电动汽车地面充电设备关键技术综述

田佳燊，刘 科，黄 琦，张昌华

（1.电子科技大学自动化工程学院，成都 611731；2.成都电业局，成都 610016）

限于环境和能源供给的压力，电动汽车的发展受到国内外的普遍重视。目前，部分大城市已经启动或建成了电动汽车运营示范工程，相应的电动汽车充电站也已经开始配套建设。但总的来说，无论是电动汽车还是电动汽车充电站，目前都处于示范运行阶段，有必要对其开展进一步的研究。本文对电动汽车地面充电机的技术应用作一综述。

1 电动汽车地面充电机基本结构

电动汽车充电机作为供电电源与电动汽车电池间的功率转换器，其功能是将供电电源的能量按照既定的充电模式传递给电动汽车动力蓄电池。充电机按安装位置分类，可以分为车载充电机和地面充电机，本文主要讨论地面充电机。其基本工作原理是：三相交流电输入，经过三相全桥可控或者不可控整流器整流，通过一系列的滤波环节得到直流电压，再经过隔离型DC/DC变换器、二次整流、平滑滤波，最后将电能传送给电动汽车的动力电池。反馈控制电路根据电池各项采样参数，在一定的控制策略下产生DC/DC变换控制信号。电动汽车地面传导式充电机基本结构如图1所示。

由图1可见，电动汽车充电机可以分为功率传递和控制两部分。其中，功率变换环节和控制策略是电动汽车充电机研究的核心内容，下面对这两个环节分别进行讨论。

2 充电机功率传递部分的拓扑结构

图1 电动汽车地面传导式充电机基本结构

功率传递部分主要包括输入整流、功率变换和输出滤波3个环节。在输入整流环节，目前常用的是不可控三相整流和PWM整流，其中PWM整流能够有效减小系统电网侧的谐波和提高系统功率因数，但控制较为复杂并且增加了设备的成本。输出滤波环节滤掉输出直流电压中的交流分量，功率变换环节分为非隔离DC/DC变换和隔离型高频DC/DC变换，和非隔离DC/DC变换相比，隔离型高频DC/DC变换器能够实现直流隔离、提供多路输出、有效减小系统瞬态干扰，因此得到了广泛应用。

常见的由变压器和开关组合的隔离高频DC/DC变换器有4种类型，即推挽式、单端式、半桥式和全桥式电路，各项性能比较如表1所示。

从表1可以看出，全桥式隔离型高频DC/DC变换器开关管承受的最大电压为电源电压，其通过的最大电流为输入电流平均值，比较适合大功率场合，而且容易实现零电压开关以减小功率损耗，因此适用于电动汽车充电机。典型的全桥式隔离型电动汽车充电机的功率环节的拓扑结构如图2所示。

3 充电机主要控制策略

3.1 控制功能

图2 电动汽车充电机拓扑结构图

控制策略是一个控制系统的灵魂和核心所在。电动汽车充电设备能否满足电池充电的要求，很大程度上取决于高频功率变换部分的控制策略。控制部分的工作流程是：电动汽车电池管理系统（BMS）通过CAN总线将车载电池组的总电压、最高单体电池电压、最高温度、温升、最大允许充电电压和电流、最高允许单体电池电压等参数实时地传送到充电机，充电机根据电池管理系统提供的数据确定自己的控制策略。从应用现状来看，控制策略可以分为工程应用的常规控制策略和目前尚处于理论研究阶段的先进控制策略两大类。

3.2 常规控制策略

这一类控制策略往往基于成熟的线性PID控制算法，因此也可以称为常规控制策略。常规控制策略分为电压型和电流型控制，其中电流型控制又可分为平均、峰值、滞环电流控制。表2给出各种模拟控制策略的原理和优缺点。

常规控制策略在工程上可以通过模拟或数字电路来实现。模拟电路在简单系统中得到广泛运用，但其性能容易受到模拟器件的老化和温度漂移的影响，而且模拟器件参数的离散性容易引起控制特性的分散。数字电路则是将控制算法通过软件实现，在修改控制参数时具有成本低和周期短的特点，避免了模拟电路的许多缺点。目前数字常规PID控制策略在实际工程运用中得到了大量的运用。

表1 隔离型高频DC/DC变换器性能比较

表2 常规模拟控制技术及其优缺点的对比

3.3 先进控制策略

电动汽车地面充电机在工作过程中受到诸多复杂非线性因素的影响，这些因素包括系统的非线性元件，比如电力电子器件、高频变压器；系统部分模块的非线性特性，比如脉宽调制器环节的饱和特性；另外，在外部瞬态或持续的扰动影响下，系统工作状态参数也可能发生非线性变化等。由于系统具有强非线性特性，因此可以应用非线性的有关理论来开展研究。

传统的控制算法是建立在小信号、线性化的模型下，难以提高系统的稳定性。然而电动汽车的动力电池对充电电压和电流的稳定性要求较高，传统的控制算法难以满足要求。近年随着微处理器的快速发展，使得在高频开关变换器中应用复杂控制算法成为可能，如混沌控制、神经网络控制、滑模块变结构控制和模糊控制等。先进控制策略能够有效地提高充电机系统的稳定性和输出的精度，以达到快速充电的同时保护电池的目的。表3给出各种先进控制策略的原理和优缺点。

需要指出的是，和大多数的控制系统一样，虽然考虑非线性因素的先进控制策略有助于保证系统的大信号稳定性和提高系统的动态特性，但目前的很多研究成果表明，常规控制策略和上述先进控制策略综合应用，可以达到更好的控制效果，如模糊变结构PID控制；神经网络PID控制等。在这方面，仍有比较多的工作可以开展。

4 结论

电动汽车地面充电机是电动汽车产业链上的重要环节，国内目前处于试运行的阶段。该领域的发展趋势是朝着小型化、智能化、高效率化、集成化和充电快速化的方向发展，使得充电机运行更加稳定和可靠，并减少损耗和对电网的谐波影响。更先进的功率拓扑结构、先进的控制策略、对系统故障等特殊状态的监测和控制将是下一步研究的重点。

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