車(chē)載充電機的應用

作者 貝能?chē)H供稿

摘要：本文分析了車(chē)載充電機在電動(dòng)車(chē)輛 (EV) 或混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛 (HEV)在 48~800 V 電壓范圍內為動(dòng)力電池充電上的應用，車(chē)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(yōu)勢。

　　隨著(zhù)我國成為全球最大的汽車(chē)銷(xiāo)售市場(chǎng)，汽車(chē)行業(yè)也進(jìn)入發(fā)展新階段。近幾年，我國也不斷提倡發(fā)展包括新能源汽車(chē)在內的節能汽車(chē)，其中電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)成為熱點(diǎn)，而車(chē)載充電(OBC)是電動(dòng)汽車(chē)應用中的一大重要部分。

1 車(chē)載充電機工作原理

　　直流充電機由電網(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調制，后級濾波后提供給高頻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(chē)動(dòng)力蓄電池或者鋰電池進(jìn)行充電，車(chē)載充電器對電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電是電力從AC轉DC的一個(gè)過(guò)程。

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

2 車(chē)載充電機分類(lèi)以及充電形式

　　目前車(chē)載充電機按照輸入AC來(lái)分，可以分為單相和三相車(chē)載充電機;從市場(chǎng)應用廣度來(lái)看，因為限于重量和尺寸，較少有大于11 kW的充電機。

　　車(chē)載充電機安裝到EV或者HEV電動(dòng)車(chē)上，車(chē)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(chēng)之為交流樁，這種交流樁起到安全供電，出現過(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，從而保護充電機不受到損壞，同時(shí)現在車(chē)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(jīng)加入保護單元。

　　如圖3，目前充電方式，車(chē)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(dòng)車(chē)的集中充電使用。

3 車(chē)載充電機的特點(diǎn)

　　車(chē)載充電機的特點(diǎn)可以用六個(gè)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(shí)現綠色電網(wǎng);

　　● 高效率：整機采用LLC諧振軟開(kāi)關(guān)變化技術(shù)，滿(mǎn)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(mǎn)足國內外電網(wǎng)的需求;

　　● 安裝方便：采用風(fēng)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(guò)程中判斷電池的相對容量和識別環(huán)境溫度，根據電池的相對容量大小和環(huán)境溫度采用不同的充電曲線(xiàn)，全過(guò)程恒流控制，電池均衡性好，能有效延長(cháng)電池使用壽命。

4 車(chē)載充電機的保護功能

　　● 過(guò)熱保護：當充電器內部溫度超過(guò)80 ℃時(shí)，充電電流自動(dòng)減少，超過(guò)87 ℃時(shí)，充電機關(guān)機保護，溫度下降時(shí)，自動(dòng)恢復充電;

　　● 電池反接保護：電池接反時(shí)充電器內部電路與電池斷開(kāi)，不會(huì )損壞充電器;

　　● 空載保護：不接電池時(shí)無(wú)輸出;

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

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

　　通過(guò)以上分析可看出，車(chē)載充電機充分考慮車(chē)載使用的場(chǎng)合，進(jìn)行嚴格自我保護措施，保證充電對人身和電動(dòng)汽車(chē)的保護同時(shí)轉換效率也比較高。

5 車(chē)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(shuō)明，主要是PFC(功率因數)和LLC(DCDC轉換)兩部分。PFC由兩個(gè)獨立升壓轉換器并聯(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(yōu)點(diǎn)：

　　電感紋波電流是反相的，趨向于相互抵消。當占空比為50%時(shí)，可以實(shí)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(chǎn)生約為電感紋波電流60%的輸入電流紋波。

　　目前看，車(chē)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(lián)諧振LLC拓撲優(yōu)點(diǎn)為高效率、低噪聲、高功率密度、無(wú)法對輸入電壓進(jìn)行降壓或升壓通過(guò)改變開(kāi)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)工作區域：電感區域，允許零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS);電容區域，允許零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)。

6 車(chē)載充電機拓撲結構的實(shí)現方式

　　從目前常見(jiàn)電路設計來(lái)看，其電路拓撲結構的設計主要分為兩類(lèi)：

　　1)采用硬件方式的PFC + LLC

　　采用Infineon公司的專(zhuān)用芯片IDP2303;同時(shí)采用單片機進(jìn)行軟件輔助的方式，通過(guò)內置單片機來(lái)進(jìn)行充電過(guò)程中判斷電池的相對容量和識別環(huán)境溫度，根據電池的相對容量大小和環(huán)境溫度采用不同的充電曲線(xiàn)，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，8 bit MCU內置充電曲線(xiàn)，能夠給所需要的電池選擇不同的充電曲線(xiàn);以車(chē)載充電機廠(chǎng)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(mǎn)足客戶(hù)CAN 250 K的通信速率，同時(shí)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(jìn)行外部參數的測試，傳遞給硬件的PFC和LLC進(jìn)行參數設置，另外單片機進(jìn)行輔助也提供了良好的人機交互界面，目前為眾多車(chē)載充電機的生產(chǎn)廠(chǎng)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(kāi)發(fā)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(guò)專(zhuān)用的MCU進(jìn)行車(chē)載充電機的電源算法，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，另外還可以規避硬件方式的缺點(diǎn);目前在數字單片機進(jìn)行電源算法的實(shí)現，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(zhuān)門(mén)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(fā)器極大方便算法的運算，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(hù)設計，在軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境MPLAB X IDE中集成了DCDT數字補償器設計軟件，方便開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行數字補償器的設計。

7 充電機數字電源設計實(shí)例

　　開(kāi)發(fā)人員使用dspic33 GS系列設計一個(gè)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(shí)現電流和電壓補償時(shí)，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(kāi)發(fā)人員可以根據自己的設計的系統進(jìn)行配置，如圖9是三型補償器3P3Z的系數計算。

8 結論

　　車(chē)載充電機發(fā)展趨勢是數字化控制系統，Microchip公司有專(zhuān)用的車(chē)載充電機電源控制MCU，并為廣大的車(chē)載工程師提供更合適開(kāi)發(fā)設計的16 bit GS系列控制芯片，同時(shí)提供了數字補償器的設計軟件，方便工程師進(jìn)行參數的設置，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(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。