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1、大功率非车载直流充电系统一、项目概述 发展电动汽车，是世界公认的缓解能源短缺和环境污染的有效策略，纯电动汽车（Electric Vehicle, EV）已成为各国政府鼓励、各汽车生产商大力发展的环保车型。作为EV主要的配套设施：EV充电设备也必然要跟随着电动汽车的发展。本项目主要针对EV充电设备，立足于现有的EV充电技术，研究适于EV充电设备的低谐波整流技术，实现单相/三相网侧低谐波电流和高效变换；研究适于EV充电设备的高频DC/DC变换及控制技术，实现宽输出电压场合的高效变换和可靠工作；研究智能化动力电池充电技术，适应不同电池种类，保证充电过程的高效、安全、可靠。相对目前我国已有的硬开关充电
2、设备，本项目将：采用三相集成电感的多脉冲变压整流器技术，减小谐波干扰；提出基于隔离型Buck-Boost电路拓扑的优化控制策略降低变换器体积；提出高可靠全桥LLC谐振变换器的变频+PWM+轻载跳频的复合控制策略调高变换器效率；采用独特的内置铜管散热设计提高充电设备的功率密度；基于CAN总线通讯实现电池BMS系统对充电机的监控。该项目完成以后，将根据功率的等级应用于EV充电设备中。EV充电设备包括四类：集中式充电站、独立式小型充电站、便携式快速充电机以及车载充电机。集中式充电站又称为快速充电站，其额定充电功率高达100kW以上。独立式小型充电站又称慢速充电桩，配合电动汽车车载充电机，为电动汽车提
3、供慢速充电。便携式充电机，在不影响电池使用寿命的前提下对电池进行快速充电，将被应用于EV汽车厂、维修点、便民服务点等地方为用户快速充电。二、立项的必要性随着油价高升、能源日益短缺，以节能环保为标志的新型汽车呼之欲出。各国纷纷加快发展新能源汽车的步伐，上至政府、下至企业，都在开足马力发展电动车型及其配套设施。日本政府方面表示，为普及电动汽车，政府将在三年内建千余座充电站；奥巴马明确表示，美国政府计划投入4亿美元支持充电站等基础设施建设。德国在今年年初通过500亿欧元的经济刺激电动汽车研发、“汽车充电站”网络建设和可再生能源开发；法国政府已经从国家政策层面准备采取配套措施，保证电动车等环保汽车的顺
4、利运行；电动汽车在很多国家都已经形成了一定的规模，各国政府都在大力扶持大型汽车集团的同时，制定了环保和节能法规，采取投资税收优惠、政府补贴促进消费的政策，促进电动汽车充电站（桩）配套基础设施的建设。在我国，根据国家发改委的规划，预计到2020年，我国电动汽车年产量将占汽车产量的20以上。EV的发展必然要求EV配套要跟上，而作为EV配套的主要技术：EV充电技术必然要随之进步。目前，我国市场上现有的充电设备包括我公司上一代产品大多采用落后的硬开关功率变换技术或者采用的线性电源充电技术，效率大多在88%以下，在功率转换中将能源极大的浪费在中间环节，造成能源浪费。在谐波质量上多采用无源PFC技术，造成
5、电网污染，对我国电网造成很大负担。而国外先进的电动汽车充电设备的转换效率已经达到94%，采用有源滤波技术，在一定程度上减小能源浪费。本项目将对现有充电技术进行改进，改进后，将使充电机功率转换环节达到国际先进水平，效率达到或超过94%。 三、项目研究内容下面结合本项目的四个大的技术研发内容进行详细说明：（-）智能化动力电池充电技术智能化电池充电技术需要保证两点，1.多模式充电，有利于延长动力电池使用寿命，降低EV使用成本。常规简单的恒流、恒压、涓流的三阶段充电模式已不能适应动力电池的需要，目前我公司已经研发成功智能五阶段充电模式。图1为智能五阶段充电曲线。(a) 充电电流与充电时间 (b) 充电
