車載充電機(jī)的應(yīng)用

作者 貝能國(guó)際供稿

摘要：本文分析了車載充電機(jī)在電動(dòng)車輛 (EV) 或混合動(dòng)力電動(dòng)車輛 (HEV)在 48~800 V 電壓范圍內(nèi)為動(dòng)力電池充電上的應(yīng)用，車載充電機(jī)的功能，常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及使用Microchip 16位MCU在數(shù)字電源設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)。

　　隨著我國(guó)成為全球最大的汽車銷售市場(chǎng)，汽車行業(yè)也進(jìn)入發(fā)展新階段。近幾年，我國(guó)也不斷提倡發(fā)展包括新能源汽車在內(nèi)的節(jié)能汽車，其中電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力汽車(HEV)成為熱點(diǎn)，而車載充電(OBC)是電動(dòng)汽車應(yīng)用中的一大重要部分。

1 車載充電機(jī)工作原理

　　直流充電機(jī)由電網(wǎng)輸入交流電，經(jīng)過(guò)橋式可控整流電路整流后，通過(guò)PFC調(diào)制，后級(jí)濾波后提供給高頻DC-DC功率變換器，功率變換器經(jīng)過(guò)AC-AC變換輸出需要的直流電壓，再次經(jīng)過(guò)電容濾波后為電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池或者鋰電池進(jìn)行充電，車載充電器對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電是電力從AC轉(zhuǎn)DC的一個(gè)過(guò)程。

　　以全橋充電機(jī)為例，簡(jiǎn)單的動(dòng)力電源部門框圖如圖2所示。

2 車載充電機(jī)分類以及充電形式

　　目前車載充電機(jī)按照輸入AC來(lái)分，可以分為單相和三相車載充電機(jī);從市場(chǎng)應(yīng)用廣度來(lái)看，因?yàn)橄抻谥亓亢统叽?，較少有大于11 kW的充電機(jī)。

　　車載充電機(jī)安裝到EV或者HEV電動(dòng)車上，車與充電基礎(chǔ)設(shè)施間采用了標(biāo)準(zhǔn)的交流保險(xiǎn)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(xiàn)過(guò)流過(guò)壓等突然狀況，可以將熔絲熔斷，或者通過(guò)壓敏進(jìn)行電壓保護(hù)，從而保護(hù)充電機(jī)不受到損壞，同時(shí)現(xiàn)在車載充電機(jī)都是使用電子式控制和調(diào)節(jié)，往往在充電機(jī)內(nèi)部也已經(jīng)加入保護(hù)單元。

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

3 車載充電機(jī)的特點(diǎn)

　　車載充電機(jī)的特點(diǎn)可以用六個(gè)字概括：智能、安全、高效。

　　● 高功率因數(shù)：交流輸入采用有源功率(PFC)因數(shù)校正，功率因數(shù)≥0.98，實(shí)現(xiàn)綠色電網(wǎng);

　　● 高效率：整機(jī)采用LLC諧振軟開關(guān)變化技術(shù)，滿載效率>94.0%，發(fā)熱量小、可靠性高;

　　● 寬電壓輸入范圍：90 VAC～264 VAC，滿足國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)的需求;

　　● 安裝方便：采用風(fēng)冷式密封防水結(jié)構(gòu)，溫升比自然冷卻低，整機(jī)可靠性高;

　　● 對(duì)電池采用智能充電：內(nèi)置微處理器，充電過(guò)程中判斷電池的相對(duì)容量和識(shí)別環(huán)境溫度，根據(jù)電池的相對(duì)容量大小和環(huán)境溫度采用不同的充電曲線，全過(guò)程恒流控制，電池均衡性好，能有效延長(zhǎng)電池使用壽命。

4 車載充電機(jī)的保護(hù)功能

　　● 過(guò)熱保護(hù)：當(dāng)充電器內(nèi)部溫度超過(guò)80 ℃時(shí)，充電電流自動(dòng)減少，超過(guò)87 ℃時(shí)，充電機(jī)關(guān)機(jī)保護(hù)，溫度下降時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)充電;

　　● 電池反接保護(hù)：電池接反時(shí)充電器內(nèi)部電路與電池?cái)嚅_，不會(huì)損壞充電器;

　　● 空載保護(hù)：不接電池時(shí)無(wú)輸出;

　　● 短路保護(hù)：輸出短路時(shí)充電器內(nèi)部電路與電池?cái)嚅_，只有當(dāng)故障排除后重新接入電池才可恢復(fù)充電;

　　● 充滿自動(dòng)關(guān)機(jī)：充電器判斷電池充滿后自動(dòng)關(guān)機(jī)。

　　通過(guò)以上分析可看出，車載充電機(jī)充分考慮車載使用的場(chǎng)合，進(jìn)行嚴(yán)格自我保護(hù)措施，保證充電對(duì)人身和電動(dòng)汽車的保護(hù)同時(shí)轉(zhuǎn)換效率也比較高。

