浅谈电动汽车大功率充电机技术现状

浅谈电动汽车大功率充电机技术现状

刘于祥

广州众瑞能电子科技有限公司广东广州511431

摘要：针对电动汽车的飞速发展，电动汽车充电基础设施作为电动汽车的能量补给站也将飞速发展。充电机作为充电基础设施的核心，其技术发展显得尤为重要。本文重点分析了充电机使用关键技术的现状和发展趋势，为关心和加入电动汽车充电技术研究的同行提供指引。

关键词：电动汽车；充电技术；充电机；现状

Abstract：Withtherapiddevelopmentoftheelectric-vehicle，thecharginginfrastructuredeveloprapidlytooastherenewedenergystation.EspeciallyThecharginggenerator’sdevelopmentisveryimportantasthemostkeyparts.Thispaperlaidspecialstressonanalyzingthekeytechniquesforthecharginggeneratorandthetrendofdevelopment，whichprovidetheguidanceforthesepeoplewhocaredandwishedtojoinedtotheresearchofthecharginggenerator.

KeyWords：electricvehicle；charging-techniques；charginggenerator；presentsituation.

1引言

随着能源危机和日益加重的环境污染使世界各国都投入了大量人力、物力进行新能源汽车的研究，而电动汽车因其零排放等诸多优点作为新能源汽车的佼佼者，已经成为新一次汽车革命的主体。

电动汽车示范运行的深入开展和产业化进程的推进需要电动汽车充电基础设施网络的广泛铺设作为前提。电动汽车充电技术作为电动汽车充电基础设施的关键，应受到足够重视。充电技术直接关系到大规模电动汽车充电对电网带来的冲击、谐波污染及充电本身的充电效率、充电安全等诸多问题。

2电动汽车充电设备

根据电动汽车的交流慢速充电、电池更换、直流快速充电、直流慢速充电等充电方式，充电设备分为交流充电桩、充电站、换电站、分布式直流充电机等。充电设备是将电网能量转化为电动车车载蓄电池电能的专用设备，各种充电方式的充电设备最终都通过大功率充电机给蓄电池补给能量。充电机技术是充电技术中最为关键的技术。

3充电机涉及的关键技术

电动汽车充电机与传统的直流电源原理相似，但电动汽车电池充电的特殊曲线使其与传统直流电源又有很多不同。充电机根据不同车型的电池其要求的输出电压范围不一样，当前从24V~750VDC不等，输出功率较大，电动汽车充电对充电机电压电流输出要求连续可调，且恒流恒压涓流等模式自动转换。

充电机技术涉及电、热、磁、结构、电磁兼容五方面内容，因其输出功率大、电压高，研究难度明显高于普通直流电源，技术难点很多。充电机的的关键技术主要包括功率因数自动校正技术、软开关技术、数字控制技术、均流技术、热处理技术、电磁兼容技术、与电动汽车电池管理系统（BMS）通讯技术等。

4关键技术现状

电动汽车在国内兴起的时间还不长，针对电动汽车充电的充电机在国内研究的时间也不长，但在传统直流电源的基础上，经过近十年的发展，充电机技术已基本成熟。

4.1功率因数自动校正技术（APFC），

电动汽车充电功率大，其输入电流波形畸变导致功率因数下降，并产生高次谐波分量，污染电网。APFC技术旨在消除谐波和无功电流，将电网功率因数提高到近似为1。

当THD<5时，其PF可达到0.999。

APFC技术是将输入交流进行全波整流，在整流电路与滤波电容之间加入ACDC变换，通过适当控制使输入电流的波形自动跟随输入电压的波形，使整流器的输出电流跟随它输出直流脉动电压波形（保持同相位），且要保持储能电容电压稳定，从而实现稳压输出的单位功率因数输入。

常用的控制ACDC开关变换器实现APFC的方法基本上有三种：电流峰值控制、电流滞环控制、平均电流控制。

下图给出输入电压波形Vdc、Vi和经过校正的输入电流iL和ii波形。

单相APFC技术已经比较成熟，当前有多款集成了控制电路的芯片可用作APFC电流控制，如美国Unitrode公司的芯片UC3854，应用在5000W功率输出充电机中，可以控制ACDC变换器的输入端功率因数接近1；限制输入电流的THD小于5%。

当前的大功率充电机大多都采用3个单相APFC构成ACDC转换部分，经过DCDC输出均流实现大功率输出，单模块可输出10-15kW，大于15kW的超大功率充电机采用15kW充电模块并机实现。

目前单相APFC的电路拓扑和控制技术已发展相当成熟且已实用化多年，与单相APFC相比，三相APFC电路的输入功率大，电路拓扑和控制工作机理复杂，但其器件少、可靠性高，应用更加广泛。在电动汽车大功率充电应用中，功率输出从3kW~300kW不等，因此大功率三相APFC正成为研究热点。

从上图可看出硬开关技术开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠，产生功率消耗。软开关通过通过零电压开通、关断或零电流开通、关断使电压电流不出现重叠，在开关过程消耗功率大幅减少。

根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。当前应用最多的是LLC谐振软开关、移相全桥软开关技术。

当前硬开关实现的DCDC变换器效率最高为88~90%，软开关实现的DCDC变换器效率一般在92-93%。

软开关技术的控制方式当前大多采用模拟电路控制，因电路参数随输出负载的变化使控制难度较大，且在效率提高方面还有提升空间。

4.3均流技术

充电电源的并联运行是电源产品模块化、大容量化的一个有效方法，是实现组合大功率电源系统的关键。实际并联模块中由于模块自身存在一定的差异，这就使得每个电源模块所分担的电流并不完全相等，可能出现一个或多个模块分担过多电流，其结果可能导致某个模块热应力过大，降低系统的稳定性。

