丁绪星，张玉峰，姚 健(1．安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖 241000)



1．5KW电动汽车车载充电器的研究与设计

丁绪星，张玉峰，姚 健
(1．安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖 241000)

摘 要:LLC半桥拓扑结构具有高频化、高效率和高功率密度等优势，广泛应用于中小功率开关电源中．本文基于基波分析法分析了LLC半桥谐振原理，采用Mathcad分析了不同K值下的Q值增益曲线对直流输出的影响．采用5阶段充电法研究设计了一种功率1500W、主频率120KHz的电动汽车车载充电器．经实验测试，该车载充电器电压纹波小，噪声低，比同类产品效率提升约2%．

关键词:LLC半桥;基波分析法;车载充电器

引用格式:丁绪星，张玉峰，姚健．1．5KW电动汽车车载充电器的研究与设计［J］．安徽师范大学学报:自然科学版，2015，38(2) :134－137．

国家对低碳、环保、高效节能的新能源大力倡导，使得电动汽车业发展迅速，但是配套的专用充电桩价格昂贵，普及的城市很少，远远落后于目前的新能源发展速度［1］．车载充电器能有效的解决这一问题，使得电动汽车普及率大大的提升．目前国内外多款电动汽车都配置车载充电器，但充电效率低，充电电池发热量高，电池长时间充不满等问题随之而来，针对以上问题，本文以国产某款新能源电动汽车为研究对象，研制了一种1500W车载充电器，其输出电压为54V－73．5V，输出电流为3A－20A，应用5阶段恒流恒压充电方式，带有温度补偿系统．相比较其他同款产品，该车载充电器避免了电池因过压、过流、过温导致的损坏．功率转换电路采用LLC半桥变换拓扑结构，能够工作在零电压，零电流的软开关模式，极大的减少了开关损耗．相比较全桥拓扑结构，半桥拓扑结构简单，抗不平衡能力强，实现了充电器高频化，高效率，体积小等优势．因此，本文设计的车载充电器具有广阔的市场前景和实际应用价值．

1　充电器总体设计

根据实际要求，充电器总体设计框图，如图1所示．

总体方案采用AC/DC－DC/ DC二级结构．主要部分为APFC LLC半桥谐振电路和控制保护电路．APFC电路为LLC半桥提供380－430V直流电，LLC半桥谐振网络将直流经高频变压器转化为方波电压输出．最后通过采集输入、输出电压电流、温度数据，利用单片机对APFC,LLC半桥控制器进行反馈控制及充电曲线控制.

2　关键电路设计

2．1 APFC电路设计

PFC设计的难点是如何减小输出直流纹波，增大PF值，增加转换效率，减小总谐波失真．本文采用升压拓扑结构，平均电流模式控制算法，使控制器工作在60KHz，PWM模式．输出电压随输入电压、电流反馈而保持稳定．具体电路设计如图2所示．

充电器启动时有较大的纹波和过冲电压，为了保护Boost电路，在电感和续流二极管的两端并联一个保护二极管．在刚启动电源时保护二极管先导通，升压电感L和续流二极管短路，同时给储能电容充电，避免电路发生振荡．在电路正常工作时，保护二极管不再起短路作用［2］．另外在储能电容端连接一根75Ω、5W的水泥电阻，与继电器开关并联，继电器常态断开，当充电器启动时，电压电流检测稳定后自动吸合，减小功耗．为了进一步提高效率，减小开关损耗，MOSFET采用低导通电阻的SPW35N60CFD，续流二极管采用SiC技术的STPSC606D．

2．1．1电感的制作 升压电感的制作直接影响到输出电压纹波和谐波失真的大小，故线材设计时采用多股并饶的方式以减小趋肤效应．升压电感的电感量设计从最小输入电压和最大输入功率考虑，此时经过电感的电流和纹波最大［3］．要满足设计要求，则满载时输入电流:，电流峰值时最大占空比，纹波电流一般最大为输出值的10%－35%，按照经验值取20%，VI = 0．2Iav= 1．894A．则电感量为:

2．2 LLC半桥谐振电路设计

LLC半桥谐振电路设计，是设计重点和难点，主要由MOSFET驱动控制电路、半桥对称谐振网络和整流滤波网络构成．由于谐振元件工作在正弦谐振状态，MOS管上的电压自然过零，使其工作在零电压导通状态，此时损耗最小．拓扑结构采用变频调制(简称PFM)方式，采用改变频率的方式来稳定输出电压，其原理为谐振电容与电感的阻抗随工作频率Fr变化而使得Cr与Lr的分压发生变化，从而得到稳定输出电压．谐振电容采用分体谐振电容，其输入电流纹波和均方根值均偏小，容量为单谐振电容的一半．MOS管采用互补对称结构，各导通50%，考虑到MOS管死区，实际值略小于50%．图3为LLC半桥谐振电路结构图．

2．2．1 LLC半桥谐振电路参数分析 对于分析LLC半桥谐振电路参数，主要是要确定以下三点: (1)满载和轻载特性，取决于K、Q值．(2)谐振工作点，工作频率大于还是小于谐振频率区间段，取决于高频变压器匝比．(3)漏感和励磁电感(Lm)与谐振电容(Cr)的取值．对于理想的变压器和整流网络，增益值固定不变．为了更好地研究LLC半桥谐振电路，一般采用基波等效分析法(FHA)等效电路来分析［3，4］．

