电动汽车充电器电路拓扑的设计考虑

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电动汽车充电器电路拓扑的设计考虑

来源：本站整理作者：佚名 2011-04-08 09:27:10

表2 充电用感应耦合器等效电路模型元件值

	f_min(100kHz)	f_max(350kHz)
R_pmax/mΩ	20	40
L_p±10％/μH	0.8	0.5
R_smax/kΩ	1.6	1.3
L_s±10％/μH	45	55
R_mmin/mΩ	20	40
L_m±10％/μΗ	0.8	0.5
C_s/μF	0.02	0.02
匝比	4:4	4:4
每匝电压/V	100	100
耦合效率/％	≮99.5	≮99.5
绝缘电阻/MΩ	100	100
最大充电电流/A	400	400
最大充电电压/V	474	474

变压器原副边分离，具有较大的气隙，属于松耦合磁件，磁化电感相对较小，在设计变换器时，必须充分考虑这一较小磁化电感对电路设计的影响[5]。

在设计中仍须考虑功率传输电缆。虽然SAE J-1773标准中没有列入这一项，但在实际设计中必须考虑功率传输电缆的体积、重量和等效电路。由于传输电缆的尺寸主要与传输电流的等级有关，因而，减小充电电流可以相应地减小电缆尺寸。为了使电缆功率损耗最小，可以采用同轴电缆，在工作频率段进行优化。此外，电缆会引入附加阻抗，增大变压器的等效漏感，在功率级的设计中，必须考虑其影响。对于5m长的同轴电缆，典型的电阻和电感值为：R_cable=30mΩ；L_cable=0.5～1μH。

3 对感应耦合充电变换器的要求

根据SAE J-1773标准给出的感应耦合器等效电路，连接电缆和电池负载的特性，可以得出感应耦合充电变换器应当满足以下设计标准。

3.1 电流源高频链

感应耦合充电变换器的副边滤波电路安装在电动汽车上，因而，滤波环节采用容性滤波电路将简化车载电路，从而减轻整个电动汽车的重量。对于容性滤波环节，变换器应当为高频电流源特性。此外，这种电流源型电路对变换器工作频率变化和功率等级变化的敏感程度相对较小，因而，比较容易同时考虑三种充电模式进行电路设计。而且，副边采用容性滤波电路，副边二极管无须采用过压箝位措施。

3.2 主开关器件的软开关

感应耦合充电变换器的高频化可以减小感应耦合器及车载滤波元件的体积重量，实现电源系统的小型化。但随着频率的不断增高，采用硬开关工作方式的变换器，其开关损耗将大大增高，降低了变换器效率。因而，为了实现更高频率、更高功率级的充电，必须保证主开关器件的软开关，减小开关损耗。

3.3 恒频或窄频率变化范围工作

感应耦合充电变换器工作于恒频或窄频率变化范围有利于磁性元件及滤波电容的优化设计，同时，必须避免工作在无线电带宽，严格控制这个区域的电磁干扰。对于变频工作，轻载对应高频工作，重载对应低频工作，有利于不同负载情况下的效率一致。

3.4 宽负载范围工作

感应耦合充电变换器应当能够在宽负载范围内安全工作，包括开路和短路的极限情况。此外，变换器也应当能够工作在涓流充电或均衡充电等模式下。在这些模式下，变换器都应当能保证较高的效率。

3.5 感应耦合器的匝比

原副边匝比大可以使得原边电流小，从而可采用更细线径的功率传输电缆，更低电流定额的功率器件，效率获得提升。

3.6 输入单位功率因数

感应耦合充电变换器工作在高频，会对电网造成谐波污染。感应充电技术要得到公众认可，获得广泛使用，必须采取有效措施，如功率因数校正或无功补偿等技术，限制电动汽车感应耦合充电变换器进入电网的总谐波量。就目前而言，充电变换器必须满足IEEE5191992标准或类似的标准。要满足这些标准，加大了感应耦合充电变换器输入部分及整机的复杂程度，增加了成本。而且，根据不同充电等级要求，感应耦合充电变换器可以选择两级结构（前级为PFC＋后级为充电器电路）或PFC功能与充电功能一体化的单级电路。

4 变换器拓扑选择

根据SAE J-1773给出的感应耦合器等效电路元件值，及上述的设计考虑，这里对适用于三种不同充电模式的变换器拓扑进行了考察。

如图2所示，电动汽车车载部分包括感应耦合器的插孔部分及AC/DC整流及容性滤波电路。首先，对直接连接电容滤波的整流电路进行考察。适合采用的整流方式有半波整流，中心抽头全波整流及全桥整流。其中，半波整流对变压器的利用率低；全波整流需要副边为中心抽头连接的两个绕组，增加了车载电路的重量和体积；全桥整流对变压器利用率高，比较适合用于这种场合。

图4给出基于以上考虑的感应耦合充电变换器原理框图。图中，输出整流采用全桥整流电路，输出滤波器采用电容滤波，输入端采用了PFC电路以限制进入电网的总谐波量不会超标，这里采用的是单独设计的PFC级。低功率时，PFC也可与主充电变换器合为带PFC功能的一体化充电电路。

图4 感应耦合充电变换器原理框图

如前所述，充电器设计中很重要的一个考虑是感应耦合器匝比的合理选取。为使设计标准化，按3种充电模式设计的感应耦合充电变换器都必须能够采用相同的电动汽车插座。限制充电器高频变压器副边匝数的因素包括功率范围宽，电气设计限制和机械设计限制。典型的耦合器设计其副边匝数为4匝。对于低充电等级，一般采用1∶1的匝比，对于高充电等级，一般采用2∶1的匝比。

对于30kW·h以内的储能能力，随充电状态不同，电动汽车电池电压在DC 200～450V范围内变化，变换器拓扑应当能够在这一电池电压变化范围内提供所需的充电电流。

4.1 充电模式1

这是电动汽车的一种应急充电模式，充电较慢。按这种模式设计的充电器通常随电动汽车携带，在没有标准充电器的情况下使用，从而必须体积小，重量轻，并且成本低。根据这些要求，可采用单级高功率因数变换器，降低整机体积，重量，降低成本，获得较高的整机效率。图5给出一种备选方案：两个开关管的隔离式Boost变换器[6]。在不采用辅助开关时，单级Boost级电路提供PFC功能并调节输出电压。当输入电压为AC 120V时，输入电压峰值为170V，由于变压器副边匝数为4匝，输出电压的调节范围为DC 200～400V，因而变压器可以采用1∶1的匝比，原边绕组均采用4匝线圈。典型的电压电流波形如图6所示。