5 車載充電機(jī)目前常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文按照常用的拓?fù)渑e例說(shuō)明，主要是PFC(功率因數(shù))和LLC(DCDC轉(zhuǎn)換)兩部分。PFC由兩個(gè)獨(dú)立升壓轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接，180度反相工作，非常適合尺寸受限的大功率應(yīng)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(hào)，后面是各部分的電流波形。

　　交錯(cuò)式PFC(圖4)的優(yōu)點(diǎn)：

　　電感紋波電流是反相的，趨向于相互抵消。當(dāng)占空比為50%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最佳的電流紋波消除。電感存儲(chǔ)電能要求是單相PFC的二分之一(磁量減小)交錯(cuò)還可減小輸出電容紋波電流效率更高導(dǎo)通損耗為單相的二分之一;最大紋波電流將出現(xiàn)在最小輸入電壓的峰值處(85Vac)。 大約70%的占空比產(chǎn)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(jī)大多都是采用LLC作為DCDC的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖6所示。串并聯(lián)諧振LLC拓?fù)鋬?yōu)點(diǎn)為高效率、低噪聲、高功率密度、無(wú)法對(duì)輸入電壓進(jìn)行降壓或升壓通過(guò)改變開關(guān)頻率來(lái)控制輸出電壓(占空比是恒定的50%)具有兩個(gè)工作區(qū)域：電感區(qū)域，允許零電壓開關(guān)(ZVS);電容區(qū)域，允許零電流開關(guān)(ZCS)。

6 車載充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式

　　從目前常見電路設(shè)計(jì)來(lái)看，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要分為兩類：

　　1)采用硬件方式的PFC + LLC

　　采用Infineon公司的專用芯片IDP2303;同時(shí)采用單片機(jī)進(jìn)行軟件輔助的方式，通過(guò)內(nèi)置單片機(jī)來(lái)進(jìn)行充電過(guò)程中判斷電池的相對(duì)容量和識(shí)別環(huán)境溫度，根據(jù)電池的相對(duì)容量大小和環(huán)境溫度采用不同的充電曲線，全過(guò)程恒流控制;軟件輔助部分采用8 bit MCU就可以完全實(shí)現(xiàn)，8 bit MCU內(nèi)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(jī)廠商經(jīng)常使用的Microchip公司PIC18F系列MCU PIC18F45K80-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(shí)這顆MCU具有數(shù)字存儲(chǔ)功能，可以節(jié)省外部存儲(chǔ)器;這種采用硬件PFC + LLC的能力傳遞方式，輔助以單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行外部參數(shù)的測(cè)試，傳遞給硬件的PFC和LLC進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，另外單片機(jī)進(jìn)行輔助也提供了良好的人機(jī)交互界面，目前為眾多車載充電機(jī)的生產(chǎn)廠商采用;這種做法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)模擬芯片進(jìn)行AC到DC的能量傳遞，減少軟件算法的難度，而輔助的8 bit MCU，只是進(jìn)行輔助功能的檢查，幫助降低軟件難度，為開發(fā)人員提供極為方便地人機(jī)交互。

　　2)采用純數(shù)字處理方式

　　所謂數(shù)字的處理方式，就是通過(guò)專用的MCU進(jìn)行車載充電機(jī)的電源算法，模擬硬件PFC和LLC的控制方式，同時(shí)具有更加靈活的控制方式，另外還可以規(guī)避硬件方式的缺點(diǎn);目前在數(shù)字單片機(jī)進(jìn)行電源算法的實(shí)現(xiàn)，通常使用16 bit或者32 bit MCU。

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

　　關(guān)于軟件方面，Microchip公司為了方便客戶設(shè)計(jì)，在軟件開發(fā)環(huán)境MPLAB X IDE中集成了DCDT數(shù)字補(bǔ)償器設(shè)計(jì)軟件，方便開發(fā)人員進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)。

7 充電機(jī)數(shù)字電源設(shè)計(jì)實(shí)例

　　開發(fā)人員使用dspic33 GS系列設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電源，采用交錯(cuò)式PFC+半橋LLC結(jié)構(gòu)。交錯(cuò)式PFC，如圖7所示。

　　軟件實(shí)現(xiàn)電流和電壓補(bǔ)償時(shí)，對(duì)于不同的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)入口參數(shù)使用到不同系統(tǒng)。如圖8所示。

　　LLC半橋：

　　開發(fā)人員可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行配置，如圖9是三型補(bǔ)償器3P3Z的系數(shù)計(jì)算。

8 結(jié)論

　　車載充電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)是數(shù)字化控制系統(tǒng)，Microchip公司有專用的車載充電機(jī)電源控制MCU，并為廣大的車載工程師提供更合適開發(fā)設(shè)計(jì)的16 bit GS系列控制芯片，同時(shí)提供了數(shù)字補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)軟件，方便工程師進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，縮短產(chǎn)品最終上市時(shí)間。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第8期第76頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。