電源設(shè)計(jì)指南：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（一）

一、電動(dòng)汽車充電器電路設(shè)計(jì)考慮

摘要：對(duì)電動(dòng)汽車車載電池的充電器進(jìn)行了討論。根據(jù)SAEJ?1773對(duì)感應(yīng)耦合器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，及不同的充電模式，給出了多種備選設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)不同的充電模式、充電等級(jí)，給出了最適合的電路電源接頭連接到汽車上。其典型示例如圖1所示。這種方式的缺陷是：導(dǎo)體裸露在外面，不安全。而且會(huì)因多次插拔操作，引起機(jī)械磨損，導(dǎo)致接觸松動(dòng)，不能有效傳輸電能。

圖1接觸式充電示意圖

1.2感應(yīng)耦合式充電

感應(yīng)耦合式充電方式，即充電源和汽車接受裝置之間不采用直接電接觸的方式，而采用由分離的高頻變壓器組合而成，通過感應(yīng)耦合，無接觸式地傳輸能量。采用感應(yīng)耦合式充電方式，可以解決接觸式充電方式的缺陷[3][4]。

圖2給出電動(dòng)汽車感應(yīng)耦合充電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化功率流圖。圖中，輸入電網(wǎng)交流電經(jīng)過整流后，通過高頻逆變環(huán)節(jié)，經(jīng)電纜傳輸通過感應(yīng)耦合器后，傳送到電動(dòng)汽車輸入端，再經(jīng)過整流濾波環(huán)節(jié)，給電動(dòng)汽車車載蓄電池充電。

圖2EV感應(yīng)耦合充電系統(tǒng)簡(jiǎn)化功率流圖

感應(yīng)耦合充電方式還可進(jìn)一步設(shè)計(jì)成無須人員介入的全自動(dòng)充電方式。即感應(yīng)耦合器的磁耦合裝置原副邊之間分開更大距離，充電源安裝在某一固定地點(diǎn)，一旦汽車?？吭谶@一固定區(qū)域位置上，就可以無接觸式地接受充電源的能量，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)充電，從而無須汽車用戶或充電站工作人員的介入，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)充電。

2感應(yīng)耦合充電標(biāo)準(zhǔn)—SAEJ-1773

為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車市場(chǎng)化，美國汽車工程協(xié)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)要求，制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。其中，針對(duì)電動(dòng)汽車的充電器，制定了SAEJ-1772和SAEJ-1773兩種充電標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)應(yīng)于接觸式充電方式和感應(yīng)耦合充電方式。電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)制造商在設(shè)計(jì)研制及生產(chǎn)電動(dòng)汽車充電器中，必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)。

SAEJ-1773標(biāo)準(zhǔn)給出了對(duì)美國境內(nèi)電動(dòng)汽車感應(yīng)充電耦合器最小實(shí)際尺寸及電氣性能的要求。

充電耦合器由兩部分組成：耦合器和汽車插座。其組合相當(dāng)于工作在80～300kHz頻率之間的原副邊分離的變壓器。

對(duì)于感應(yīng)耦合式電動(dòng)汽車充電，SAEJ-1773推薦采用三種充電方式，如表1所示。對(duì)于不同的充電方式，充電器的設(shè)計(jì)也會(huì)相應(yīng)地不同。其中，最常用的方式是家用充電方式，充電器功率為6.6kW，更高功率級(jí)的充電器一般用于充電站等場(chǎng)合。

表1SAEJ-1773推薦采用的三種充電模式

根據(jù)SAEJ-1773標(biāo)準(zhǔn)，感應(yīng)耦合器可以用圖3所示的等效電路模型來表示。對(duì)應(yīng)的元件值列于表2中。

圖3感應(yīng)耦合器等效電路模型

表2充電用感應(yīng)耦合器等效電路模型元件值

變壓器原副邊分離，具有較大的氣隙，屬于松耦合磁件，磁化電感相對(duì)較小，在設(shè)計(jì)變換器時(shí)，必須充分考慮這一較小磁化電感對(duì)電路設(shè)計(jì)的影響[5]。

