电动汽车智能充电器的设计与实现

摘要：此处采用高频开关电源技术设计了电动汽车充电器电路拓扑，并提出改进型变电流间歇充电方法，可按预置自动控制充电过程，使充电电流在总体上逼近蓄电池可接受充电电流曲线，减弱了蓄电池充电极化影响。实验结果表明，该充电机具有体积小、重量轻、使用简单、免维护、高效节能等优点。
关键词：电动汽车；充电器；变电流充电

1 引言
    随着低碳经济成为我国经济发展的主旋律，电动汽车作为新能源战略和智能电网的重要组成部分，必将成为今后汽车工业和能源产业发展的重点，相配套的电动汽车充电器也将成为一种新兴产业，其技术要求和革新也提上日程。
    传统充电器采用相控电源，所使用的变压器是工频电源变压器，体积大，效率低，动态响应差。线性电源的功率调整管总是工作在放大区，损耗功率较大，需装配体积很大的散热片，这些均限制了其在电动汽车充电器的应用。为此，这里采用高频开关电源技术，并提出改进型变电流间歇充电方法，使充电电流在总体上逼近蓄电池的可接受充电电流曲线，满足了电动汽车充电需求。

2 充电电路拓扑
    在采用开关电源的充电器电路拓扑中，有各种各样的电源变换器电路，但其基本类型实际只有单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式这5种，考虑到电动汽车充电功率较大，主回路由三相整流电路、全桥变换电路构成。图1为智能充电机的总硬件原理图。

    该系统可分为3个部分：①整流电路，主电路输入为380 V交流电，该交流电经三相桥式整流后得到约538 V的直流电；②开关电源全桥变换电路，它是整个系统的核心。通过开关电源专用集成芯片SG3525对其开关管的控制，全桥变换电路产生了蓄电池充电所需的可调电压和电流；③DSP控制器和外围接口电路，包括液晶显示，键盘扫描、电流、电压、温度的A／D采样、时钟显示、继电器控制等，用于完成充电方式及逻辑等控制。
2．1 整流桥的选取
    最大反向电压，Urm=2m，Um为电源线电压的幅值。当电源线电压为380 V时，，Urm=2Um=1 073 V，选Urm=1 kV。
    最大整流电流IVDm=2IN，IN为开关电源输出功率最大时的输入电流。智能充电机的最大输出电流为80 A，最大输出电压为280 V。假定开关电源的效率为80％。则根据开关电源输入、输出功率相等原则得：UIN80％=280x80，U为三相整流桥经电容滤波后的输出电压，易得，从而IN=52 A，IVDm=2IN=104 A，选IVDm=100 A。[!--empirenews.page--]
2．2 整流滤波电容的选取
    三相交流电经过二极管桥式整流后输出的电压需经过电容滤波。该滤波电容还可减小开关电源工作时对输入端引起的脉动。一般设输入电流的脉动量全部流过输入滤波电容，假设电容为无损元件，则电流脉动转化为电压脉动，关系式为：
   
    当D=0．25时，C取得最大值，由文中论述可知Io=IN=52 A，△uin=1％uin=5 V。由此C=1 800μF。
    由于滤波电容的电容量和耐压能力有限，故常将多个滤波电容并联成一组，然后由若干个电容组串联，如图2所示。又因为电解电容的电容量有较大的离散性，故电容C1，C3所组成的电容组与C2，C4所组成的电容组的电容量往往不能完全相等，这将使它们承受的电压不等。为使它们承受的电压相等，在它们旁边并联一个阻值相等的均压电阻R1，R2。智能充电机所用C1，C2，C3，C4均为耐压400 V，电容量2 200μF的电解电容。