均流技术的实质即是通过均流控制电路，调整各模块的输出电压，从而调整输出电流，以达到电流均分的目的。均流技术分硬件均流和软件均流两种。当前应用最多的是硬件均流技术。

硬件均流的基本思想是采样各自输出电流信号，并把该信号引进控制环路中，来参与调整输出电压。选择不同的电流信号注进点，可以直接调节系统基准电压、反馈电压误差、或者反馈电流误差，形成多种均流方案，以满足不同的稳态性能和动态响应。硬件并联均流方案主要有改变输出内阻法，主从控制法，外部控制器法，平均电流自动均流法，自主均流法，热力自动均流法等。当前应用最多的是自主均流法，均流不平衡度可以达到小于5%。

硬件均流方案存在成本相对较高，任意扩展能力较差，均流方案改变困难等问题。工程师们开始考虑用软件的方式实现均流。软件均流具有成本较低，扩容能力强，扩容方便，方案改变、升级容易实现等优点。软件均流通过主控制器与个模块之间的通信来实现输出电流的均流，当前使用CAN总线实现软件均流正成为研究热点。

4.4热处理技术

在充电机设计中，热处理设计的水平直接决定着充电机的可靠性和使用寿命。充电机内部的如开关管、整流管、整流桥模块、变压器、滤波电感等是充电机中热量主要来源，其工作温度是充电机稳定、安全、可靠运行的关键。

但因热处理是一个系统工程，热量的计算、元件参数的误差、风道测算都给设计带来了不少困难，使热设计很难将理论模型应用于实际。

充电机热处理一般通过自然冷却和强制风冷两种方式来完成，从机壳的选材、结构设计与布局、器件的选择、散热器的设计与选用、通风口的设计、风路设计、热路设计等方面来进行热设计。

当前热设计通过大量的试验，借助温度传感器、热像仪等仪器可以达到充电机的可靠性要求。

4.5数字化控制技术

在充电机设计中，目前最多的还是使用模拟控制技术。数字控制主要有以下两种方法：第一种是单片机通过外接A/D转换芯片进行采样，采样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果通过D/A转换后传到PWM芯片中，实现单片机对开关电源的开关电源间接控制。但是控制电路由于要用多个芯片，电路比较复杂；单片经过A/D和D/A转换，有比较大的时延，势必影响电源的动态性能和稳压精度。在充电机高精度和动态性能要求极高，单片机在充电机设计中较难应用。

第二种是通过高性能数字芯片如DSP对电源实现直接控制，数字芯片完成信号采样AD转换和PWM输出等工作，由于输出的数字PWM信号功率不足以驱动开关管，需通过一个驱动芯片进行开关管的驱动。这样就可以简化控制电路的设计，由于而这些芯片有比较高的采样速度和运算速度，可以快速有效的实现各种复杂的控制算法，实现对电源的有效控制，有较高的动态性能和稳压精度。

DSP作为充电机的控制器，在国内已经开始使用，但由于但是DSP芯片结构复杂，成本比较高；DSP控制技术比较难掌握，对设计者要求比较高，在充电机领域中广泛应用还需时日。专门为电源控制设计的控制器，集成快速AD和数字PWM、PID补偿器，正在涌向市场，将会成为数字控制的新的发展方向。

4.6电磁兼容技术和与BMS通信技术

电磁兼容技术作为电子、电力类产品的常用技术，当前已经发展比较成熟，充电机可以借鉴传统的电磁兼容技术实现技术规范指标和现场应用的相应要求。与电动汽车电池管理系统的通信技术，当前均为基于CAN总线通讯来实现，通过规约实现两者之间的通信，通信可靠性和纠错能力是其关键，当前技术已经十分成熟。

5充电机技术发展趋势

随着电动汽车充电技术设施行业的深入发展和开关电源技术的飞速发展，充电机正向着小型化、高频化、高效率化、数字化、模块化方向发展。

充电机的谐波、功率因数、效率指标、可靠性、安全性仍将是电网、用户最关心的问题，其技术发展也将围绕着谐波、功率因数、效率指标、可靠性、安全性等进一步发展。

三相APFC技术、全数字化控制的软开关技术、软件均流技术、使用专业软件进行热设计、新型拓扑的研究将会成为大功率、高输出特点的电动汽车充电机的技术发展趋势。

6总结

电动汽车正给汽车业带来一次新的革命，作为充电设备核心的充电机技术也在迅速发展。本文对充电机的主要关键技术现状作了概括介绍，并介绍了各种充电机技术的发展趋势。随着电动汽车行业的发展，充电基础设施行业已经兴起，随着企业和机构对充电基础设施研究的广泛参与；充电机技术必将进一步快速发展；充电机正向着小型化、高频化、高效率化、数字化、模块化方向发展。

参考文献：

[1]王刚、周荣、乔维高.电动汽车充电技术研究.农业装备与车辆工程.2008年第6期，7~9.

[2]张占松、蔡宣三.开关电源的原理与设计（修订版）.北京：电子工业出版社，2004.

[3]阮新波、严仰光.脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术[M]，科学出版社，1999.

[4]岳思、李艳.电动汽车充电模式及方式浅析.通信电源技术.第29卷第2期（2012年3月），38-40.

作者简介：

第一作者：刘于祥（1980-），男，重庆忠县人，硕士研究生，主要从事智能配电网设备、新能源汽车充电设备的研究，广州众瑞能电子科技有限公司高级研发工程师