在設(shè)計(jì)中仍須考慮功率傳輸電纜。雖然SAEJ-1773標(biāo)準(zhǔn)中沒有列入這一項(xiàng)，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中必須考慮功率傳輸電纜的體積、重量和等效電路。由于傳輸電纜的尺寸主要與傳輸電流的等級(jí)有關(guān)，因而，減小充電電流可以相應(yīng)地減小電纜尺寸。為了使電纜功率損耗最小，可以采用同軸電纜，在工作頻率段進(jìn)行優(yōu)化。此外，電纜會(huì)引入附加阻抗，增大變壓器的等效漏感，在功率級(jí)的設(shè)計(jì)中，必須考慮其影響。對(duì)于5m長的同軸電纜，典型的電阻和電感值為：Rcable=30mΩ；Lcable=0.5～1μH。

3對(duì)感應(yīng)耦合充電變換器的要求

根據(jù)SAEJ-1773標(biāo)準(zhǔn)給出的感應(yīng)耦合器等效電路，連接電纜和電池負(fù)載的特性，可以得出感應(yīng)耦合充電變換器應(yīng)當(dāng)滿足以下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1電流源高頻鏈

感應(yīng)耦合充電變換器的副邊濾波電路安裝在電動(dòng)汽車上，因而，濾波環(huán)節(jié)采用容性濾波電路將簡(jiǎn)化車載電路，從而減輕整個(gè)電動(dòng)汽車的重量。對(duì)于容性濾波環(huán)節(jié)，變換器應(yīng)當(dāng)為高頻電流源特性。此外，這種電流源型電路對(duì)變換器工作頻率變化和功率等級(jí)變化的敏感程度相對(duì)較小，因而，比較容易同時(shí)考慮三種充電模式進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。而且，副邊采用容性濾波電路，副邊二極管無須采用過壓箝位措施。

3.2主開關(guān)器件的軟開關(guān)

感應(yīng)耦合充電變換器的高頻化可以減小感應(yīng)耦合器及車載濾波元件的體積重量，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的小型化。但隨著頻率的不斷增高，采用硬開關(guān)工作方式的變換器，其開關(guān)損耗將大大增高，降低了變換器效率。因而，為了實(shí)現(xiàn)更高頻率、更高功率級(jí)的充電，必須保證主開關(guān)器件的軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗。

3.3恒頻或窄頻率變化范圍工作

感應(yīng)耦合充電變換器工作于恒頻或窄頻率變化范圍有利于磁性元件及濾波電容的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)，必須避免工作在無線電帶寬，嚴(yán)格控制這個(gè)區(qū)域的電磁干擾。對(duì)于變頻工作，輕載對(duì)應(yīng)高頻工作，重載對(duì)應(yīng)低頻工作，有利于不同負(fù)載情況下的效率一致。

3.4寬負(fù)載范圍工作

感應(yīng)耦合充電變換器應(yīng)當(dāng)能夠在寬負(fù)載范圍內(nèi)安全工作，包括開路和短路的極限情況。此外，變換器也應(yīng)當(dāng)能夠工作在涓流充電或均衡充電等模式下。在這些模式下，變換器都應(yīng)當(dāng)能保證較高的效率。

3.5感應(yīng)耦合器的匝比

原副邊匝比大可以使得原邊電流小，從而可采用更細(xì)線徑的功率傳輸電纜，更低電流定額的功率器件，效率獲得提升。

3.6輸入單位功率因數(shù)

感應(yīng)耦合充電變換器工作在高頻，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。感應(yīng)充電技術(shù)要得到公眾認(rèn)可，獲得廣泛使用，必須采取有效措施，如功率因數(shù)校正或無功補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，限制電動(dòng)汽車感應(yīng)耦合充電變換器進(jìn)入電網(wǎng)的總諧波量。就目前而言，充電變換器必須滿足IEEE519?1992標(biāo)準(zhǔn)或類似的標(biāo)準(zhǔn)。要滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，加大了感應(yīng)耦合充電變換器輸入部分及整機(jī)的復(fù)雜程度，增加了成本。而且，根據(jù)不同充電等級(jí)要求，感應(yīng)耦合充電變換器可以選擇兩級(jí)結(jié)構(gòu)（前級(jí)為PFC＋后級(jí)為充電器電路）或PFC功能與充電功能一體化的單級(jí)電路。

4變換器拓?fù)溥x擇

根據(jù)SAEJ-1773給出的感應(yīng)耦合器等效電路元件值，及上述的設(shè)計(jì)考慮，這里對(duì)適用于三種不同充電模式的變換器拓?fù)溥M(jìn)行了考察。

