車載充電機的應(yīng)用

作者 貝能國際供稿

摘要：本文分析了車載充電機在電動車輛 (EV) 或混合動力電動車輛 (HEV)在 48~800 V 電壓范圍內(nèi)為動力電池充電上的應(yīng)用，車載充電機的功能，常用的拓撲結(jié)構(gòu)，以及使用Microchip 16位MCU在數(shù)字電源設(shè)計上的優(yōu)勢。

　　隨著我國成為全球最大的汽車銷售市場，汽車行業(yè)也進入發(fā)展新階段。近幾年，我國也不斷提倡發(fā)展包括新能源汽車在內(nèi)的節(jié)能汽車，其中電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)成為熱點，而車載充電(OBC)是電動汽車應(yīng)用中的一大重要部分。

1 車載充電機工作原理

　　直流充電機由電網(wǎng)輸入交流電，經(jīng)過橋式可控整流電路整流后，通過PFC調(diào)制，后級濾波后提供給高頻DC-DC功率變換器，功率變換器經(jīng)過AC-AC變換輸出需要的直流電壓，再次經(jīng)過電容濾波后為電動汽車動力蓄電池或者鋰電池進行充電，車載充電器對電動汽車進行充電是電力從AC轉(zhuǎn)DC的一個過程。

　　以全橋充電機為例，簡單的動力電源部門框圖如圖2所示。

2 車載充電機分類以及充電形式

　　目前車載充電機按照輸入AC來分，可以分為單相和三相車載充電機;從市場應(yīng)用廣度來看，因為限于重量和尺寸，較少有大于11 kW的充電機。

　　車載充電機安裝到EV或者HEV電動車上，車與充電基礎(chǔ)設(shè)施間采用了標準的交流保險絲和連接器，我們稱之為交流樁，這種交流樁起到安全供電，出現(xiàn)過流過壓等突然狀況，可以將熔絲熔斷，或者通過壓敏進行電壓保護，從而保護充電機不受到損壞，同時現(xiàn)在車載充電機都是使用電子式控制和調(diào)節(jié)，往往在充電機內(nèi)部也已經(jīng)加入保護單元。

　　如圖3，目前充電方式，車載充電機使用左側(cè)的方式。右側(cè)是直流充電樁，充電樁功率較大，多大于15KW，作為電動車的集中充電使用。

3 車載充電機的特點

　　車載充電機的特點可以用六個字概括：智能、安全、高效。

　　● 高功率因數(shù)：交流輸入采用有源功率(PFC)因數(shù)校正，功率因數(shù)≥0.98，實現(xiàn)綠色電網(wǎng);

　　● 高效率：整機采用LLC諧振軟開關(guān)變化技術(shù)，滿載效率>94.0%，發(fā)熱量小、可靠性高;

　　● 寬電壓輸入范圍：90 VAC～264 VAC，滿足國內(nèi)外電網(wǎng)的需求;

　　● 安裝方便：采用風冷式密封防水結(jié)構(gòu)，溫升比自然冷卻低，整機可靠性高;

　　● 對電池采用智能充電：內(nèi)置微處理器，充電過程中判斷電池的相對容量和識別環(huán)境溫度，根據(jù)電池的相對容量大小和環(huán)境溫度采用不同的充電曲線，全過程恒流控制，電池均衡性好，能有效延長電池使用壽命。

4 車載充電機的保護功能

　　● 過熱保護：當充電器內(nèi)部溫度超過80 ℃時，充電電流自動減少，超過87 ℃時，充電機關(guān)機保護，溫度下降時，自動恢復(fù)充電;

　　● 電池反接保護：電池接反時充電器內(nèi)部電路與電池斷開，不會損壞充電器;

　　● 空載保護：不接電池時無輸出;

　　● 短路保護：輸出短路時充電器內(nèi)部電路與電池斷開，只有當故障排除后重新接入電池才可恢復(fù)充電;

　　● 充滿自動關(guān)機：充電器判斷電池充滿后自動關(guān)機。

　　通過以上分析可看出，車載充電機充分考慮車載使用的場合，進行嚴格自我保護措施，保證充電對人身和電動汽車的保護同時轉(zhuǎn)換效率也比較高。

5 車載充電機目前常用的拓撲結(jié)構(gòu)

　　對于拓撲結(jié)構(gòu)，本文按照常用的拓撲舉例說明，主要是PFC(功率因數(shù))和LLC(DCDC轉(zhuǎn)換)兩部分。PFC由兩個獨立升壓轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接，180度反相工作，非常適合尺寸受限的大功率應(yīng)用。圖5是交叉式PFC各部分的波形，其中兩路PWM是交叉式PFC的MOS控制信號，后面是各部分的電流波形。

