吴峰 杨小春 刘勇刚

摘  要：在节能减排绿色发展理念背景下，新能源汽车拥有巨大的发展空间，尤其是电动汽车。但是动力电池问题严重影响到电动汽车的发展，导致目前为止，电动汽车仍无法全面替代传统的汽油燃料汽车，因此，当下除了要解决电动汽车的电池性能外，还需要设计出完善的车载充电器。在电动汽车车载充电器中拥有多个功能模块，包括各自的控制模块、辅助电源模块、后级DC/DC变换器和AC/DC变换器等等，在车载充电器功能模块中，不同的模块对电源的需求不同，甚至需要多路电源同时供电，而这些模块所需要的电源全部由辅助电源提供，所以对电动汽车充电器辅助电源的设计十分重要。基于此，本文简单介绍了辅助电源设计的理论，并针对2kW车载充电器辅助电源系统，使用多路输出的单端反激式辅助电源设计，目的是减少开关管损耗，提高整个系统的效率。

关键词：电动汽车;车载充电器;辅助电源系统;同步整流技术

中图分类号：U469.72      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）21-0032-03

Abstract：Under the background of green development concept of energy saving and emission reduction，new energy vehicles have huge development space，especially electric vehicles. However，the power battery problem has seriously affected the development of electric vehicles. Until now，it has not been able to completely replace the traditional gasoline fuel vehicles. Nowadays，not only to solve the battery performance of electric vehicles，but also to design a complete vehicle charger. There are multiple functional modules in the electric vehicle car charger，including the respective control module，auxiliary power module，rear stage DC/DC converter and AC/DC converter，etc. In the car charger function module，different modules have different requirements for power supply，and even multiple power supplies are required to supply power at the same time. The power supplies required by these modules are all provided by the auxiliary power supply，so the design of the auxiliary power supply for the electric vehicle charger is very important. Based on this，this paper briefly introduces the theory of auxiliary power supply design，and uses a multi-output single-ended flyback auxiliary power supply design for the 2kW vehicle charger auxiliary power supply system. The purpose is to reduce the switching tube loss and provide the whole system.

Keywords：electric vehicle;car charger;auxiliary power system;synchronous rectification technology

0  引  言

随着工业技术的发展和人们生活水平的提高，人們对汽车这一交通工具的需求量在逐日增加，并带动了汽车相关产业的快速发展，但同时也引发了严重的环境问题。汽车行业要想持久发展，必须要向节能、环保两个方向进行发展。电动汽车具有低噪声、节能、高效和零污染等优势，成为当下最具有环保性的汽车[1]。动力电池是电动汽车最重要的部件，且其质量直接影响到电动汽车的动能存储和能量补给，因此，车载充电器的设计显得格外重要。

1  辅助电源设计的理论

1.1  开关电源的基本工作原理

电感元件和电容元件的储能特性就是开关电源，在开关过程中，将交流电能量或者是将直流电能量以磁场能的形式储存在电感中，并通过滤波器传递给负载，得到对应的直流电，实现电能转化为动能。开关电源的基本结构主要由四个部分组成，分别是输入整流滤波电路、开关变换器、输出整流滤波电路和PWM控制电路，其中开关变换器包括高频变压器和功率开关管，PWM控制器电路是整个开关电源的核心，包括PWM比较器、误差放大器、基准电压源、振荡器[2]。

1.2  开关电源的常用拓扑

在电动汽车行业中，常见的开关电源拓扑有很多种，且每种拓扑都有自己的应用市场和各自的优缺点，常用的四种拓扑结构分别为：Boost变换器、Buck变换器、正激式变换器、反激式变换器[3]。本次设计主要应用到反激式变换器，反激式变换器工作原理如图1所示，其特点主要是在开关管截止时，可将能量传给二次侧，对工作模式没有具体的要求，电压的输入和输出主要由高频变压器的匝数比决定，可实现多路输出等等。

在四种常用拓扑变换器中，Boost变换器只有一个输出电压，且始终保持输出电压高于输入电压;Buck变换器有很多限制因素，且电路上只有一个电感;正激式变换器不能在空载状态工作，对功率没有限制因素;反激式变换器在开关管开通时储备能量，且所需的元件少，电路比较简单，主要应用在小功率开关电源中[4]。所以在电动汽车车载充电器辅助电源设计中使用反激式变换器作为主电路拓扑。

1.3  反激式开关电源的控制模式

电压控制和电流控制是目前最主要的两种反馈控制模式，无论是哪种控制模式都不是绝对完美的，需要根据实际情况选择最合适的模式。

电压控制模式如图2所示。电压控制电路设计比较简单，只有电压反馈控制环，电压信号相位延迟是该模式最大的缺点，且其响应速度慢，补偿电路设计复杂，还需要设计过电流保护[5]。

电流控制模式如图3所示。电流控制模式为了弥补电压控制模式的不足，在电压控制模式的基础上增加了电流闭环控制，总的来说电流控制模式是双闭环控制系统，电压调整率高，输出电压稳定，可精确限定电流阈值。故本次设计使用电流控制模式。

