- 電動(dòng)汽車(chē)充電模式
- 充電器系統結構
- 開(kāi)關(guān)電源主回路設計
- 動(dòng)力電池組充電模式采用“恒流―恒壓”
- 采用功率因數校正或無(wú)功補償等技術(shù)
- 采用PWM強迫均流法
純電動(dòng)汽車(chē)以鋰電池為動(dòng)力源，充滿(mǎn)電后，以電力做功推動(dòng)汽車(chē)。不同于汽油發(fā)動(dòng)機汽車(chē)需要添加汽油，純電動(dòng)汽車(chē)在電力耗光后通過(guò)外置電源對其進(jìn)行充電，通常單次行駛里程在100～200公里。與傳統汽車(chē)相比，純電動(dòng)車(chē)在使用成本上有著(zhù)無(wú)以比擬的優(yōu)勢，百公里約消耗15度電，成本8元，僅相當于汽油發(fā)動(dòng)機汽車(chē)成本1/10。目前，國家已著(zhù)手進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)和新能源汽車(chē)的示范推廣，電動(dòng)汽車(chē)充電站則是主要環(huán)節之一，必須與電動(dòng)汽車(chē)其他領(lǐng)域實(shí)現共同協(xié)調發(fā)展。
充電模式
電動(dòng)汽車(chē)能源供給系統主要由供電系統、充電系統和動(dòng)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。充電機是充電系統的重要組成部分。充電站給汽車(chē)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，對于容量不超過(guò)5kW的交流充電機，輸入為額定電壓220V、50Hz的單相交流電，對于容量大于5kW的交流充電機，輸入為額定線(xiàn)電壓380V、50Hz的三相交流電。將交流插頭直接插在電動(dòng)汽車(chē)充電接口，充電時(shí)間大約需要4～8小時(shí)?？焖俪潆姸酁橹绷鞒潆?，直流充電機輸入為額定線(xiàn)電壓380V、50Hz的三相交流電，輸出電壓一般不超過(guò)700V，輸出電流一般不超過(guò)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%，并且輸出電流為額定電流時(shí)，功率因數應大于0.85，效率應不小于90%。
充電機應能夠保證在充電過(guò)程中動(dòng)力蓄電池單體電壓、溫度和電流不超過(guò)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(lèi)型動(dòng)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(dòng)力電池組充電模式采用“恒流―恒壓”兩階段充電模式。充電開(kāi)始階段，一般采用最優(yōu)充電倍率(鋰離子電池為0.3C)進(jìn)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）在這一階段，由于電池的電動(dòng)勢較低，即使電池充電電壓不高，電池的充電流也會(huì )很大，必須對充電電流加以限制。所以，這一階段的充電叫“恒流”充電，充電電流保持在限流值。隨著(zhù)充電的延續，電池電動(dòng)勢不斷上升，充電壓也不斷上升。當電池電壓上升到允許的最高充電電壓時(shí)，保持恒壓充電。在這一階段，由于電池電動(dòng)勢還在不斷上升，而充電電壓又保持不變，所以電池的充電流呈雙曲線(xiàn)趨勢不斷下降，一直下降到零。但在實(shí)際充電過(guò)程中，當充電電流減小到0.015C時(shí)，說(shuō)明充電已滿(mǎn)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(dòng)力電池組對充電模式的基本要求。此外，充電系統還必須具有自動(dòng)調節充電參數、自動(dòng)控制和自動(dòng)保護功能。尤其在恒壓充電階段，如果單體電池的充電電壓超過(guò)允許的充電電壓時(shí)，充電機應能自動(dòng)減小充電電壓和電流，使該電池的充電電壓不超過(guò)允許的充電電壓，防止該電池過(guò)壓充電。充電過(guò)程及充電電壓、電流的變化如圖1所示。
圖1充電曲線(xiàn)（n為電池組中串聯(lián)的單體電池個(gè)數）[page]