如圖2所示，電動(dòng)汽車車載部分包括感應(yīng)耦合器的插孔部分及AC/DC整流及容性濾波電路。首先，對(duì)直接連接電容濾波的整流電路進(jìn)行考察。適合采用的整流方式有半波整流，中心抽頭全波整流及全橋整流。其中，半波整流對(duì)變壓器的利用率低；全波整流需要副邊為中心抽頭連接的兩個(gè)繞組，增加了車載電路的重量和體積；全橋整流對(duì)變壓器利用率高，比較適合用于這種場(chǎng)合。

圖4給出基于以上考慮的感應(yīng)耦合充電變換器原理框圖。圖中，輸出整流采用全橋整流電路，輸出濾波器采用電容濾波，輸入端采用了PFC電路以限制進(jìn)入電網(wǎng)的總諧波量不會(huì)超標(biāo)，這里采用的是單獨(dú)設(shè)計(jì)的PFC級(jí)。低功率時(shí)，PFC也可與主充電變換器合為帶PFC功能的一體化充電電路。

圖4感應(yīng)耦合充電變換器原理框圖

如前所述，充電器設(shè)計(jì)中很重要的一個(gè)考慮是感應(yīng)耦合器匝比的合理選取。為使設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，按3種充電模式設(shè)計(jì)的感應(yīng)耦合充電變換器都必須能夠采用相同的電動(dòng)汽車插座。限制充電器高頻變壓器副邊匝數(shù)的因素包括功率范圍寬，電氣設(shè)計(jì)限制和機(jī)械設(shè)計(jì)限制。典型的耦合器設(shè)計(jì)其副邊匝數(shù)為4匝。對(duì)于低充電等級(jí)，一般采用1∶1的匝比，對(duì)于高充電等級(jí)，一般采用2∶1的匝比。

對(duì)于30kW·h以內(nèi)的儲(chǔ)能能力，隨充電狀態(tài)不同，電動(dòng)汽車電池電壓在DC200～450V范圍內(nèi)變化，變換器拓?fù)鋺?yīng)當(dāng)能夠在這一電池電壓變化范圍內(nèi)提供所需的充電電流。

4.1充電模式1

這是電動(dòng)汽車的一種應(yīng)急充電模式，充電較慢。按這種模式設(shè)計(jì)的充電器通常隨電動(dòng)汽車攜帶，在沒有標(biāo)準(zhǔn)充電器的情況下使用，從而必須體積小，重量輕，并且成本低。根據(jù)這些要求，可采用單級(jí)高功率因數(shù)變換器，降低整機(jī)體積，重量，降低成本，獲得較高的整機(jī)效率。圖5給出一種備選方案：兩個(gè)開關(guān)管的隔離式Boost變換器[6]。在不采用輔助開關(guān)時(shí)，單級(jí)Boost級(jí)電路提供PFC功能并調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)輸入電壓為AC120V時(shí)，輸入電壓峰值為170V，由于變壓器副邊匝數(shù)為4匝，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為DC200～400V，因而變壓器可以采用1∶1的匝比，原邊繞組均采用4匝線圈。典型的電壓電流波形如圖6所示。

圖5兩個(gè)開關(guān)管的隔離式Boost變換器

圖6電壓電流波形

當(dāng)原邊開關(guān)管S1及S2均開通時(shí)，能量?jī)?chǔ)存在輸入濾波電感中，同時(shí)輸出整流管處于關(guān)斷態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S1及S2中任一個(gè)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存能量通過原邊繞組傳輸?shù)礁边?。由于變換器的對(duì)稱工作，變壓器磁通得以復(fù)位平衡。

為使輸入電感伏秒積平衡，必須滿足（1）

Vinmax≤

VB(1－Dmin)（1）

假定變壓器匝比為1∶1，最大輸入電壓為170V，則輸出電壓為DC200V時(shí)占空比為0.15，輸出電壓為DC475V時(shí)占空比為0.5。如圖5所示，主開關(guān)管上的電壓應(yīng)力為2VB。當(dāng)輸出電壓為DC400V時(shí)，開關(guān)管電壓應(yīng)力是DC800V，這一電壓應(yīng)力相當(dāng)高。而且，由于傳輸電纜和感應(yīng)耦合器的漏感，器件電壓應(yīng)力可能會(huì)更高。為了限制器件最大電壓應(yīng)力，可以采用圖5所示的無損吸收電路。但無論是在哪種情況下，都必須采用1200V電壓定額的器件。因高耐壓的MOSFET的導(dǎo)通電阻較高，導(dǎo)通損耗就會(huì)很大。因而，要考慮采用低導(dǎo)通壓降的高壓IGBT。但I(xiàn)GBT器件開關(guān)損耗也限制了開關(guān)頻率的提高。

