電動(dòng)汽車(chē)充電器電路拓撲的設計考慮

摘要：對電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電池的充電器進(jìn)行了討論。根據SAE J1773對感應耦合器設計標準的規定，及不同的充電模式，給出了多種備選設計方案，并針對不同的充電模式、充電等級，給出了最適合的電路拓撲方案。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；充電器；拓撲選擇

0 引言

早在20世紀初期，在歐洲和美國的轎車(chē)驅動(dòng)系統上，曾使用過(guò)電力驅動(dòng)系統，當時(shí)的電動(dòng)車(chē)已取代了昔日的馬車(chē)和自行車(chē)成為主要交通工具。電動(dòng)汽車(chē)所具有的舒適、干凈、無(wú)噪聲，污染很小等優(yōu)點(diǎn)曾一度使人們認為這將是交通工具的一個(gè)巨大革新。但由于當時(shí)電池等關(guān)鍵技術(shù)的困擾，以及燃油車(chē)的發(fā)展，100年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)一直受到限制。

隨著(zhù)現代高新技術(shù)的發(fā)展和當今世界環(huán)境、能源兩大難題的日益突出，電力驅動(dòng)車(chē)輛又成為汽車(chē)工業(yè)研究、開(kāi)發(fā)和使用的熱點(diǎn)。世界各國從20世紀80年代開(kāi)始，掀起了大規模的開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)的高潮。但電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)化一直受到一些關(guān)鍵技術(shù)的困擾。其中，比較突出的一個(gè)問(wèn)題就是確保電動(dòng)汽車(chē)電池組安全、高效、用戶(hù)友好、牢固、性?xún)r(jià)比高的充電技術(shù)[1][2]。

1 充電技術(shù)

電動(dòng)汽車(chē)電池充電是電動(dòng)汽車(chē)投入市場(chǎng)前，必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。電動(dòng)汽車(chē)電池充電一般采用兩種基本方法：接觸式充電和感應耦合式充電。

1.1 接觸式充電

接觸式充電方式采用傳統的接觸器，使用者把充電源接頭連接到汽車(chē)上。其典型示例如圖1所示。這種方式的缺陷是：導體裸露在外面，不安全。而且會(huì )因多次插拔操作，引起機械磨損，導致接觸松動(dòng)，不能有效傳輸電能。

圖1 接觸式充電示意圖

1.2 感應耦合式充電

感應耦合式充電方式，即充電源和汽車(chē)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(guò)感應耦合，無(wú)接觸式地傳輸能量。采用感應耦合式充電方式，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(chē)感應耦合充電系統的簡(jiǎn)化功率流圖。圖中，輸入電網(wǎng)交流電經(jīng)過(guò)整流后，通過(guò)高頻逆變環(huán)節，經(jīng)電纜傳輸通過(guò)感應耦合器后，傳送到電動(dòng)汽車(chē)輸入端，再經(jīng)過(guò)整流濾波環(huán)節，給電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載蓄電池充電。

圖2 EV感應耦合充電系統簡(jiǎn)化功率流圖

感應耦合充電方式還可進(jìn)一步設計成無(wú)須人員介入的全自動(dòng)充電方式。即感應耦合器的磁耦合裝置原副邊之間分開(kāi)更大距離，充電源安裝在某一固定地點(diǎn)，一旦汽車(chē)?？吭谶@一固定區域位置上，就可以無(wú)接觸式地接受充電源的能量，實(shí)現感應充電，從而無(wú)須汽車(chē)用戶(hù)或充電站工作人員的介入，實(shí)現了全自動(dòng)充電。

2 感應耦合充電標準—SAE J-1773

為實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)化，美國汽車(chē)工程協(xié)會(huì )根據系統要求，制定了相應的標準。其中，針對電動(dòng)汽車(chē)的充電器，制定了SAE J-1772和SAE J-1773兩種充電標準，分別對應于接觸式充電方式和感應耦合充電方式。電動(dòng)汽車(chē)充電系統制造商在設計研制及生產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)充電器中，必須符合這些標準。

SAE J-1773標準給出了對美國境內電動(dòng)汽車(chē)感應充電耦合器最小實(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(chē)插座。其組合相當于工作在80～300kHz頻率之間的原副邊分離的變壓器。

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

表1 SAEJ-1773推薦采用的三種充電模式

根據SAE J-1773標準，感應耦合器可以用圖3所示的等效電路模型來(lái)表示。對應的元件值列于表2中。

圖3 感應耦合器等效電路模型