　　交錯式PFC(圖4)的優(yōu)點：

　　電感紋波電流是反相的，趨向于相互抵消。當占空比為50%時，可以實現(xiàn)最佳的電流紋波消除。電感存儲電能要求是單相PFC的二分之一(磁量減小)交錯還可減小輸出電容紋波電流效率更高導通損耗為單相的二分之一;最大紋波電流將出現(xiàn)在最小輸入電壓的峰值處(85Vac)。 大約70%的占空比產(chǎn)生約為電感紋波電流60%的輸入電流紋波。

　　目前看，車載充電機大多都是采用LLC作為DCDC的主要拓撲結(jié)構(gòu)，如圖6所示。串并聯(lián)諧振LLC拓撲優(yōu)點為高效率、低噪聲、高功率密度、無法對輸入電壓進行降壓或升壓通過改變開關(guān)頻率來控制輸出電壓(占空比是恒定的50%)具有兩個工作區(qū)域：電感區(qū)域，允許零電壓開關(guān)(ZVS);電容區(qū)域，允許零電流開關(guān)(ZCS)。

6 車載充電機拓撲結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式

　　從目前常見電路設(shè)計來看，其電路拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要分為兩類：

　　1)采用硬件方式的PFC + LLC

　　采用Infineon公司的專用芯片IDP2303;同時采用單片機進行軟件輔助的方式，通過內(nèi)置單片機來進行充電過程中判斷電池的相對容量和識別環(huán)境溫度，根據(jù)電池的相對容量大小和環(huán)境溫度采用不同的充電曲線，全過程恒流控制;軟件輔助部分采用8 bit MCU就可以完全實現(xiàn)，8 bit MCU內(nèi)置充電曲線，能夠給所需要的電池選擇不同的充電曲線;以車載充電機廠商經(jīng)常使用的Microchip公司PIC18F系列MCU PIC18F45K80-I/PT為例，該器件帶有CAN通信接口，能夠滿足客戶CAN 250 K的通信速率，同時這顆MCU具有數(shù)字存儲功能，可以節(jié)省外部存儲器;這種采用硬件PFC + LLC的能力傳遞方式，輔助以單片機系統(tǒng)進行外部參數(shù)的測試，傳遞給硬件的PFC和LLC進行參數(shù)設(shè)置，另外單片機進行輔助也提供了良好的人機交互界面，目前為眾多車載充電機的生產(chǎn)廠商采用;這種做法的優(yōu)點是可以通過模擬芯片進行AC到DC的能量傳遞，減少軟件算法的難度，而輔助的8 bit MCU，只是進行輔助功能的檢查，幫助降低軟件難度，為開發(fā)人員提供極為方便地人機交互。

　　2)采用純數(shù)字處理方式

　　所謂數(shù)字的處理方式，就是通過專用的MCU進行車載充電機的電源算法，模擬硬件PFC和LLC的控制方式，同時具有更加靈活的控制方式，另外還可以規(guī)避硬件方式的缺點;目前在數(shù)字單片機進行電源算法的實現(xiàn)，通常使用16 bit或者32 bit MCU。

　　例如Microchip的16 bit GS系列控制器芯片，專門為數(shù)字電源控制設(shè)計，帶有豐富的數(shù)字電源外設(shè)，內(nèi)置的運算放大器高達40 M的帶寬，完美的適合數(shù)字電源的設(shè)計，32位乘法器，以及單周期的乘法器和觸發(fā)器極大方便算法的運算，高分辨率的PWM(1.04 ns PWM分辨率)和12 bit的AD，極大地提高了PWM調(diào)制的精度和采用的精度。

　　關(guān)于軟件方面，Microchip公司為了方便客戶設(shè)計，在軟件開發(fā)環(huán)境MPLAB X IDE中集成了DCDT數(shù)字補償器設(shè)計軟件，方便開發(fā)人員進行數(shù)字補償器的設(shè)計。

7 充電機數(shù)字電源設(shè)計實例

　　開發(fā)人員使用dspic33 GS系列設(shè)計一個數(shù)字電源，采用交錯式PFC+半橋LLC結(jié)構(gòu)。交錯式PFC，如圖7所示。

　　軟件實現(xiàn)電流和電壓補償時，對于不同的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)入口參數(shù)使用到不同系統(tǒng)。如圖8所示。

　　LLC半橋：

　　開發(fā)人員可以根據(jù)自己的設(shè)計的系統(tǒng)進行配置，如圖9是三型補償器3P3Z的系數(shù)計算。

8 結(jié)論

　　車載充電機發(fā)展趨勢是數(shù)字化控制系統(tǒng)，Microchip公司有專用的車載充電機電源控制MCU，并為廣大的車載工程師提供更合適開發(fā)設(shè)計的16 bit GS系列控制芯片，同時提供了數(shù)字補償器的設(shè)計軟件，方便工程師進行參數(shù)的設(shè)置，縮短產(chǎn)品最終上市時間。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第8期第76頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。