中心議題：

• 電動汽車充電模式
• 充電器係統結構
• 開關電源主回路設計

解決方案：

• 動力電池組充電模式采用“恒流―恒壓”
• 采用功率因數校正或無功補償等技術
• 采用PWM強迫均流法

純(chun)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)以(yi)鋰(li)電(dian)池(chi)為(wei)動(dong)力(li)源(yuan)，充(chong)滿(man)電(dian)後(hou)，以(yi)電(dian)力(li)做(zuo)功(gong)推(tui)動(dong)汽(qi)車(che)。不(bu)同(tong)於(yu)汽(qi)油(you)發(fa)動(dong)機(ji)汽(qi)車(che)需(xu)要(yao)添(tian)加(jia)汽(qi)油(you)
，純(chun)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)在(zai)電(dian)力(li)耗(hao)光(guang)後(hou)通(tong)過(guo)外(wai)置(zhi)電(dian)源(yuan)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)，通(tong)常(chang)單(dan)次(ci)行(xing)駛(shi)裏(li)程(cheng)在(zai)100～200公裏。與傳統汽車相比
，純電動車在使用成本上有著無以比擬的優勢，百公裏約消耗15度電，成本8元
，僅相當於汽油發動機汽車成本1/10。目mu前qian，國guo家jia已yi著zhe手shou進jin行xing電dian動dong汽qi車che和he新xin能neng源yuan汽qi車che的de示shi範fan推tui廣guang，電dian動dong汽qi車che充chong電dian站zhan則ze是shi主zhu要yao環huan節jie之zhi一yi，必bi須xu與yu電dian動dong汽qi車che其qi他ta領ling域yu實shi現xian共gong同tong協xie調tiao發fa展zhan。

充電模式

電動汽車能源供給係統主要由供電係統
、充電係統和動力蓄電池構成。另外，還包括充電監控、電池管理和煙霧報警監控等。充電機是充電係統的重要組成部分。充電站給汽車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，對於容量不超過5kW的交流充電機，輸入為額定電壓220V、50Hz的單相交流電
，對於容量大於5kW的交流充電機，輸入為額定線電壓380V
、50Hz的三相交流電。將交流插頭直接插在電動汽車充電接口
，充電時間大約需要4～8小時。快速充電多為直流充電，直流充電機輸入為額定線電壓380V、50Hz的三相交流電，輸出電壓一般不超過700V，輸出電流一般不超過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%，並且輸出電流為額定電流時
，功率因數應大於0.85，效率應不小於90%。

充電機應能夠保證在充電過程中動力蓄電池單體電壓

、溫度和電流不超過允許值。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型動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。

動力電池組充電模式采用“恒流―恒壓”兩階段充電模式。充電開始階段，一般采用最優充電倍率(鋰離子電池為0.3C)進行恒流充電。(C是電池的容量
，如C=800mAh
，1C充電率即充電電流為800mA）在zai這zhe一yi階jie段duan
，由you於yu電dian池chi的de電dian動dong勢shi較jiao低di，即ji使shi電dian池chi充chong電dian電dian壓ya不bu高gao，電dian池chi的de充chong電dian流liu也ye會hui很hen大da，必bi須xu對dui充chong電dian電dian流liu加jia以yi限xian製zhi。所suo以yi，這zhe一yi階jie段duan的de充chong電dian叫jiao“恒流”充chong電dian
，充chong電dian電dian流liu保bao持chi在zai限xian流liu值zhi。隨sui著zhe充chong電dian的de延yan續xu
，電dian池chi電dian動dong勢shi不bu斷duan上shang升sheng，充chong電dian壓ya也ye不bu斷duan上shang升sheng。當dang電dian池chi電dian壓ya上shang升sheng到dao允yun許xu的de最zui高gao充chong電dian電dian壓ya時shi，保bao持chi恒heng壓ya充chong電dian。在zai這zhe一yi階jie段duan

