中心議題：

• 電動汽車充電模式
• 充電器係統結構
• 開關電源主回路設計

解決方案：

• 動力電池組充電模式采用“恒流―恒壓”
• 采用功率因數校正或無功補償等技術
• 采用PWM強迫均流法

純chun電dian動dong汽qi車che以yi鋰li電dian池chi為wei動dong力li源yuan，充chong滿man電dian後hou，以yi電dian力li做zuo功gong推tui動dong汽qi車che。不bu同tong於yu汽qi油you發fa動dong機ji汽qi車che需xu要yao添tian加jia汽qi油you，純chun電dian動dong汽qi車che在zai電dian力li耗hao光guang後hou通tong過guo外wai置zhi電dian源yuan對dui其qi進jin行xing充chong電dian，通tong常chang單dan次ci行xing駛shi裏li程cheng在zai100～200公裏。與傳統汽車相比，純電動車在使用成本上有著無以比擬的優勢
，百公裏約消耗15度電，成本8元，僅相當於汽油發動機汽車成本1/10。目(mu)前(qian)，國(guo)家(jia)已(yi)著(zhe)手(shou)進(jin)行(xing)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)和(he)新(xin)能(neng)源(yuan)汽(qi)車(che)的(de)示(shi)範(fan)推(tui)廣(guang)
，電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)充(chong)電(dian)站(zhan)則(ze)是(shi)主(zhu)要(yao)環(huan)節(jie)之(zhi)一(yi)
，必(bi)須(xu)與(yu)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)其(qi)他(ta)領(ling)域(yu)實(shi)現(xian)共(gong)同(tong)協(xie)調(tiao)發(fa)展(zhan)。

充電模式

電動汽車能源供給係統主要由供電係統、充電係統和動力蓄電池構成。另外，還包括充電監控、電池管理和煙霧報警監控等。充電機是充電係統的重要組成部分。充電站給汽車充電一般分為三種方式：普通充電、快速充電
、電池更換。普通充電多為交流充電

，對於容量不超過5kW的交流充電機
，輸入為額定電壓220V
、50Hz的單相交流電，對於容量大於5kW的交流充電機，輸入為額定線電壓380V、50Hz的三相交流電。將交流插頭直接插在電動汽車充電接口，充電時間大約需要4～8小時。快速充電多為直流充電
，直流充電機輸入為額定線電壓380V
、50Hz的三相交流電，輸出電壓一般不超過700V，輸出電流一般不超過700A。交流輸入隔離型AC/DC充電機的輸出電壓為額定電壓的50%～100%，並且輸出電流為額定電流時，功率因數應大於0.85，效率應不小於90%。

充電機應能夠保證在充電過程中動力蓄電池單體電壓
、溫度和電流不超過允許值。充電機應具備防輸出短路和防反接功能。充電機至少能為以下三種類型動力蓄電池中的一種充電：鋰離子蓄電池
、鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池。

動力電池組充電模式采用“恒流―恒壓”兩階段充電模式。充電開始階段，一般采用最優充電倍率(鋰離子電池為0.3C)進行恒流充電。(C是電池的容量
，如C=800mAh，1C充電率即充電電流為800mA）在(zai)這(zhe)一(yi)階(jie)段(duan)
，由(you)於(yu)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)動(dong)勢(shi)較(jiao)低(di)

，即(ji)使(shi)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)不(bu)高(gao)，電(dian)池(chi)的(de)充(chong)電(dian)流(liu)也(ye)會(hui)很(hen)大(da)，必(bi)須(xu)對(dui)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)加(jia)以(yi)限(xian)製(zhi)。所(suo)以(yi)，這(zhe)一(yi)階(jie)段(duan)的(de)充(chong)電(dian)叫(jiao)“恒流”充chong電dian，充chong電dian電dian流liu保bao持chi在zai限xian流liu值zhi。隨sui著zhe充chong電dian的de延yan續xu，電dian池chi電dian動dong勢shi不bu斷duan上shang升sheng，充chong電dian壓ya也ye不bu斷duan上shang升sheng。當dang電dian池chi電dian壓ya上shang升sheng到dao允yun許xu的de最zui高gao充chong電dian電dian壓ya時shi，保bao持chi恒heng壓ya充chong電dian。在zai這zhe一yi階jie段duan