由Mathcad绘制增益曲线如图5所示，K越大，Q值曲线越陡峭，在同等增益条件下，其频率Fn的变化越小．反之，K值越小，Lr一定时，Lm偏小，MOSFET的损耗会增大．这里选K =4，在K值确定后，就得到Q值曲线，当输入电压Vin与输出电压Vout和变压器匝数比为定值时，根据公式可得增益Mmin的值．当K =4，Q取0．41时，获得的增益最大．

2．2．2高频变压器的设计

1．确定工作频率

变换器的工作频率对其体积和特性都有很大的影响．采用较高的工作频率，可以减小高频变压器、输出滤波电感和电容的体积，提高变换器的响应速度．但是随着工作频率的升高，功率元器件的开关损耗以及高频变压器的铁损和铜损都会增加［5］．工作频率在150KHz以上时，要进行EMI测试．综合考虑以上因素，本电路取fs=120KHz．

2．确定原副边变比

3．变压器初级线圈选择

变压器的设计考虑开关频率为最低时的情况，此时输入电压低满负载时，利用公式计算变压器的初级最小圈数．(其中A为变压器磁芯横截面积，ΔB为磁通密度的最大摆幅，一e般取0．25－0．3T．)

2．3充电控制系统设计

充电方法的优劣极大的影响铅酸电池的使用寿命，鉴于三阶段充电方法对电池不能很好的保护，为此针对实际使用的某款电池设计出如表1和图6的充电控制策略．该方法的优点是采集的信号直接给MCU实时调整充电曲线，故障时可保护设备安全［6，7］．

表1　五阶段充电曲线

3　实验结果

本文设计的车载充电器样机，经实验测试，测得实验波形数据如图7所示．波形1为PFC功率管的驱动波形，频率为80KHz．波形2是430V直流输出波形，电压纹波16V，低于一般30V纹波．波形3为功率管源级波形，波形稳定，尖峰电压．小波形4、5为互补对称的谐振控制器输出波形，频率为120KHz．波形6、7为LLC半桥功率管驱动波形．波形9、10为高频变压器输出波形，占空比0．49，电压为140V．波形11、12为高频变压器初级谐振电感Lr、Lm波形．从以上波形可以看出，本文设计的1．5KW车载充电器具有输出电压稳定，噪声小，导通损耗小等优点．

4　结论

本文设计的车载充电器，采用LLC半桥谐振拓扑的电路，能减小开关损耗，提高效率．在中小功率电源设计中，半桥拓扑相比于全桥移相电路拓扑结构具有驱动电路结构简单、成本低、抗不平衡能力强等优点．充电控制方法使用5阶段充电法，增加温度补偿方式，相对于三阶段充电方法，极大的延长电池的使用寿命．充电器还具有过流、过压、过温保护(＞65℃保护、50－65℃降功率运行)等功能．实验样机经测试，获得的直流输出电压纹波±1%，负载调整率为±0．5%，效率为93%．与其他国内同等产品相比较，效率提高约2%，达到国外的同类产品水平．

参考文献:

［1］崔民选，王军生，陈义和．中国能源发展报告2014［M］．北京:社会科学文献出版社，2014:2－30．

［2］沙占友，王彦朋，马洪涛，等．开关电源实用技术500问［M］．北京:中国电力出版社，2010:80－100

［3］ YANG E X，CHOI B，LEE F C，BO H．Cho．Dynamic analysis and control designof LCC resonant converter［J］．in Proceedings of the Applied Power Electronics Conference，1992，362－369．

［4］张卫平．开关变换器的建模与控制［M］．北京:中国电力出版社，2006:110－200

［5］麦克莱曼．变压器与电感器设计手册［M］．龚绍文，译．北京:中国电力出版社，2009:8－60

［6］ 周先春．一种数控直流电流源的设计［J］．安徽师范大学学报:自然科学版，2006，29(6) :555－559．

［7］ 张建，王建冈．基于UCC3895的电动汽车车载充电器设计［J］．科技信息，2013，(11) :215－216．

Research and Design of 1．5KW Electric Vehicle Charger

DING Xu-xing，ZHANG Yu-feng，YAO Jian
(College of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China)

Abstract:LLC half bridge topology is widely used in small and medium power switching power supply，which has the advantages of high frequency，high efficiency，high power density and etc．LLC half bridge resonance is analyzed based on fundamental wave analysis method．Mathcad is used to anglyze different k-values of Q-value gain influence of curve on DC output．A kind of 1500W electric vehicle charger with main frequency of 120KHz by using 5 stage charging method is designed．Experimental tests show that the on-board charger voltage ripple is small with a low noise and high efficiency which is about 2% higher than similar products．

Key words:LLC half -bridge; fundamental wave analysis method; On-board Charger

作者简介:丁绪星(1971－)，男，教授，硕士生导师，主要研究方向:物联网技术、汽车电子．

基金项目:安徽省科技攻关项目(1301023003)．

收稿日期:2014－10－28

DOI:10．14182/J．cnki．1001－2443．2015．02．006

文章编号:1001－2443(2015) 02－0134－04

文献标志码:A

中图分类号:TN86