根據電池的充電特性和電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組的充電要求，常用充電設備為充電機，可分為直流充電機和脈沖充電機兩類(lèi)。直流充電機就是把電網(wǎng)電源經(jīng)過(guò)整流濾波后隔離穩壓輸出直流電源，供給動(dòng)力電池組進(jìn)行充電。目前使用最多的直流充電機是高頻開(kāi)關(guān)電源充電機。它具有體積小、重量輕、工作可靠、效率高、功率因數高、電網(wǎng)適應能力強、功率可小可大，容易實(shí)現智能化等優(yōu)點(diǎn)。脈沖充電機可以減少電池在充電時(shí)產(chǎn)生的極化現象，從而提高電池的充電效率，減少充電時(shí)間，實(shí)現快速充電，但脈沖充電器技術(shù)有待進(jìn)一步研究。
電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間長(cháng)，充電難是電動(dòng)汽車(chē)推廣應用的一個(gè)難題。以一輛大型鋰動(dòng)力電動(dòng)大巴為例，配置電池容量700Ah。最大充電電流210A（相當于700AH電池容量的0.3C充電率），最高充電電壓700V（相當于165只最高充電電壓4.2V左右的鋰電池單體串聯(lián)電壓），那么需要充電器的最大輸出功率為245kW。按最優(yōu)充電要求對電動(dòng)汽車(chē)充電的充電時(shí)間，至少需要3小時(shí)。因此，電動(dòng)汽車(chē)的充電方式不能像燃油汽車(chē)在加油站加油那樣進(jìn)行充電。如果20分鐘快速充滿(mǎn)電，至少要用3C的充電倍率進(jìn)行充電，這對于磷酸鐵鋰鋰離子電池來(lái)說(shuō)是可能的。
綜上所述，電動(dòng)汽車(chē)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。對于電動(dòng)公交車(chē)而言，充電站設在公交車(chē)總站內。在晚間下班后利用低谷充電，時(shí)間5～6小時(shí)。全天運行的車(chē)輛，續駛里程不夠時(shí)，可利用中間休息待班時(shí)間進(jìn)行補充充電。充電器的數量和容量根據車(chē)隊的規模而定，充電站由車(chē)隊管理。例如，12輛大型鋰動(dòng)力電動(dòng)大巴需要12臺充電機?？焖俪潆姇r(shí)，可用6臺充電機并聯(lián)充電，最大輸出功率為1470kW，最大充電電流2100A（相當于700AH電池的3C充電率）?；蛘哂?臺充電機平時(shí)為8輛電動(dòng)車(chē)輛充電，每臺輸出最高充電電壓700V，最大充電電流500A（相當于700AH電池用量0.7C的充電率）。1C～3C的快速充電模式，已經(jīng)在探討應用，但應確保在電池的安全和使用壽命的前提下進(jìn)行。按照上述充電機的最大功率配置，電力變壓器有效總功率約為3000kW以上。
目前汽車(chē)各大廠(chǎng)商紛紛研制上產(chǎn)油電混合動(dòng)力車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)。以比亞迪E6純電動(dòng)汽車(chē)為例，電池類(lèi)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(chēng)電壓316.8V（相當于96只充電電壓3.3V左右的磷酸鐵鈷鋰電池單體串聯(lián)電壓）。充電器的輸出功率為192kW?？焖俪潆姇r(shí)間15分鐘充滿(mǎn)80%。百公里能耗為21.5度電左右，相當于燃油車(chē)1/3至1/4的消費價(jià)格。
系統結構
大功率電動(dòng)汽車(chē)充電機的輸入為額定線(xiàn)電壓380V、50Hz的三相交流電，輸出額定電壓700V，額定電流600A。系統采用19"標準機架，結構緊湊、布局合理、外型美觀(guān)大方。外型尺寸：高×寬×深為2200mm×600mm×600mm。采用60個(gè)模塊并聯(lián)，每個(gè)模塊10A/700V，模塊尺寸：高×寬×深為133mm×425mm×270mm，15層4列，分四個(gè)柜體安放，四個(gè)柜體可分開(kāi)運輸，使用時(shí)緊湊左右排列。機架前門(mén)、后門(mén)均為雙開(kāi)門(mén)，方便檢修。電源進(jìn)線(xiàn)和匯流排輸出位置均在底部輸入。電源輸入斷路器及監控單元觸摸屏安裝在主機中間控制柜前部。充電機控制結構示意圖如圖2所示。
圖2充電機控制結構示意圖
開(kāi)關(guān)電源主回路設計
