梅建伟，蒋伟荣，程登良，张 凯

（湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

电动车用锂电池车载充电机的研制

梅建伟，蒋伟荣，程登良，张 凯

（湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

研制了电动汽车用锂电池车载充电机，采用L4981和KA3846作为两级功率变换的控制核心，以MC9S08DZ60作为系统监控和数据传输的控制核心，开发了恒压、恒流以及充电过程控制算法，设计了两级功率变换的硬件控制电路。样机实验结果表明，车载充电机较好地实现了充电过程控制、数据传输与监控以及保护等功能，获得了较高的功率因素和效率。

车载充电机；AP FC逆变器；斜率补偿；双闭环控制

以动力电池为能源的电动汽车是2l世纪的绿色工程，随着电动汽车研究的深入，电动汽车的相关技术也得到国内外的广泛重视，车载充电机被列入“十五”～“863”电动汽车重大专项，目前国内的一些生产单位的充电机主要面向电瓶车、游览车以及电池维护等应用场合，仅有的几家单位生产的电动汽车车载便携式充电机很难满足车载充电机需求的快速发展，研制电动汽车大功率高功率密度充电机具有重要意义。

1 主电路拓扑结构

该主电路是一中带隔离变压器的两级功率因素校正电路，其中，Lg1，lg2及辅助电容组成输入EM I滤波器，L1，C1，D1，C3，Q5构成升压型前级PFC电路，Q1，Q2，Q3，Q4，T1，D2，D3，D4，D5组成后级的功率转换电路，Lg3，lg4及辅助电容组成输出EM I滤波器，显著减小纹波数值[1]。图1为充电机主电路结构图。

2 硬件电路设计

2.1 主要技术参数

（1）输入电压：AC 85～265 V；输出电压：DC 120～175.2 V；

图1 充电机主电路结构图

（2）额定电流：16 A；功率因素：＞97%；效率：＞93%；

（3）体积：330mm×262mm×110mm，质量＜12 kg；工作温度：－20～85℃。

2.2 两级AP FC电路设计

为减小充电机对电网的污染，降低谐波含量，必须提高充电机的功率因素。采用有源两级串联方案。其中前级为Boost型DC-DC变换器，实现有源功率因素调整，后级为DC-DC变换器实现输出功率调节和输出。Boost型DC-DC变换器采用硬件控制模式，电感电流工作在CCM工作模式，采用平均电流控制方法，减小开关管的应力[2-3]。

（1）储能电感设计

在连续模式中，在每一个开关周期中，储存在升压电感中的能量不是全部转移到输出电容中，电感值的大小决定了输入端的高频纹波电流的大小，这有助于减小噪音和输入滤波器。

根据前面提供的技术参数，电感电流的波动量为电路平均电流的30%左右。

考虑到电感的体积和抗饱和特性，磁芯材料采用铁硅铝，环型磁芯。

（2）输出储能电容设计

输出储能电容的大小主要取决于输出电压、输出功率、电压纹波以及过电压值。

连续工作模式中，当开关管导通时，电容一直放电，电容的平均电流等于输出平均电流，即：IC=I0，电容峰-峰波动电压为：，课题中则

（3）变压器设计

课题中采用的高频变压器的工作频率为35 kHz，因此要求铁心高频损耗小，导磁能力强，抗饱和能力强。因此这里采用镍锌EE型磁芯。

由于骨架占用铁心窗口面积，实际利用的磁心窗口面积仅仅能达到理论值的0.6，因此整个窗口利用系数被降低了，此时磁心几何常数要乘上1.67，并且窗口利用系数按0.24计算电流密度，故：

我们选用铁粉末EE型磁心，磁心型号为EE55B。

2.3 控制电路设计

控制电路的主要功能为：APFC驱动与控制、逆变桥驱动与控制、信号采集、充电过程控制以及保护功能。所以本控制系统分为以下几个部分。图2为系统控制结构框图。

图2 系统控制结构框图

（1）APFC控制电路

课题采用控制芯片是L4981A，是一款连续模式平均电流控制器，可以在较宽的输入电压范围、功率范围内功率因素高达0.99，具有完善的过压、过流以及软启动功能。控制电路如图3所示，其中RST端用单片机控制L4981A的启动和停止，IAC，VRMS为前馈补偿的电压和电流输入，13脚和14脚构成输出电压反馈电路，5脚、8脚和9脚构成电流反馈电路，电压反馈环是外环，电流反馈环是内环，电压反馈的输出作为电流反馈环的参考值[4]。

图3 P FC控制电路图

（2）逆变控制电路

逆变电路采用电流型控制芯片KA3846，为了抑制电路中的震荡，采用斜率补偿技术，取自震荡电容的电压与开关管的电流取样电压进行叠加，如果自震荡电容的电压斜率等于输出电感电流下降斜率的一半，那么输出电感电流的平均值与开关管的脉冲宽度无关，这样就解决了只恒定电感峰值电流而不是恒定电感平均电流而造成的问题。其控制和补偿电路如图4所示。