開關(guān)管的平均電流為

ISavg=

ILavg（2）

對(duì)于1.5kW功率等級(jí)，輸入電流有效值為15A，平均開關(guān)電流是13A，峰值電流為22A，需要電流定額至少為30A的開關(guān)器件。盡管這個(gè)方案提供了比較簡(jiǎn)單的單級(jí)功率變換，但也存在一些缺陷，如半導(dǎo)體器件承受的電壓應(yīng)力較高、輸出電壓調(diào)節(jié)性能差，輸出電流紋波大。

為了降低器件的開關(guān)損耗，可以采用圖5所示的軟開關(guān)電路。給MOSFET設(shè)計(jì)的關(guān)斷延時(shí)確保了IGBT的ZVS關(guān)斷。在電流上升模式中，MOSFET分擔(dān)了輸出濾波電流，其電壓應(yīng)力為IGBT的一半。從而，可以采用600V的器件。同時(shí)，因關(guān)斷損耗的降低，開關(guān)頻率得以提高。

另一個(gè)降低器件電壓定額的方案是采用兩級(jí)變換結(jié)構(gòu)。前級(jí)PFC校正環(huán)節(jié)可以采用帶有軟開關(guān)功能的Boost變換器，允許高頻工作。后級(jí)DC/DC功率變換級(jí)，可以采用半橋串聯(lián)諧振變換器，提供高頻電流鏈。圖7給出了適用于充電模式1的兩級(jí)功率變換電路結(jié)構(gòu)圖。

圖7充電模式1采用的兩級(jí)功率變換電路結(jié)構(gòu)

若輸入電網(wǎng)電壓是AC115V，為了降低DC/DC變換器的電流定額，輸出電壓可以提升到DC450V。這樣Boost級(jí)功率開關(guān)管可以采用500～600V的MOSFET，半橋變換器的開關(guān)器件可以采用300～400V的MOSFET。由于采用半橋工作，感應(yīng)耦合器可以采用1∶2的匝比。若原邊繞組為4匝，則副邊繞組為8匝。Boost開關(guān)管的電流定額是30A，而半橋變換器開關(guān)管的電流定額是20A。

4.2充電模式2

這是電動(dòng)汽車的一種正常充電模式，充電過程一般在家庭和公共場(chǎng)所進(jìn)行，要求給使用者提供良好的使用界面。

充電模式2的充電功率等級(jí)是6.6kW。230V/30A規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電源足以給這種負(fù)載供電。其典型的充電時(shí)間為5～8h。

與充電模式1中充電功率變換器相類似，充電模式2也可采用單級(jí)AC/DC變換器。但由于帶PFC功能的單級(jí)變換器，開關(guān)管的峰值電流很高，因而最好采用兩級(jí)變換器。其中，PFC級(jí)可采用傳統(tǒng)的Boost升壓型電路，開關(guān)管采用軟開關(guān)或硬開關(guān)均可。但為了提高效率，更傾向于選擇軟開關(guān)Boost變換器。圖8給出兩種采用無損吸收電路的軟開管Boost變換器主電路功率級(jí)。圖9給出兩種采用有源開關(guān)輔助電路的軟開管Boost變換器功率級(jí)[7][8]。

(a)無損吸收電路之一

(b)無損吸收電路之二

圖8采用無損吸收電路的軟開管Boost變換器

(a)ZCT

(b)ZVT

圖9采用有源開關(guān)輔助電路的軟開管Boost變換器功率級(jí)

若電網(wǎng)輸入電壓為230V，則輸出電壓可以調(diào)節(jié)到400V以上。這使得后級(jí)變換器的設(shè)計(jì)變得容易，感應(yīng)耦合器可以取1∶1的匝比。因此，如果電池最高電壓為400V，則前級(jí)輸出電壓可以采用DC450V。