車載充電機的應用

貝能國際

摘要：本文分析了車載充電機在電動車輛（EV）或混合動力電動車輛（H EV）在48～800 V電壓范圍內為動力電池充電上的應用，車載充電機的功能，常用的拓撲結構，以及使用Microchip 16位MCU在數字電源設計上的優勢。

關鍵詞：MCU；車載充電；拓撲結構

DOI： 10.3969/j.issn.1005—5517.2018.7.021

隨著我國成為全球最大的汽車銷售市場，汽車行業也進入發展新階段。近幾年，我國也不斷提倡發展包括新能源汽車在內的節能汽車，其中電動汽車（ EV）和混合動力汽車（ HEV）成為熱點，而車載充電（OBC）是電動汽車應用中的一大重要部分。

1 車載充電機工作原理

直流充電機由電網輸入交流電，經過橋式可控整流電路整流后，通過PFC調制，后級濾波后提供給高頻DC-DC功率變換器，功率變換器經過AC-AC變換輸出需要的直流電壓，再次經過電容濾波后為電動汽車動力蓄電池或者鋰電池進行充電，車載充電器對電動汽車進行充電是電力從AC轉DC的一個過程。

以全橋充電機為例，簡單的動力電源部門框圖如圖

2 所示。

2 車載充電機分類以及充電形式

目前車載充電機按照輸入AC來分，可以分為單相和三相車載充電機：從市場應用廣度來看，因為限于重量和尺寸，較少有大于11 kW的充電機。

車載充電機安裝到EV或者HEV電動車上，車與充電基礎設施間采用了標準的交流保險絲和連接器，我們稱之為交流樁，這種交流樁起到安全供電，出現過流過壓等突然狀況，可以將熔絲熔斷，或者通過壓敏進行電壓保護，從而保護充電機不受到損壞，同時現在車載充電機都是使用電子式控制和調節，往往在充電機內部也已經加入保護單元。

如圖3，目前充電方式，車載充電機使用左側的方式。右側是直流充電樁，充電樁功率較大，多大于15KW，作為電動車的集中充電使用。

3 車載充電機的特點

車載充電機的特點可以用六個字概括：智能、安全、高效。

·高功率因數：交流輸入采用有源功率（ PFC）因數校正，功率因數>0.98，實現綠色電網；

·高效率：整機采用LLC諧振軟開關變化技術，滿載效率>94.0%，發熱量小、可靠性高：

·寬電壓輸入范圍：90 VAC～264 VAC，滿足國內外電網的需求；

·安裝方便：采用風冷式密封防水結構，溫升比自然冷卻低，整機可靠性高；

·對電池采用智能充電：內置微處理器，充電過程中判斷電池的相對容量和識別環境溫度，根據電池的相對容量大小和環境溫度采用不同的充電曲線，全過程恒流控制，電池均衡性好，能有效延長電池使用壽命。

4 車載充電機的保護功能

·過熱保護：當充電器內部溫度超過80。C時，充電電流自動減少，超過87。C時，充電機關機保護，溫度下降時，自動恢復充電：

·電池反接保護：電池接反時充電器內部電路與電池斷開，不會損壞充電器：

·空載保護：不接電池時無輸出：

·短路保護：輸出短路時充電器內部電路與電池斷開，只有當故障排除后重新接入電池才可恢復充電；

·充滿自動關機：充電器判斷電池充滿后自動關機。

通過以上分析可看出，車載充電機充分考慮車載使用的場合，進行嚴格自我保護措施，保證充電對人身和電動汽車的保護同時轉換效率也比較高。

5 車載充電機目前常用的拓撲結構

對于拓撲結構，本文按照常用的拓撲舉例說明，主要是PFC（功率因數）和LLC（DCDC轉換）兩部分。PFC由兩個獨立升壓轉換器并聯連接，180度反相工作，非常適合尺寸受限的大功率應用。圖5是交叉式PFC各部分的波形，其中兩路PWM是交叉式PFC的MOS控制信號，后面是各部分的電流波形。