图4 逆变器控制电路图

（3）电压/电流调节控制电路

图5中，U0，I0是输出电压和输出电流反馈，其中U1A的1脚是电流外环的输出做为电压内环的参考值，R3，C1是电流环的反馈补偿环节，R14，C13是电压环的反馈补偿环节，线性光藕U7的输出是U14的5脚输入，该输入电压是调节脉冲宽度的控制电压[5-6]。

图5 双闭环控制电路图

3 软件设计

软件系统的功能主要完成启动前的诊断，判断充电机工作前的各项指标是否符合要求。符合技术要求后，软件系统控制各个模块进入启动子程序，启动完成后，有软件控制充电过程，同时对充电机的运行状态进行检测，决定系统是进入正常运行模式还是保护工作模式。

3.1 充电过程控制结构原理

正常启动后，开始恒流16 A充电，外环为电流环，当充电电压达到175.2 V以后，开关K合上，系统开始恒压充电，直到充电电流小于0.5 A以后充电完成，系统安全关机，充电过程控制原理图如图6所示。

图6 双闭环控制框图

Ig是给定的输出电流值，If是反馈电流值，Ug是电流环的输出作为电压环的参考值，Uf是反馈电压值[7-10]。

3.2 启动过程控制原理

启动流程是否合理决定了Boost电路的超调量、逆变桥的可靠性以及输出继电器是否能可靠工作。启动后，诊断系统检查输入是否过压、欠压，电池状态是否正常，是否过热，自检正常后，进入启动工作模式。启动流程图如图7所示。

图7 启动过程流程图

3.3 测试结果以及数据分析

根据东风某公司某型电动车车载充电机的技术要求和国家标准，我们制作了样机，在单相交流电压85～265 V的范围内，分别进行了启动PFC与不启动PFC两个环境下，对充电机的各项技术指标进行了测试，实际测试结果如图8所示，各种条件下的测试数据如表1所示。

图8 关键节点波形图

（1）测试数据

表1 单机系统测试数据

（2）数据分析

本系统样机单机功率为1 500W，系统要求输入电压的范围为85～265 V，输出直流电压为0～175.2 V，输出电流为0～16 A，利用功率分析仪对该样机进行了测试，根据测试结果得到下面结论：

(a)在较宽的交流输入电压范围和较大的负载变换范围内，功率因素都在0.99以上，具有较好的功率因素校正功能；

(b)采用具有斜率补偿功能的电流型控制芯片KA3846，极大地提高了功率转换部分的可靠性，同时降低了输出电压的纹波；

(c)对系统输出电压和电流的测试，充电机的充电过程实现了启动过程、恒流到恒压的无扰动转换。

4 结论

两级PFC模式的车载充电机具有独立的PFC单元，其与功率转换单元相对独立，该车载充电机具有较高的功率因素，可靠性高，目前应用该充电机的纯电动车已经投入运行，运行效果良好。后期的主要工作是提高系统的运行效率和减小体积，提高整机的性价比。

[1] 华伟，金新民.大功率单相功率因数校正主电路方案[J].电工技术杂志，1998(2)：13-15.

[2] 王库，冯义.快速充电技术的探讨[J].中国农业大学学报，2006,12: 62-67.

[3] 张红莲.谐波抑制及功率因素校正技术[J].电气时代,2007,2(5): 90-93.

[4] 陈一逢.高性能软开关功率因数校正电路的设计[J].电源技术应用,2004,7(1)135-137.

[5] 肖岚,胡文斌,蒋渭忠，等.基于主从控制的逆变器并联系统研究[J].东南大学学报,2002,32(1):133-137.

[6] 陈良亮,肖岚,胡文斌，等.双闭环控制电压源逆变器并联系统环流特性研究[J].电工技术学报,2004,19(5):21-24.

[7] 刘小四,熊蕊.逆变器并联运行时环流的产生及抑制研究[J].电力电子技术,1999,33(3):16-18.

[8] 周伟成,周永忠,张海军,等.最大电流均流技术及应用[J].电力电子技术，2008,42（1）：45-47.

[9] 杨淑英,张兴,张崇巍.基于下垂特性的逆变器并联技术研究[J].电工电能新技术，2006，2(25):7-10,80.

[10]PERREAULT D J,SELDERSR L,KASSAKIAN JG.Frequencybased current-sharing techniques for paralleled power converters [J].IEEE Trans of PE,1998,13(4):626-634.

Development of lithium battery on-board charger forelectric vehicle

MEIJian-wei,JIANGWei-rong,CHENG Deng-liang,ZHANG Kai
(College of Electricaland Information Engineering,HubeiUniversity of Automotive Technology,Shiyan Hubei442002,China)

The lithium battery on-board charger was developed for electric vehicles with L4981A and KA3846 as system control core. With MC9S08DZ60 as system monitoring and data transmission control core, the control algorithm was developed,such as constant voltage,constant current and charging process,and control circuit of the power transform was designed. Prototype experimental results show that control of the charging process, data transmission,monitoring and protection functions of the on-board charger are achieved and high power factor and efficiency was obtained.

on-board charger;APFC,inverter;slope compensation;double-loop control

TM 912

A

1002-087 X(2013)11-1951-03

2013-04-08

并联型车载充电机关键基础问题研究（ZDK201201）

梅建伟（1978—），男，湖北省人，讲师，主要研究方向为特种电源研制与DSP应用。