2．3 功率管的选取
    在选择功率管驱动器件时，主要依据几个重要的性能参数：耐压值和通态电流值，其次应该考虑功率管的开关频率。考虑到当前电力电子器件的特性，在开关高频、小功率时，选择合适的MOSFET等器件，通常，高速MOSFET的开关频率能够达到100 kHz以上，但MOSFET器件通态电流不太高，耐压值也相对较小，对于功率相对较大的场合，适合选择IGBT，GTO，晶闸管等器件。
    系统输出电压、电流都较大，故选用IGBT作为功率管。全桥变换电路中功率管承受的最大电压为Ui，Ui为三相整流桥经电容滤波后的输出电压，而三相整流桥的输入电压是380 V交流电。因此。考虑留2倍裕量取UCES=1．2 kV的IGBT。由上述讨论可知，通过IGBT的电流为IN=52 A，故取Ic=100 A的IGBT管子。此处系统所用功率管为FF100R12KS4系列IGBT模块，该模块内部集成了两个IGBT功率管，每个功率管上并联了保护二极管。

3 变电流充电方式及其实现
    传统充电方法充电时间较长，远不能适应电动汽车充电的需要。另一方面，充电技术不能适应蓄电池充电要求，会严重影响蓄电池的寿命。为此，在软件设计时，采用变电流充电方式，并智能识别充电电池的类型，然后根据被充电电池的信息自动生成最佳充电曲线，保证在最短时间内，高效地将电池充满。由于自动生成最佳充电曲线与制造厂商提供的曲线一致，保证了电池在充电过程中一直处于理想状态，从而延长电池使用寿命。
    为达到智能识别充电电池类型，形成合理的充电曲线，其设计思想是先要对各类蓄电池进行多次充电实验，根据充电实验，总结出各种充电方式下较好的充电参数，然后这些充电参数被保存在EEPROM中，充电时充电机先查询是否有与电池相匹配的值，若没有，则需要人工根据电池出厂说明书输入相应的参数；若有，则充电机会自动从EEPROM中调用这些充电参数，使充电曲线与制造厂商提供的曲线一致，保证了电池在充电过程中一直处于理想状态，不仅缩短了充电时间，也延长了电池的使用寿命。[!--empirenews.page--]

    在智能充电的同时，也要遵循变电流充电原则，其流程图如图3所示。此时充电过程分5段，其中前4段为恒流充电，最后一段为恒压浮充。为实现变电流充电方式，需设定起充电流、停充电压、停充时间、变电流方式这4个参数。通过设定这些参数，可控制变电流充电的每段充电电流、变电流充电间隙时间以及停充电压。变电流充电电流的转换由停充电压控制，当电池电量比较充足时，蓄电池端电压很快到达停充电压，从而进入下一级小电流充电。故变电流充电能有效保护蓄电池，防止蓄电池过充。

4 充电机实验
4．1 智能充电机主开关电源实验波形
    图4a为恒流输出80 A时，高频变压器初级电流ip波形。图4b为恒流输出80 A时，高频变压器次级经电感滤波后输出电流Is波形。图4c为恒流输出80 A时，高频变压器的初级电压up波形。图4d为恒压控制280 V输出时，ip，up波形。

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4．2 变电流充电实验
    智能充电机研制成功后，在徐州和淮南的电力机车上做了多次充电实验。表1为8 t电力车用蓄电池变电流充电时充电时间tc、充电电压uc、充电电流ic的实验数据。变电流充电的充电时间约为5．6 h，不到普通充电方式充电时间的一半，且电池气泡析出少。图5为变电流充电方式下蓄电池端电压变化曲线。

5 结论
    随着电动汽车的迅猛发展，与电动汽车相配套的充电站正成为一种新兴产业，其行业发展潜力巨大，未来市场前景广阔。为此，需要相应的充电器及其充电技术进行支撑，开发相应充电器意义重大。在充电系统的设计中，采用高频开关电源技术，主回路由三相整流电路、全桥变换电路构成。控制电路以DSP芯片为核心，配以接口电路、采样电路、IGBT驱动电路等，可按照预置自动控制充电过程，并在充电过程中进行充电数据(包括电池端电压、充电电流及电池表面温度等)的自动采集、实时显示、批量存储及分析处理等。在研究蓄电池快速充电原理和目前各种充电方法的基础上，提出了改进型变电流间歇充电方法，使充电电流在总体上逼近蓄电池的可接受充电电流曲线，减弱了蓄电池充电极化的影响，避免了蓄电池在充电过程中产生大量气体和温升过高的问题。