電動(dòng)汽車(chē)充電機采用的大功率高頻開(kāi)關(guān)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(jìn)行濾波整流，功率因數校正預穩壓800V后經(jīng)高頻DC/DC半橋功率變換器，濾波輸出直流700V為動(dòng)力蓄電池充電。經(jīng)過(guò)分析計算，變壓器采用雙E65磁芯，初級線(xiàn)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]
由于電動(dòng)汽車(chē)充電機為非線(xiàn)性負荷，會(huì )產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)是一種污染。必須采取有效措施，如功率因數校正或無(wú)功補償等技術(shù)，限制電動(dòng)汽車(chē)充電機進(jìn)入電網(wǎng)的總諧波量。為提高功率因數，降低輸入電網(wǎng)諧波，采用有源功率因數校正電路，如圖4所示。它采用三相三開(kāi)關(guān)三電平BOOST電路，工作在連續模式，開(kāi)關(guān)采用兩個(gè)MOSFET組合成的雙向開(kāi)關(guān)。圖中，開(kāi)關(guān)S1，S2，S3是雙向開(kāi)關(guān)。由于電路的對稱(chēng)性，電容中點(diǎn)電位VM與電網(wǎng)中點(diǎn)的電位近似相同，因而通過(guò)雙向開(kāi)關(guān)S1、S2、S3可分別控制對應相上的電流。開(kāi)關(guān)合上時(shí)對應相上的電流幅值增大，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)對應橋臂上的二極管導通(電流為正時(shí)，上臂二極管導通；電流為負時(shí)，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(shí)現對電流的控制。其控制電路采用三個(gè)控制芯片UC3854A，相電壓通過(guò)三相隔離變壓器向UC3854A提供同步信號和預校正信號，電流反饋采用霍爾電流互感器，分別控制三個(gè)開(kāi)關(guān)，形成三個(gè)電流反饋內環(huán)和一個(gè)電壓反饋外環(huán)的多閉環(huán)系統。該電路的優(yōu)點(diǎn)在于結構簡(jiǎn)單，每相僅需一個(gè)功率開(kāi)關(guān)。具有三電平特性諧波電流小，開(kāi)關(guān)管電壓電流應力小。不需要中線(xiàn)，無(wú)三次諧波，滿(mǎn)載時(shí)功率因數很高。開(kāi)關(guān)應力小，關(guān)斷壓降低，開(kāi)關(guān)損耗低，共模EMI低。
圖4三相三開(kāi)關(guān)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，控制簡(jiǎn)單，可靠性高。如圖5所示，采用MOSFET和IGBT并聯(lián)技術(shù)，充分利用了MOSFET開(kāi)關(guān)速度快和IGBT導通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。在電路上采取措施，使得MOSFET的關(guān)斷時(shí)間比IGBT延遲一定的時(shí)間，大大減小了IGBT的電流拖尾，降低了開(kāi)關(guān)通態(tài)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(shí)現7kW。其輸出側采用的整流方式有半波整流，中心抽頭全波整流及全橋整流。由于輸出電壓較高，全橋整流對變壓器利用率高，比較適合用于這種場(chǎng)合。
圖5MOSFET/IGBT并聯(lián)組合開(kāi)關(guān)電路
圖6PWM強迫均流法工作框圖
系統采用PWM強迫均流法，工作框圖如圖6所示。這是一種系統電壓控制和強迫均流相結合的改進(jìn)方法，其工作原理是將系統母線(xiàn)電壓Us和系統的基準電壓Ur相比較產(chǎn)生誤差電壓Ue，用該誤差電壓控制PWM調制器，得到的PWM信號去控制每一模塊的電流。每個(gè)模塊的電流要求信號都是相同的，PWM信號通過(guò)光耦與模塊的輸出電流進(jìn)行比較，調節模塊參考電壓，從而改變輸出電壓，調節輸出電流，實(shí)現均流。這樣，每個(gè)模塊都相當于電壓控制的電流源。這種均流方式精度高，動(dòng)態(tài)響應好，可控制模塊多，可以很方便地組成冗余系統。強迫均流依賴(lài)于某一模塊，如果該模塊失效，則無(wú)法均流，所以必須設計模塊故障退出功能。在強迫均流中，系統模塊數可達100個(gè)，即使模塊電壓相差較大，參數設置好后不需任何調整，均流精度優(yōu)于1％,負載響應快，無(wú)振蕩現象，滿(mǎn)足應用需要。