，由you於yu電dian池chi電dian動dong勢shi還hai在zai不bu斷duan上shang升sheng

，而er充chong電dian電dian壓ya又you保bao持chi不bu變bian，所suo以yi電dian池chi的de充chong電dian流liu呈cheng雙shuang曲qu線xian趨qu勢shi不bu斷duan下xia降jiang，一yi直zhi下xia降jiang到dao零ling。但dan在zai實shi際ji充chong電dian過guo程cheng中zhong，當dang充chong電dian電dian流liu減jian小xiao到dao0.015C時，說明充電已滿就可停止充電。這一階段的充電叫“恒壓”充電，這一階段的充電電壓：U=E+IR為恒壓值。這是鋰離子動力電池組對充電模式的基本要求。此外


，充電係統還必須具有自動調節充電參數
、自zi動dong控kong製zhi和he自zi動dong保bao護hu功gong能neng。尤you其qi在zai恒heng壓ya充chong電dian階jie段duan，如ru果guo單dan體ti電dian池chi的de充chong電dian電dian壓ya超chao過guo允yun許xu的de充chong電dian電dian壓ya時shi，充chong電dian機ji應ying能neng自zi動dong減jian小xiao充chong電dian電dian壓ya和he電dian流liu，使shi該gai電dian池chi的de充chong電dian電dian壓ya不bu超chao過guo允yun許xu的de充chong電dian電dian壓ya，防fang止zhi該gai電dian池chi過guo壓ya充chong電dian。充chong電dian過guo程cheng及ji充chong電dian電dian壓ya、電流的變化如圖1所示。


圖1充電曲線（n為電池組中串聯的單體電池個數）[page]

根gen據ju電dian池chi的de充chong電dian特te性xing和he電dian動dong汽qi車che動dong力li電dian池chi組zu的de充chong電dian要yao求qiu，常chang用yong充chong電dian設she備bei為wei充chong電dian機ji，可ke分fen為wei直zhi流liu充chong電dian機ji和he脈mai衝chong充chong電dian機ji兩liang類lei。直zhi流liu充chong電dian機ji就jiu是shi把ba電dian網wang電dian源yuan經jing過guo整zheng流liu濾lv波bo後hou隔ge離li穩wen壓ya輸shu出chu直zhi流liu電dian源yuan，供gong給gei動dong力li電dian池chi組zu進jin行xing充chong電dian。目mu前qian使shi用yong最zui多duo的de直zhi流liu充chong電dian機ji是shi高gao頻pin開kai關guan電dian源yuan充chong電dian機ji。它ta具ju有you體ti積ji小xiao、重量輕

、工作可靠

、效率高
、功率因數高、電網適應能力強、功gong率lv可ke小xiao可ke大da，容rong易yi實shi現xian智zhi能neng化hua等deng優you點dian。脈mai衝chong充chong電dian機ji可ke以yi減jian少shao電dian池chi在zai充chong電dian時shi產chan生sheng的de極ji化hua現xian象xiang，從cong而er提ti高gao電dian池chi的de充chong電dian效xiao率lv，減jian少shao充chong電dian時shi間jian


，實shi現xian快kuai速su充chong電dian，但dan脈mai衝chong充chong電dian器qi技ji術shu有you待dai進jin一yi步bu研yan究jiu。

電動汽車充電時間長，充電難是電動汽車推廣應用的一個難題。以一輛大型鋰動力電動大巴為例，配置電池容量700Ah。最大充電電流210A（相當於700AH電池容量的0.3C充電率），最高充電電壓700V（相當於165隻最高充電電壓4.2V左右的鋰電池單體串聯電壓）
，那麼需要充電器的最大輸出功率為245kW。按最優充電要求對電動汽車充電的充電時間，至少需要3小時。因此
，電動汽車的充電方式不能像燃油汽車在加油站加油那樣進行充電。如果20分鍾快速充滿電，至少要用3C的充電倍率進行充電
，這對於磷酸鐵鋰鋰離子電池來說是可能的。

綜上所述，電動汽車的充電還是采用普通充電為主、快速補充充電為輔的充電方式。對於電動公交車而言，充電站設在公交車總站內。在晚間下班後利用低穀充電，時間5～6xiaoshi。quantianyunxingdecheliang
，xushilichengbugoushi
，keliyongzhongjianxiuxidaibanshijianjinxingbuchongchongdian。chongdianqideshuliangheronglianggenjucheduideguimoerding，chongdianzhanyoucheduiguanli。liru，12輛大型鋰動力電動大巴需要12台充電機。快速充電時，可用6台充電機並聯充電，最大輸出功率為1470kW，最大充電電流2100A（相當於700AH電池的3C充電率）。或者用8台充電機平時為8輛電動車輛充電