6、电压与充电时间表1智能五阶段充电模式特点描述预充模式：以2A（可调）对电池进行预充，充至280V（可调）。恒流模式：以30A（可调）的电流恒流充电，充至405V（可调）。恒压减流模式：充电电压恒定405V（可调），充电电流从30A（可调）逐渐减小。涓流模式：以0.2A（可调）的电流恒流充电5（可调）分钟。脉冲模式：以幅值410V（可调），一定周期（可调）的脉冲群，充电5分钟。本项目将在已有的充电技术的基础上，对脉冲模式进一步优化，区分不同类型电池，优化脉冲模式设置，进一步延长动力电池使用寿命。2.通过内置多种型号电池充电曲线，适应不同型号电池。由于采用数字控制方法，很容易预先设置多种型号电池的
7、充电曲线。既可按默认曲线充电也可根据用户需要进行设定。此外，充电方式分为常规和快速2种方式，常规为5小时充电方式，快速为1小时充电方式（针对不同电池类型选择，充电时间也有所不同）。这部分工作基本完成，随着客户的增加，电池类型的增多，我们也会相应充实充电曲线。（二）低谐波整流技术我司已经开发完成了上一代的充电桩、充电站，但现有的充电桩采用的是效率较低的无源滤波技术或Boost-PFC技术，而充电站则采用常规感容无源滤波，输入功率因数和谐波抑制效果不佳。因此，大功率低谐波整流器和高效率单相PFC变换器的产品开发是本项目的研究重点，也是实现产品绿色、环保的关键。要提高单相PFC-变换器的效率，我们将
8、研究无桥单相PFC技术。单相无桥PFC变换器如下图所示。图2. 单相无桥PFC变换器它由两个二极管VD1和VD2、两个开关管VS1和VS2及电感L1和L2等组成。单相无桥PFC变换器可等效为两个Boost 变换器的组合，其工作模态按输入电压的极性可分成两个阶段： 在输入电压正半周，L1、L2、VS1和VD1组成Boost 电路。VS1开通时，L1和L2储能，电感电流线性上升，电容C 给负载供电；VS1关断时，电流通过VD1向负载提供能量，电感电流线性下降。VS2在该阶段中始终导通，流过反向电流，承担续流工作；在输入电压负半周，L1、L2、VS2和VD2组成Boost电路。工作状态与正半周相同，
9、VS1流过反向电流，处于续流状态。与传统Boost PFC 相比，无桥PFC变换器少了一个开关管的压降，因此变换器的效率得以提高。我们已经采用ICE2PCS01控制芯片完成了800W单相PFC变换器，由于需要检测交流侧电流，目前采用电流霍尔进行检测。对于中小功率的充电机，霍尔会明显增大产品的成本，我们将在项目中对此进行改善。对于大功率三相低谐波整流器，我们研制两种方案满足不同的需求。一是多脉冲自耦变压整流器，二是三相PWM变换器。下面简要介绍其工作原理。多脉冲整流器是通过移相变压器，用不同的匝比变换和绕组联结方式来构造得到相位不同的电压矢量。不同电压矢量经整流桥得到不同相位的电流矢量并在网侧叠
10、加，使得网侧电流变为与对应电压同相的阶梯波电流，实现功率因数校正和谐波抑制的功能。与阶梯波合成逆变器的道理相同，根据阶梯波抵消原理，当合成电流波形的阶梯数越多，即相位不同的电压矢量数增加，网侧电流阶梯数增多，电流波形越趋于正弦化，THD越小。为了便于理解结合6脉冲整流器来讲述其原理。如图2所示，电路包括输入三相电源、三相隔离变压器、不控整流桥、滤波电感（感值足够大）和负载，其中三相隔离变压器的原边结构为D型，副边结构为Y型，原副边绕组匝数比为 1.7:1，因此原副边线电压和相电压有效值均相等。副边电路与三相不控整流电路相同，3个相电压矢量共合成6个线电压矢量，连接到一个三相桥上。如图3所示，每
