電動(dòng)汽車智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：此處采用高頻開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車充電器電路拓?fù)?，并提出改進(jìn)型變電流間歇充電方法，可按預(yù)置自動(dòng)控制充電過程，使充電電流在總體上逼近蓄電池可接受充電電流曲線，減弱了蓄電池充電極化影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該充電機(jī)具有體積小、重量輕、使用簡單、免維護(hù)、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電器；變電流充電

1 引言
    隨著低碳經(jīng)濟(jì)成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律，電動(dòng)汽車作為新能源戰(zhàn)略和智能電網(wǎng)的重要組成部分，必將成為今后汽車工業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，相配套的電動(dòng)汽車充電器也將成為一種新興產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)要求和革新也提上日程。
    傳統(tǒng)充電器采用相控電源，所使用的變壓器是工頻電源變壓器，體積大，效率低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。線性電源的功率調(diào)整管總是工作在放大區(qū)，損耗功率較大，需裝配體積很大的散熱片，這些均限制了其在電動(dòng)汽車充電器的應(yīng)用。為此，這里采用高頻開關(guān)電源技術(shù)，并提出改進(jìn)型變電流間歇充電方法，使充電電流在總體上逼近蓄電池的可接受充電電流曲線，滿足了電動(dòng)汽車充電需求。

2 充電電路拓?fù)?br />     在采用開關(guān)電源的充電器電路拓?fù)渲?，有各種各樣的電源變換器電路，但其基本類型實(shí)際只有單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式這5種，考慮到電動(dòng)汽車充電功率較大，主回路由三相整流電路、全橋變換電路構(gòu)成。圖1為智能充電機(jī)的總硬件原理圖。

    該系統(tǒng)可分為3個(gè)部分：①整流電路，主電路輸入為380 V交流電，該交流電經(jīng)三相橋式整流后得到約538 V的直流電；②開關(guān)電源全橋變換電路，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。通過開關(guān)電源專用集成芯片SG3525對(duì)其開關(guān)管的控制，全橋變換電路產(chǎn)生了蓄電池充電所需的可調(diào)電壓和電流；③DSP控制器和外圍接口電路，包括液晶顯示，鍵盤掃描、電流、電壓、溫度的A／D采樣、時(shí)鐘顯示、繼電器控制等，用于完成充電方式及邏輯等控制。
2．1 整流橋的選取
    最大反向電壓，Urm=2m，Um為電源線電壓的幅值。當(dāng)電源線電壓為380 V時(shí)，，Urm=2Um=1 073 V，選Urm=1 kV。
    最大整流電流IVDm=2IN，IN為開關(guān)電源輸出功率最大時(shí)的輸入電流。智能充電機(jī)的最大輸出電流為80 A，最大輸出電壓為280 V。假定開關(guān)電源的效率為80％。則根據(jù)開關(guān)電源輸入、輸出功率相等原則得：UIN80％=280x80，U為三相整流橋經(jīng)電容濾波后的輸出電壓，易得，從而IN=52 A，IVDm=2IN=104 A，選IVDm=100 A。[!--empirenews.page--]
2．2 整流濾波電容的選取
    三相交流電經(jīng)過二極管橋式整流后輸出的電壓需經(jīng)過電容濾波。該濾波電容還可減小開關(guān)電源工作時(shí)對(duì)輸入端引起的脈動(dòng)。一般設(shè)輸入電流的脈動(dòng)量全部流過輸入濾波電容，假設(shè)電容為無損元件，則電流脈動(dòng)轉(zhuǎn)化為電壓脈動(dòng)，關(guān)系式為：
   
    當(dāng)D=0．25時(shí)，C取得最大值，由文中論述可知Io=IN=52 A，△uin=1％uin=5 V。由此C=1 800μF。
    由于濾波電容的電容量和耐壓能力有限，故常將多個(gè)濾波電容并聯(lián)成一組，然后由若干個(gè)電容組串聯(lián)，如圖2所示。又因?yàn)殡娊怆娙莸碾娙萘坑休^大的離散性，故電容C1，C3所組成的電容組與C2，C4所組成的電容組的電容量往往不能完全相等，這將使它們承受的電壓不等。為使它們承受的電壓相等，在它們旁邊并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻R1，R2。智能充電機(jī)所用C1，C2，C3，C4均為耐壓400 V，電容量2 200μF的電解電容。

2．3 功率管的選取
    在選擇功率管驅(qū)動(dòng)器件時(shí)，主要依據(jù)幾個(gè)重要的性能參數(shù)：耐壓值和通態(tài)電流值，其次應(yīng)該考慮功率管的開關(guān)頻率?？紤]到當(dāng)前電力電子器件的特性，在開關(guān)高頻、小功率時(shí)，選擇合適的MOSFET等器件，通常，高速M(fèi)OSFET的開關(guān)頻率能夠達(dá)到100 kHz以上，但MOSFET器件通態(tài)電流不太高，耐壓值也相對(duì)較小，對(duì)于功率相對(duì)較大的場合，適合選擇IGBT，GTO，晶閘管等器件。
    系統(tǒng)輸出電壓、電流都較大，故選用IGBT作為功率管。全橋變換電路中功率管承受的最大電壓為Ui，Ui為三相整流橋經(jīng)電容濾波后的輸出電壓，而三相整流橋的輸入電壓是380 V交流電。因此?？紤]留2倍裕量取UCES=1．2 kV的IGBT。由上述討論可知，通過IGBT的電流為IN=52 A，故取Ic=100 A的IGBT管子。此處系統(tǒng)所用功率管為FF100R12KS4系列IGBT模塊，該模塊內(nèi)部集成了兩個(gè)IGBT功率管，每個(gè)功率管上并聯(lián)了保護(hù)二極管。