，由you於yu電dian池chi電dian動dong勢shi還hai在zai不bu斷duan上shang升sheng
，而er充chong電dian電dian壓ya又you保bao持chi不bu變bian，所suo以yi電dian池chi的de充chong電dian流liu呈cheng雙shuang曲qu線xian趨qu勢shi不bu斷duan下xia降jiang，一yi直zhi下xia降jiang到dao零ling。但dan在zai實shi際ji充chong電dian過guo程cheng中zhong，當dang充chong電dian電dian流liu減jian小xiao到dao0.015C時
，說明充電已滿就可停止充電。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。這是鋰離子動力電池組對充電模式的基本要求。此外，充電係統還必須具有自動調節充電參數、zidongkongzhihezidongbaohugongneng。youqizaihengyachongdianjieduan，ruguodantidianchidechongdiandianyachaoguoyunxudechongdiandianyashi，chongdianjiyingnengzidongjianxiaochongdiandianyahedianliu，shigaidianchidechongdiandianyabuchaoguoyunxudechongdiandianya
，fangzhigaidianchiguoyachongdian。chongdianguochengjichongdiandianya、電流的變化如圖1所示。


圖1充電曲線（n為電池組中串聯的單體電池個數）[page]

genjudianchidechongdiantexinghediandongqichedonglidianchizudechongdianyaoqiu，changyongchongdianshebeiweichongdianji，kefenweizhiliuchongdianjihemaichongchongdianjilianglei。zhiliuchongdianjijiushibadianwangdianyuanjingguozhengliulvbohougeliwenyashuchuzhiliudianyuan
，gonggeidonglidianchizujinxingchongdian。muqianshiyongzuiduodezhiliuchongdianjishigaopinkaiguandianyuanchongdianji。tajuyoutijixiao
、重量輕、工作可靠、效率高
、功率因數高、電網適應能力強、功gong率lv可ke小xiao可ke大da，容rong易yi實shi現xian智zhi能neng化hua等deng優you點dian。脈mai衝chong充chong電dian機ji可ke以yi減jian少shao電dian池chi在zai充chong電dian時shi產chan生sheng的de極ji化hua現xian象xiang，從cong而er提ti高gao電dian池chi的de充chong電dian效xiao率lv，減jian少shao充chong電dian時shi間jian，實shi現xian快kuai速su充chong電dian，但dan脈mai衝chong充chong電dian器qi技ji術shu有you待dai進jin一yi步bu研yan究jiu。

電動汽車充電時間長，充電難是電動汽車推廣應用的一個難題。以一輛大型鋰動力電動大巴為例，配置電池容量700Ah。最大充電電流210A（相當於700AH電池容量的0.3C充電率），最高充電電壓700V（相當於165隻最高充電電壓4.2V左右的鋰電池單體串聯電壓），那麼需要充電器的最大輸出功率為245kW。按最優充電要求對電動汽車充電的充電時間，至少需要3小時。因此
，電動汽車的充電方式不能像燃油汽車在加油站加油那樣進行充電。如果20分鍾快速充滿電，至少要用3C的充電倍率進行充電，這對於磷酸鐵鋰鋰離子電池來說是可能的。

綜上所述
，電動汽車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。對於電動公交車而言，充電站設在公交車總站內。在晚間下班後利用低穀充電，時間5～6xiaoshi。quantianyunxingdecheliang，xushilichengbugoushi，keliyongzhongjianxiuxidaibanshijianjinxingbuchongchongdian。chongdianqideshuliangheronglianggenjucheduideguimoerding
，chongdianzhanyoucheduiguanli。liru，12輛大型鋰動力電動大巴需要12台充電機。快速充電時
，可用6台充電機並聯充電，最大輸出功率為1470kW，最大充電電流2100A（相當於700AH電池的3C充電率）。或者用8台充電機平時為8輛電動車輛充電，每台輸出最高充電電壓700V，最大充電電流500A（相當於700AH電池用量0.7C的充電率）。1C～3Cdekuaisuchongdianmoshi