11、个二极管导通 。图2 脉冲变压整流器图3 脉冲变压整流器整流波形图 图4 脉冲变压整流器电压矢量图图5脉冲变压整流器电流波形图根据变压器绕组同名端得到变压器电压矢量图，如图4所示，副边相电压超前原边相电压 。根据图2中整流器各点电流参考方向，变压器磁势平衡原理以及基尔霍夫电流定律，可得输入电流 的表达式为： (1)整流器输入电流 的波形如图5所示，一个周期内 共有6个阶梯波。将电流 过零点作为时间零点，对 傅立叶分解可得： (2)由式(2)可以看出，输入电流中仅含 奇（ 为正整数）次谐波，且其有效值与基波有效值的比值为谐波次数的倒数，输入电流THD为 。脉冲数越多，谐波越小。我们选择自耦型18
12、脉冲变压整流器来完成变换器的设计，保证网侧低谐波。目前我们已经开发完成400HZ输入的大功率18脉冲变压整流器，项目中将完成50HZ输入的大功率18脉冲变压整流器，并解决其优化设计问题，尽量减小其体积重量。多脉冲整流器具有高可靠、高效率的优势，但是无源的特点决定了其体积重量较大，为此我们开发三相PWM整流器，在保证输入电流低谐波的同时，维持输出电压稳定。这里我们是通过数字控制的手段，通过旋转坐标变换，将交流量变换到与电网同步的旋转坐标系下，则交流量变为直流量，保证了控制静态无差。同时，通过引入空间矢量调制方法，提高直流电压利用率，可降低输出直流电压，有利于效率的提高。目前，已经完成了三相PWM
13、变换器软件的编制、调试和小功率实验，将在项目中完成大功率实验测试，并考虑电网不对称，解决锁相误差问题。（四）高效率DC/DC变换及控制技术 这部分是保证动力电池可靠、高效充电的关键。同样分成小功率车载和大功率两种情形。这部分已有良好的基础，但是仍需要在高效率、高功率密度上继续优化，这样才能保持技术上的领先和核心竞争力。对于车载充电机，高效、高功率密度的要求都很重要。一般车载充电机不超过3.5kW。现有产品采用变频控制LLC全桥电路来完成。尽管LLC全桥电路能同时实现变换器原边的零电压开关和副边二极管的零电流关断。但是变频控制却存在启动、限流困难的问题，为此，项目中将研究变频+的复合控制，实现高
14、效变换。 对于大功率变换，我们目前的产品是采用两个单相变换器原边串联、副边串联的方案。且开关管仍采用车载充电机所用的MOSFET，但是大功率场合MOSFET损耗较大，不利于高效，因此我们将在项目中研发高效率、大功率、宽输出电压、可均流的DC/DC变换器。LLC谐振变换器适合宽输出应用，但其原边实现ZVS适合于MOSFET，不适合于，我们考虑采用隔离型多管Buck-Boost器（不是反激变换器）作为大功率高效变换的方案。出于技术保密需要，这里我们不给出详细的电路图和控制方案。 目前，小功率原理已经通过验证，本项目将完成大功率的样机，优化电路设计和控制策略。基于项目成果研制的各变换器的主要技术指标
15、列出如下：20kW三相PWM整流器：PF0.95；THD0.94;20kWDC/DC变换器：额定0.92;20kW多脉冲整流器：PF0.99；THD0.97；4kWPFC：PF0.99；THD0.97；3.5kWDC/DC:额定0.94充电桩：PF0.99，额定0.91；车载充电机：PF0.99，额定0.93；充电站：PF0.98，额定0.93（有源）或0.9（无源）；项目适用标准GB/T 18487.1-2001电动车辆传导充电系统一般要求GB/T 18487.2-2001电动车辆传导充电系统电动车辆与交流/直流电源的连接要求GB/T 18487.3-2001电动车辆传导充电系统电动车辆与交流/直流充电机（站）GB/T 20234-2006电动汽车传导充电用插头、插座、车辆耦合器和车辆插孔通用要求电气技术标准：GB/T 17215.322-2008静止式有功电能表 0.2S 级和 0.5S 级GB 17625.2-2007电磁兼容 限值 对每相额定电流16A且无条件接入的设备在公用低