3 變電流充電方式及其實(shí)現(xiàn)
    傳統(tǒng)充電方法充電時(shí)間較長，遠(yuǎn)不能適應(yīng)電動(dòng)汽車充電的需要。另一方面，充電技術(shù)不能適應(yīng)蓄電池充電要求，會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的壽命。為此，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用變電流充電方式，并智能識(shí)別充電電池的類型，然后根據(jù)被充電電池的信息自動(dòng)生成最佳充電曲線，保證在最短時(shí)間內(nèi)，高效地將電池充滿。由于自動(dòng)生成最佳充電曲線與制造廠商提供的曲線一致，保證了電池在充電過程中一直處于理想狀態(tài)，從而延長電池使用壽命。
    為達(dá)到智能識(shí)別充電電池類型，形成合理的充電曲線，其設(shè)計(jì)思想是先要對(duì)各類蓄電池進(jìn)行多次充電實(shí)驗(yàn)，根據(jù)充電實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出各種充電方式下較好的充電參數(shù)，然后這些充電參數(shù)被保存在EEPROM中，充電時(shí)充電機(jī)先查詢是否有與電池相匹配的值，若沒有，則需要人工根據(jù)電池出廠說明書輸入相應(yīng)的參數(shù)；若有，則充電機(jī)會(huì)自動(dòng)從EEPROM中調(diào)用這些充電參數(shù)，使充電曲線與制造廠商提供的曲線一致，保證了電池在充電過程中一直處于理想狀態(tài)，不僅縮短了充電時(shí)間，也延長了電池的使用壽命。[!--empirenews.page--]

    在智能充電的同時(shí)，也要遵循變電流充電原則，其流程圖如圖3所示。此時(shí)充電過程分5段，其中前4段為恒流充電，最后一段為恒壓浮充。為實(shí)現(xiàn)變電流充電方式，需設(shè)定起充電流、停充電壓、停充時(shí)間、變電流方式這4個(gè)參數(shù)。通過設(shè)定這些參數(shù)，可控制變電流充電的每段充電電流、變電流充電間隙時(shí)間以及停充電壓。變電流充電電流的轉(zhuǎn)換由停充電壓控制，當(dāng)電池電量比較充足時(shí)，蓄電池端電壓很快到達(dá)停充電壓，從而進(jìn)入下一級(jí)小電流充電。故變電流充電能有效保護(hù)蓄電池，防止蓄電池過充。

4 充電機(jī)實(shí)驗(yàn)
4．1 智能充電機(jī)主開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)波形
    圖4a為恒流輸出80 A時(shí)，高頻變壓器初級(jí)電流ip波形。圖4b為恒流輸出80 A時(shí)，高頻變壓器次級(jí)經(jīng)電感濾波后輸出電流Is波形。圖4c為恒流輸出80 A時(shí)，高頻變壓器的初級(jí)電壓up波形。圖4d為恒壓控制280 V輸出時(shí)，ip，up波形。

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4．2 變電流充電實(shí)驗(yàn)
    智能充電機(jī)研制成功后，在徐州和淮南的電力機(jī)車上做了多次充電實(shí)驗(yàn)。表1為8 t電力車用蓄電池變電流充電時(shí)充電時(shí)間tc、充電電壓uc、充電電流ic的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。變電流充電的充電時(shí)間約為5．6 h，不到普通充電方式充電時(shí)間的一半，且電池氣泡析出少。圖5為變電流充電方式下蓄電池端電壓變化曲線。

5 結(jié)論
    隨著電動(dòng)汽車的迅猛發(fā)展，與電動(dòng)汽車相配套的充電站正成為一種新興產(chǎn)業(yè)，其行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅磥硎袌銮熬皬V闊。為此，需要相應(yīng)的充電器及其充電技術(shù)進(jìn)行支撐，開發(fā)相應(yīng)充電器意義重大。在充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用高頻開關(guān)電源技術(shù)，主回路由三相整流電路、全橋變換電路構(gòu)成?？刂齐娐芬?strong>DSP芯片為核心，配以接口電路、采樣電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路等，可按照預(yù)置自動(dòng)控制充電過程，并在充電過程中進(jìn)行充電數(shù)據(jù)(包括電池端電壓、充電電流及電池表面溫度等)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)顯示、批量存儲(chǔ)及分析處理等。在研究蓄電池快速充電原理和目前各種充電方法的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)型變電流間歇充電方法，使充電電流在總體上逼近蓄電池的可接受充電電流曲線，減弱了蓄電池充電極化的影響，避免了蓄電池在充電過程中產(chǎn)生大量氣體和溫升過高的問題。