，每台輸出最高充電電壓700V
，最大充電電流500A（相當於700AH電池用量0.7C的充電率）。1C～3C的(de)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)模(mo)式(shi)，已(yi)經(jing)在(zai)探(tan)討(tao)應(ying)用(yong)


，但(dan)應(ying)確(que)保(bao)在(zai)電(dian)池(chi)的(de)安(an)全(quan)和(he)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)的(de)前(qian)提(ti)下(xia)進(jin)行(xing)。按(an)照(zhao)上(shang)述(shu)充(chong)電(dian)機(ji)的(de)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)配(pei)置(zhi)，電(dian)力(li)變(bian)壓(ya)器(qi)有(you)效(xiao)總(zong)功(gong)率(lv)約(yue)為(wei)3000kW以上。

目前汽車各大廠商紛紛研製上產油電混合動力車和純電動汽車。以比亞迪E6純電動汽車為例，電池類型為磷酸鐵鈷鋰電池
，配置電池容量200Ah，3C的充電電流為600A
，標稱電壓316.8V（相當於96隻充電電壓3.3V左右的磷酸鐵鈷鋰電池單體串聯電壓）。充電器的輸出功率為192kW。快速充電時間15分鍾充滿80%。百公裏能耗為21.5度電左右，相當於燃油車1/3至1/4的消費價格。

係統結構

大功率電動汽車充電機的輸入為額定線電壓380V
、50Hz的三相交流電，輸出額定電壓700V，額定電流600A。係統采用19"標準機架
，結構緊湊、布局合理、外型美觀大方。外型尺寸：高×寬×深為2200mm×600mm×600mm。采用60個模塊並聯
，每個模塊10A/700V，模塊尺寸：高×寬×深為133mm×425mm×270mm，15層4列，分四個櫃體安放
，四個櫃體可分開運輸
，使用時緊湊左右排列。機架前門
、後(hou)門(men)均(jun)為(wei)雙(shuang)開(kai)門(men)，方(fang)便(bian)檢(jian)修(xiu)。電(dian)源(yuan)進(jin)線(xian)和(he)彙(hui)流(liu)排(pai)輸(shu)出(chu)位(wei)置(zhi)均(jun)在(zai)底(di)部(bu)輸(shu)入(ru)。電(dian)源(yuan)輸(shu)入(ru)斷(duan)路(lu)器(qi)及(ji)監(jian)控(kong)單(dan)元(yuan)觸(chu)摸(mo)屏(ping)安(an)裝(zhuang)在(zai)主(zhu)機(ji)中(zhong)間(jian)控(kong)製(zhi)櫃(gui)前(qian)部(bu)。充(chong)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)結(jie)構(gou)示(shi)意(yi)圖(tu)如(ru)圖(tu)2所示。


圖2充電機控製結構示意圖

開關電源主回路設計

電動汽車充電機采用的大功率高頻開關電源的原理框圖如圖3所示，由三相橋式不可控整流電路對三相交流輸入進行濾波整流，功率因數校正預穩壓800V後經高頻DC/DC半橋功率變換器，濾波輸出直流700V為動力蓄電池充電。經過分析計算，變壓器采用雙E65磁芯，初級線圈12匝
，則根據輸出電壓最高700V、輸入電壓最低780V、最大占空比0.95可求得次級繞組圈數N2，N2=(12/780)×(700/0.95)=11.33，考慮漏感、次級整流壓降等因素取N2為12匝。


圖3充電機電源的原理框圖[page]

由(you)於(yu)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)充(chong)電(dian)機(ji)為(wei)非(fei)線(xian)性(xing)負(fu)荷(he)，會(hui)產(chan)生(sheng)諧(xie)波(bo)，對(dui)電(dian)網(wang)是(shi)一(yi)種(zhong)汙(wu)染(ran)。必(bi)須(xu)采(cai)取(qu)有(you)效(xiao)措(cuo)施(shi)，如(ru)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)校(xiao)正(zheng)或(huo)無(wu)功(gong)補(bu)償(chang)等(deng)技(ji)術(shu)，限(xian)製(zhi)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)充(chong)電(dian)機(ji)進(jin)入(ru)電(dian)網(wang)的(de)總(zong)諧(xie)波(bo)量(liang)。為(wei)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)，降(jiang)低(di)輸(shu)入(ru)電(dian)網(wang)諧(xie)波(bo)，采(cai)用(yong)有(you)源(yuan)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)校(xiao)正(zheng)電(dian)路(lu)，如(ru)圖(tu)4所示。它采用三相三開關三電平BOOST電路，工作在連續模式，開關采用兩個MOSFET組合成的雙向開關。圖中
，開關S1