交錯式PFC（圖4）的優點：

電感紋波電流是反相的，趨向于相互抵消。當占空比為50%時，可以實現最佳的電流紋波消除。電感存儲電能要求是單相PFC的二分之一（磁量減小）交錯還可減小輸出電容紋波電流效率更高導通損耗為單相的二分之一；最大紋波電流將出現在最小輸入電壓的峰值處（85Vac）。大約70%的占空比產生約為電感紋波電流60%的輸入電流紋波。

目前看，車載充電機大多都是采用LLC作為DCDC的主要拓撲結構，如圖6所示。串并聯諧振LLC拓撲優點為高效率、低噪聲、高功率密度、無法對輸入電壓進行降壓或升壓通過改變開關頻率來控制輸出電壓（占空比是恒定的50%）具有兩個工作區域：電感區域，允許零電壓開關（ ZVS）；電容區域，允許零電流開關（ZCS）。

6 車載充電機拓撲結構的實現方式

從目前常見電路設計來看，其電路拓撲結構的設計主要分為兩類：

1）采用硬件方式的PFC+LLC

采用『nfineon公司的專用芯片IDP2303：同時采用單片機進行軟件輔助的方式，通過內置單片機來進行充電過程中判斷電池的相對容量和識別環境溫度，根據電池的相對容量大小和環境溫度采用不同的充電曲線，全過程恒流控制；軟件輔助部分采用8 bit MCU就可以完全實現，8bit MCU內置充電曲線，能夠給所需要的電池選擇不同的充電曲線：以車載充電機廠商經常使用的MicrocHip公司PIC18F系列MCU PlC18F45K80-I/PT為例，該器件帶有CAN通信接口，能夠滿足客戶CAN 250 K的通信速率，同時這顆MCU具有數字存儲功能，可以節省外部存儲器：這種采用硬件PFC+LLC的能力傳遞方式，輔助以單片機系統進行外部參數的測試，傳遞給硬件的PFC和LLC進行參數設置，另外單片機進行輔助也提供了良好的人機交互界面，目前為眾多車載充電機的生產廠商采用：這種做法的優點是可以通過模擬芯片進行AC到DC的能量傳遞，減少軟件算法的難度，而輔助的8 bitMCU，只是進行輔助功能的檢查，幫助降低軟件難度，為開發人員提供極為方便地人機交互。

2）采用純數字處理方式

所謂數字的處理方式，就是通過專用的MCU進行車載充電機的電源算法，模擬硬件PFC和LLC的控制方式，同時具有更加靈活的控制方式，另外還可以規避硬件方式的缺點；目前在數字單片機進行電源算法的實現，通常使用16bit或者32bitMCU。

例如Microchip的16bitGS系列控制器芯片，專門為數字電源控制設計，帶有豐富的數字電源外設，內置的運算放大器高達40 M的帶寬，完美的適合數字電源的設計，32位乘法器，以及單周期的乘法器和觸發器極大方便算法的運算，高分辨率的PWM（1.04 ns PWM分辨率）和12bit的AD，極大地提高了PWM調制的精度和采用的精度。

關于軟件方面，Microchip公司為了方便客戶設計，在軟件開發環境MPLAB XIDE中集成了DCDT數字補償器設計軟件，方便開發人員進行數字補償器的設計。

7 充電機數字電源設計實例

開發人員使用dspic33 GS系列設計一個數字電源，采用交錯式PFC+半橋LLC結構。交錯式PFC，如圖7所示。

軟件實現電流和電壓補償時，對于不同的系統，調節入口參數使用到不同系統。如圖8所示。

LLC半橋：

開發人員可以根據自己的設計的系統進行配置，如圖9是三型補償器3P32的系數計算。

8 結論

車載充電機發展趨勢是數字化控制系統，Microchip公司有專用的車載充電機電源控制MCU，并為廣大的車載工程師提供更合適開發設計的16bit GS系列控制芯片，同時提供了數字補償器的設計軟件，方便工程師進行參數的設置，縮短產品最終上市時間。

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