，yijingzaitantaoyingyong

，danyingquebaozaidianchideanquanheshiyongshoumingdeqiantixiajinxing。anzhaoshangshuchongdianjidezuidagonglvpeizhi，dianlibianyaqiyouxiaozonggonglvyuewei3000kW以上。

目前汽車各大廠商紛紛研製上產油電混合動力車和純電動汽車。以比亞迪E6純電動汽車為例，電池類型為磷酸鐵鈷鋰電池，配置電池容量200Ah，3C的充電電流為600A


，標稱電壓316.8V（相當於96隻充電電壓3.3V左右的磷酸鐵鈷鋰電池單體串聯電壓）。充電器的輸出功率為192kW。快速充電時間15分鍾充滿80%。百公裏能耗為21.5度電左右，相當於燃油車1/3至1/4的消費價格。

係統結構

大功率電動汽車充電機的輸入為額定線電壓380V、50Hz的三相交流電，輸出額定電壓700V
，額定電流600A。係統采用19"標準機架，結構緊湊


、布局合理
、外型美觀大方。外型尺寸：高×寬×深為2200mm×600mm×600mm。采用60個模塊並聯

，每個模塊10A/700V，模塊尺寸：高×寬×深為133mm×425mm×270mm

，15層4列，分四個櫃體安放
，四個櫃體可分開運輸，使用時緊湊左右排列。機架前門、後(hou)門(men)均(jun)為(wei)雙(shuang)開(kai)門(men)，方(fang)便(bian)檢(jian)修(xiu)。電(dian)源(yuan)進(jin)線(xian)和(he)彙(hui)流(liu)排(pai)輸(shu)出(chu)位(wei)置(zhi)均(jun)在(zai)底(di)部(bu)輸(shu)入(ru)。電(dian)源(yuan)輸(shu)入(ru)斷(duan)路(lu)器(qi)及(ji)監(jian)控(kong)單(dan)元(yuan)觸(chu)摸(mo)屏(ping)安(an)裝(zhuang)在(zai)主(zhu)機(ji)中(zhong)間(jian)控(kong)製(zhi)櫃(gui)前(qian)部(bu)。充(chong)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)結(jie)構(gou)示(shi)意(yi)圖(tu)如(ru)圖(tu)2所示。


圖2充電機控製結構示意圖

開關電源主回路設計

電動汽車充電機采用的大功率高頻開關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行濾波整流
，功率因數校正預穩壓800V後經高頻DC/DC半橋功率變換器
，濾波輸出直流700V為動力蓄電池充電。經過分析計算
，變壓器采用雙E65磁芯，初級線圈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you於yu電dian動dong汽qi車che充chong電dian機ji為wei非fei線xian性xing負fu荷he，會hui產chan生sheng諧xie波bo，對dui電dian網wang是shi一yi種zhong汙wu染ran。必bi須xu采cai取qu有you效xiao措cuo施shi，如ru功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng或huo無wu功gong補bu償chang等deng技ji術shu
，限xian製zhi電dian動dong汽qi車che充chong電dian機ji進jin入ru電dian網wang的de總zong諧xie波bo量liang。為wei提ti高gao功gong率lv因yin數shu
，降jiang低di輸shu入ru電dian網wang諧xie波bo，采cai用yong有you源yuan功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng電dian路lu，如ru圖tu4所示。它采用三相三開關三電平BOOST電路
，工作在連續模式
，開關采用兩個MOSFET組合成的雙向開關。圖中，開關S1，S2，S3是雙向開關。由於電路的對稱性，電容中點電位VM與電網中點的電位近似相同
，因而通過雙向開關S1、S2、S3可分別控製對應相上的電流。開關合上時對應相上的電流幅值增大

