電路

除上述移相全橋型和LLC諧振外，還有推挽式電路，其通態損耗較小，驅動簡單，這適用于低電壓、大電流的工作場合，全橋DCDC電路適合一些大功率應用的場合，其他如有源鉗位正激式電路等也在一些設計中有其應用。

3 總結

隨著電動汽車在世界范圍內受到越來越多的關注，其市場潛力十分大，而電池及其充電技術仍然是一個限制電動汽車普及的因素，其中的車載充電技術也是亟待發展的，電動汽車惡劣的車載條件對其效率、功率因數、功率密度和溫度等提出了更高的要求。在現有市場中，其各種拓撲結構各有其優缺點，根據功率需求、輸出電壓、電流等級要求、成本等具體要求的不同，其車載充電機的具體拓撲結構是多種多樣

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