电动汽车车载智能快速充电器设计方案

　　摘要： 为满足电动汽车蓄电池无损伤快速充电的需求， 提出将大功率开关电源变换技术应用于智能充电器。结合实际充电要求， 给出了电动汽车车载充电系统的总体方案， 并就方案中涉及到的大功率充电电源拓扑的选择， 控制电路设计及保护电路设计做了具体介绍。实验结果表明该充电电源可以在短时间内实现对动力蓄电池的无损伤充电， 满足快速充电的要求。文章所研究的车载智能充电器为新型电动汽车提供了一种可靠有效的充电设备， 具有很强的应用价值。
　　0 引 言
　　面对传统燃油汽车尾气排放造成的污染及其对石油资源的过度消耗所引发的环境与能源问题， 电动汽车以其良好的环保、节能特性， 成为当今国际汽车发展的潮流和热点。目前世界上许多发达国家的政府、着名汽车厂商及相关行业科研机构都在致力于电动汽车技术的研究开发与应用推广。
　　车载电动汽车充电器是电动汽车大规模商业化后不可缺少的组成部分， 如何实现车载充电器对蓄电池快速无损伤充电是电动汽车投入市场前必须解决的关键技术之一。本文设计的充电器是一种加装于电动汽车上的车载充电设备， 通过对目前车载蓄电池的发展现状和发展前景进行分析， 以目前使用广泛的阀控密封铅酸电池为研究对象， 在技术上采用目前较为先进又成熟的逆变技术， 具有体积小、重量轻、效率高、调节范围大等特点。同时从功能角度， 它也适合镍镉、镍氢， 锂离子等类型的动力蓄电池。因此， 具有较大的实用价值。
　　1 智能充电系统总体结构设计
　　结合当前电动汽车电能供给的典型方式和充电电源的发展状况， 文章设计的智能充电系统如图1所示。整个电路采用了AC /DC-DC /DC 的设计结构， 首先是220V 的交流市电经EMI滤波、PFC校正电路变为380V 的直流， 然后经DC /DC 半桥变换及相应的控制电路， 保证输出电流电压满足充电电池的需求。其中PFC 控制电路主要由MOSFET 管、Boost升压电感、控制芯片ICE2PCS01以及直流滤波电容组成。DC /DC变换采用半桥式拓扑， 主要由高频变压器、MOSFET 管以及LC 滤波电路组成。控制部分通过对蓄电池端电压、电流信号的采集反馈， 由SG3525产生双路PWM 波控制半桥拓扑中MOSFET管的通断时间来控制充电电流和电压， 其控制部分还包括对电流、电压、温度的采集监测以及实时显示。

　　

　　图1 智能充电系统总体结构框图

　　2 系统主要电路设计
　　2.1 APFC电路设计
　　本设计选择工作于连续调制模式下的平均电流型升压式APFC 电路来实现较为合适。具体的电路设计如图2 所示， 控制芯片选用ICE2PCS01.由ICE2PCS01构成的有源功率因数校正电路。

　　

　　图2 有源功率因数校正电路

　　2.2 半桥式逆变部分设计
　　DC /DC变换是该充电电源的关键部分， 同时也是难点所在。整机性能的好坏、质量优劣、成本高低在很大程度上取决于该逆变桥路。该部分如图3所示， 主要包括变换器拓扑结构的选择、功率管选择、变压器设计、吸收回路设计及滤波回路设计等。

　　

　　图3 半桥变换电路

　　2.2.1 电路主变换拓扑结构的选择
　　在开关电源的各种变换拓扑中， 半桥变换以其输出功率大、结构简单、开关器件少、实现同等功率变换的成本较低且抗磁通不平衡能力强等优点，成为该充电器结构设计的首选。半桥电路由两只数值相等、容量较大的高压电容器组成一个分压电路， 通过控制一个桥臂上两个开关管交替导通和截止， 在变压器原边产生高压开关脉冲， 从而在副边感应出交变的方波， 实现功率转换。该电路拓扑的一个突出优点是阻断电容C3 的连接使其具有抗磁通不平衡能力， 有效防止磁偏。同时将变压器初级侧的漏感尖峰电压钳位于直流母线电压， 将漏感存储的能量归还到输入母线， 而不是消耗于电阻元件。
　　2.2.2 高频变压器的设计
　　由220V 的交流输入经过前级的APFC 变换电路后， 得到380V 输出电压， 同时该输出电压也是后级DC-DC变换的输入电压。在变压器的作用下，原边电压是190V， 副边输出电压是109V， 参考有关的设计资料， 具体计算如下：
　　①初级绕组匝数：

　　

　　式中： D 为变压器最大占空比； fs 为开关频率； N1为初级绕组匝数； Uin为变压器初级输入电压幅值；Ton为初级输入脉冲电压宽度。实际中初级绕组匝数取10匝。
　　②次级绕组匝数：

　　

　　式中：n 为初级绕组与次级绕组的匝数比； Uout为变压器副边输出电压； N2 为计算所得次级绕组匝数，且该变压器为中心抽头型， 实际中均取为6匝。
　　实际中选用软磁铁氧体PM87磁芯， 材质为南京新康达公司的LP3材料。原边10匝， 副边6匝， 采用多根Φ0.55的高强度漆包线并绕（原边21根并绕，副边17根并绕）； 绕制工艺采用原副边交叉绕（两段式全包）， 可实现变压器的紧密耦合， 减小漏感。