，開關斷開時對應橋臂上的二極管導通(電流為正時
，上臂二極管導通；電流為負時
，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
，從而實現對電流的控製。其控製電路采用三個控製芯片UC3854A，相電壓通過三相隔離變壓器向UC3854A提ti供gong同tong步bu信xin號hao和he預yu校xiao正zheng信xin號hao，電dian流liu反fan饋kui采cai用yong霍huo爾er電dian流liu互hu感gan器qi，分fen別bie控kong製zhi三san個ge開kai關guan，形xing成cheng三san個ge電dian流liu反fan饋kui內nei環huan和he一yi個ge電dian壓ya反fan饋kui外wai環huan的de多duo閉bi環huan係xi統tong。該gai電dian路lu的de優you點dian在zai於yu結jie構gou簡jian單dan，每mei相xiang僅jin需xu一yi個ge功gong率lv開kai關guan。具ju有you三san電dian平ping特te性xing諧xie波bo電dian流liu小xiao，開kai關guan管guan電dian壓ya電dian流liu應ying力li小xiao。不bu需xu要yao中zhong線xian，無wu三san次ci諧xie波bo，滿man載zai時shi功gong率lv因yin數shu很hen高gao。開kai關guan應ying力li小xiao，關guan斷duan壓ya降jiang低di，開kai關guan損sun耗hao低di
，共gong模moEMI低。


圖4三相三開關三電平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，控製簡單，可靠性高。如圖5所示，采用MOSFET和IGBT並聯技術，充分利用了MOSFET開關速度快和IGBT導通壓降低的優點。在電路上采取措施
，使得MOSFET的關斷時間比IGBT延遲一定的時間，大大減小了IGBT的電流拖尾
，降低了開關通態損耗，提高了效率和可靠性，使得半橋電路的輸出功率可以實現7kW。qishuchucecaiyongdezhengliufangshiyoubanbozhengliu，zhongxinchoutouquanbozhengliujiquanqiaozhengliu。youyushuchudianyajiaogao，quanqiaozhengliuduibianyaqiliyonglvgao，bijiaoshiheyongyuzhezhongchanghe。


圖5MOSFET/IGBT並聯組合開關電路

圖6PWM強迫均流法工作框圖

係統采用PWM強迫均流法，工作框圖如圖6所示。這是一種係統電壓控製和強迫均流相結合的改進方法，其工作原理是將係統母線電壓Us和係統的基準電壓Ur相比較產生誤差電壓Ue，用該誤差電壓控製PWM調製器，得到的PWM信號去控製每一模塊的電流。每個模塊的電流要求信號都是相同的，PWM信xin號hao通tong過guo光guang耦ou與yu模mo塊kuai的de輸shu出chu電dian流liu進jin行xing比bi較jiao，調tiao節jie模mo塊kuai參can考kao電dian壓ya，從cong而er改gai變bian輸shu出chu電dian壓ya，調tiao節jie輸shu出chu電dian流liu，實shi現xian均jun流liu。這zhe樣yang
，每mei個ge模mo塊kuai都dou相xiang當dang於yu電dian壓ya控kong製zhi的de電dian流liu源yuan。這zhe種zhong均jun流liu方fang式shi精jing度du高gao，動dong態tai響xiang應ying好hao，可ke控kong製zhi模mo塊kuai多duo，可ke以yi很hen方fang便bian地di組zu成cheng冗rong餘yu係xi統tong。強qiang迫po均jun流liu依yi賴lai於yu某mou一yi模mo塊kuai，如ru果guo該gai模mo塊kuai失shi效xiao，則ze無wu法fa均jun流liu，所suo以yi必bi須xu設she計ji模mo塊kuai故gu障zhang退tui出chu功gong能neng。在zai強qiang迫po均jun流liu中zhong，係xi統tong模mo塊kuai數shu可ke達da100個，即使模塊電壓相差較大，參數設置好後不需任何調整，均流精度優於1％,負載響應快，無振蕩現象，滿足應用需要。