2  具有多路输出的单端反激式辅助电源设计

2.1  辅助电源设计的基本要求

辅助电源设计需满足宽范围输入电压、高精度输出电压、良好的电压调整率、波纹小、效率较高等要求[6]。具有多路输出的单端反激式辅助电源设计需要为：电压（DC+80V～+242V）、输出电压（DC+15V、电压精度2%、额定功率10W;DC+13V或DC+12V、电压精度10%、额定功率4W;DC+8V、电压精度10%、额定功率2W）、效率（η≥80%）、工作频率（f=85kHz）。

如图4所示，高压直流电来自电网侧输出，在四路输出中，对15V输出的纹波要求最高，且最重要，在本次设计中选用电流内环和电压外环相结合，为了确保电流内容稳压输出，使用峰值电流控制双闭环方案。

2.2  高频变压器设计

高频变压器的作用是转换电压、能量传输、电气隔离、储存能量，故高频变压器设计的质量将直接影响到整个系统的电磁兼容性和技术指标，还会影响到系统的效率，所以高频变压器的设计至关重要。设计流程为：明确设计需求和抑制参数、确定占空比、选择磁芯、确定变压器初级电感、计算电流参数、计算变压器初级绕组匝数、计算变压器副边输出绕组匝数、计算各绕组线径、计算气隙长度、校核變压器设计方案[7]。

在校核变压器设计方案时，趋肤效应验证依据就是所计算的线径要全部小于趋肤深度的2倍，从而确保设计满足实际需求。可使用多股并绕的方式，提升趋肤效应的效果。在层与层之间减少绕线层数，并加入绝缘胶带，这样可以减少邻近效应所带来的损耗。

2.3  RCD电路设计

在反激式变换器中，在MOS管关断时高频变压器的漏感可能会击穿MOS管，所以必须要增加RCD钳位电路。所以RCD的电路参数将会直接影响到钳位电路的变化，如果RCD电路参数不当，有很大可能会击穿MOS管，且会降低系统效率，所以参数选取十分重要。RCD参数选取流程：确定RCD电路钳位电压，确定钳位电容、电阻，确定输出电容，确定功率开关管，控制电路设计。

在控制电路设计中，使用双闭环控制，就是电流内环和电压外环相结合的方案，在这里重点说明电流内环，电流内环使用峰值电流控制方案，原理图如图5所示，为了确保电压平稳，需要计算出以下数值：电流采样电阻、电压反馈电阻，并确定控制芯片。

目前市场上的电流型PWM芯片种类较多，在本次设计中使用IW691控制芯片，选择该芯片的主要原因在于性能高，且集中了MOS管栅极驱动器电路、逐周期峰值电流限制、过流保护、DC总线电压检测电路、关闭保护电路、反馈信号处理电路、数字逻辑控制单元、D/A转换器、A/D转换器等等，另外还集成了模式转换控制和软开关控制[8]。IW691控制芯片可同时在软开关中增加模式转换控制和谷值开关控制，可以不必增加辅助MOS管，并能达到理想的效果。

2.4  系统仿真

在电动汽车车载充电器辅助电源设计中，使用建模和仿真的方式确定系统效果，并使用Saber仿真软件，分别测试输入电压为110V和220V时的系统效果，经过测试，本次设计中的参数合理，输出电压稳定时间短，且纹波小，电压稳定，从仿真结果来看，所有的结果都能满足设计需求。

3  结  论

综上所述，在本次电动汽车车载充电器辅助电源设计中，不仅考虑到成本问题、功能稳定和效率稳定，还兼顾了实际应用的体积，最终确定了具有多路输出的单端反激式辅助电源设计方案，并给出了具体的设计方案。对系统进行了仿真测试，测试结果表明性能良好、结构简单、系统效率高，为今后的电动汽车车载充电器辅助电源系统设计提供了可靠的参考依据。

参考文献：

[1] 陈强，陈章勇，陈勇.基于副边谐振技术的单端反激式变换器EMI分析 [J].电工技术学报，2019，34（4）：728-737.

[2] 高曾辉，于相旭.单端反激式高频高压开关稳压电源 [J].重庆大学学报（自然科学版），2000，23（5）：29-31.

[3] 苏瑾，汪元鑫，胡金高.一种融合于驱动的电动汽车车载充电器 [J].电器与能效管理技术，2019（6）：32-36+69.

[4] 刘陵顺，吕兴贺，雷娇，等.基于九开关变换器的集成车载充电器的研究 [J].电气自动化，2018，40（3）：15-19.

[5] 邓孝祥，王鑫鑫，李鹏，等.超级电容器储能在电动汽车中的应用研究 [J].工业仪表与自动化装置，2018（6）：48-52.

[6] 王琪，孙玉坤，罗印升.混合动力电动汽车的 复合电源功率分配控制策略 [J].电工技术学报，2017，32（18）：143-151.

[7] 胡洪权，朱自伟，王佗，等.分布式电源电动汽车充电站储能系统电价分析 [J].可再生能源，2018，36（2）：283-289.

[8] 郑嘉伟，李红梅.电动汽车车载充电器辅助电源的的高效设计 [J].安徽师范大学学报：自然科学版，2016，39（3）：237-242.

作者简介：吴峰（1978.09-），男，汉族，湖南常德人，研发总监，高级工程师，研究方向：大功率电源、数字电源。