电动汽车充电器电路拓扑的设计考虑

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对电动汽车车载电池的充电器进行了讨论。根据SAE J1773对感应耦合器设计标准的规定,及不同的充电模式,给出了多种备选设计方案,并针对不同的充电模式、充电等级,给出了最适合的电路拓扑方案。

0    引言

    早在20世纪初期,在欧洲和美国的轿车驱动系统上,曾使用过电力驱动系统,当时的电动车已取代了昔日的马车和自行车成为主要交通工具。电动汽车所具有的舒适、干净、无噪声,污染很小等优点曾一度使人们认为这将是交通工具的一个巨大革新。但由于当时电池等关键技术的困扰,以及燃油车的发展,100年来电动汽车的开发一直受到限制。

    随着现代高新技术的发展和当今世界环境、能源两大难题的日益突出,电力驱动车辆又成为汽车工业研究、开发和使用的热点。世界各国从20世纪80年代开始,掀起了大规模的开发电动汽车的高潮。但电动汽车的市场化一直受到一些关键技术的困扰。其中,比较突出的一个问题就是确保电动汽车电池组安全、高效、用户友好、牢固、性价比高的充电技术[1][2]。

1    充电技术

    电动汽车电池充电是电动汽车投入市场前,必须解决的关键技术之一。电动汽车电池充电一般采用两种基本方法:接触式充电和感应耦合式充电。

1.1    接触式充电

    接触式充电方式采用传统的接触器,使用者把充电源接头连接到汽车上。其典型示例如图1所示。这种方式的缺陷是:导体裸露在外面,不安全。而且会因多次插拔操作,引起机械磨损,导致接触松动,不能有效传输电能。

图1    接触式充电示意图

1.2    感应耦合式充电

    感应耦合式充电方式,即充电源和汽车接受装置之间不采用直接电接触的方式,而采用由分离的高频变压器组合而成,通过感应耦合,无接触式地传输能量。采用感应耦合式充电方式,可以解决接触式充电方式的缺陷[3][4]。

    图2给出电动汽车感应耦合充电系统的简化功率流图。图中,输入电网交流电经过整流后,通过高频逆变环节,经电缆传输通过感应耦合器后,传送到电动汽车输入端,再经过整流滤波环节,给电动汽车车载蓄电池充电。

图2    EV感应耦合充电系统简化功率流图

    感应耦合充电方式还可进一步设计成无须人员介入的全自动充电方式。即感应耦合器的磁耦合装置原副边之间分开更大距离,充电源安装在某一固定地点,一旦汽车停靠在这一固定区域位置上,就可以无接触式地接受充电源的能量,实现感应充电,从而无须汽车用户或充电站工作人员的介入,实现了全自动充电。

2    感应耦合充电标准—SAE J-1773

    为实现电动汽车市场化,美国汽车工程协会根据系统要求,制定了相应的标准。其中,针对电动汽车的充电器,制定了SAE J-1772和SAE J-1773两种充电标准,分别对应于接触式充电方式和感应耦合充电方式。电动汽车充电系统制造商在设计研制及生产电动汽车充电器中,必须符合这些标准。

    SAE J-1773标准给出了对美国境内电动汽车感应充电耦合器最小实际尺寸及电气性能的要求。

    充电耦合器由两部分组成:耦合器和汽车插座。其组合相当于工作在80~300kHz频率之间的原副边分离的变压器。

    对于感应耦合式电动汽车充电,SAEJ-1773推荐采用三种充电方式,如表1所示。对于不同的充电方式,充电器的设计也会相应地不同。其中,最常用的方式是家用充电方式,充电器功率为6.6kW,更高功率级的充电器一般用于充电站等场合。

表1    SAEJ-1773推荐采用的三种充电模式

充电模式 充电方式 功率等级 电网输入
模式1 应急充电 1.5kW AC120V,15A单相
模式2 家用充电 6.6kW AC230V,40A单相
模式3 充电站充电 25~160kW AC208~600V三相
 

 

    根据SAE J-1773标准,感应耦合器可以用图3所示的等效电路模型来表示。对应的元件值列于表2中。

图3    感应耦合器等效电路模型

表2    充电用感应耦合器等效电路模型元件值

  fmin(100kHz) fmax(350kHz)
Rpmax/mΩ 20 40
Lp±10%/μH 0.8 0.5
Rsmax/kΩ 1.6 1.3
Ls±10%/μH 45 55
Rmmin/mΩ 20 40
Lm±10%/μΗ 0.8 0.5
Cs/μF 0.02 0.02
匝比 4:4 4:4
每匝电压/V 100 100
耦合效率/% ≮99.5 ≮99.5
绝缘电阻/MΩ 100 100
最大充电电流/A 400 400
最大充电电压/V 474 474

 

    变压器原副边分离,具有较大的气隙,属于松耦合磁件,磁化电感相对较小,在设计变换器时,必须充分考虑这一较小磁化电感对电路设计的影响[5]。

    在设计中仍须考虑功率传输电缆。虽然SAE J-1773标准中没有列入这一项,但在实际设计中必须考虑功率传输电缆的体积、重量和等效电路。由于传输电缆的尺寸主要与传输电流的等级有关,因而,减小充电电流可以相应地减小电缆尺寸。为了使电缆功率损耗最小,可以采用同轴电缆,在工作频率段进行优化。此外,电缆会引入附加阻抗,增大变压器的等效漏感,在功率级的设计中,必须考虑其影响。对于5m长的同轴电缆,典型的电阻和电感值为:Rcable=30mΩ;Lcable=0.5~1μH。

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