，S2，S3是雙向開關。由於電路的對稱性，電容中點電位VM與電網中點的電位近似相同，因而通過雙向開關S1、S2、S3可分別控製對應相上的電流。開關合上時對應相上的電流幅值增大，開關斷開時對應橋臂上的二極管導通(電流為正時，上臂二極管導通；電流為負時，下臂二極管導通)。在輸出電壓的作用下Boost電感上的電流減小
，從而實現對電流的控製。其控製電路采用三個控製芯片UC3854A
，相電壓通過三相隔離變壓器向UC3854A提(ti)供(gong)同(tong)步(bu)信(xin)號(hao)和(he)預(yu)校(xiao)正(zheng)信(xin)號(hao)，電(dian)流(liu)反(fan)饋(kui)采(cai)用(yong)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)互(hu)感(gan)器(qi)，分(fen)別(bie)控(kong)製(zhi)三(san)個(ge)開(kai)關(guan)，形(xing)成(cheng)三(san)個(ge)電(dian)流(liu)反(fan)饋(kui)內(nei)環(huan)和(he)一(yi)個(ge)電(dian)壓(ya)反(fan)饋(kui)外(wai)環(huan)的(de)多(duo)閉(bi)環(huan)係(xi)統(tong)。該(gai)電(dian)路(lu)的(de)優(you)點(dian)在(zai)於(yu)結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)
，每(mei)相(xiang)僅(jin)需(xu)一(yi)個(ge)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)。具(ju)有(you)三(san)電(dian)平(ping)特(te)性(xing)諧(xie)波(bo)電(dian)流(liu)小(xiao)
，開(kai)關(guan)管(guan)電(dian)壓(ya)電(dian)流(liu)應(ying)力(li)小(xiao)。不(bu)需(xu)要(yao)中(zhong)線(xian)，無(wu)三(san)次(ci)諧(xie)波(bo)
，滿(man)載(zai)時(shi)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)很(hen)高(gao)。開(kai)關(guan)應(ying)力(li)小(xiao)，關(guan)斷(duan)壓(ya)降(jiang)低(di)，開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)低(di)，共(gong)模(mo)EMI低。


圖4三相三開關三電平APFC電路拓撲圖

DC/DC功率變換器采用半橋電路拓撲，功率器件少，控製簡單
，可靠性高。如圖5所示，采用MOSFET和IGBT並聯技術，充分利用了MOSFET開關速度快和IGBT導通壓降低的優點。在電路上采取措施，使得MOSFET的關斷時間比IGBT延遲一定的時間，大大減小了IGBT的電流拖尾，降低了開關通態損耗，提高了效率和可靠性，使得半橋電路的輸出功率可以實現7kW。其qi輸shu出chu側ce采cai用yong的de整zheng流liu方fang式shi有you半ban波bo整zheng流liu
，中zhong心xin抽chou頭tou全quan波bo整zheng流liu及ji全quan橋qiao整zheng流liu。由you於yu輸shu出chu電dian壓ya較jiao高gao，全quan橋qiao整zheng流liu對dui變bian壓ya器qi利li用yong率lv高gao，比bi較jiao適shi合he用yong於yu這zhe種zhong場chang合he。


圖5MOSFET/IGBT並聯組合開關電路

圖6PWM強迫均流法工作框圖

係統采用PWM強迫均流法，工作框圖如圖6所示。這是一種係統電壓控製和強迫均流相結合的改進方法，其工作原理是將係統母線電壓Us和係統的基準電壓Ur相比較產生誤差電壓Ue
，用該誤差電壓控製PWM調製器
，得到的PWM信號去控製每一模塊的電流。每個模塊的電流要求信號都是相同的，PWMxinhaotongguoguangouyumokuaideshuchudianliujinxingbijiao

，tiaojiemokuaicankaodianya

，congergaibianshuchudianya
，tiaojieshuchudianliu，shixianjunliu。zheyang，meigemokuaidouxiangdangyudianyakongzhidedianliuyuan。zhezhongjunliufangshijingdugao，dongtaixiangyinghao，kekongzhimokuaiduo
，keyihenfangbiandizuchengrongyuxitong。qiangpojunliuyilaiyumouyimokuai
，ruguogaimokuaishixiao，zewufajunliu，suoyibixushejimokuaiguzhangtuichugongneng。zaiqiangpojunliuzhong，xitongmokuaishukeda100個，即使模塊電壓相差較大，參數設置好後不需任何調整
，均流精度優於1％,負載響應快，無振蕩現象，滿足應用需要。