新型混合动力电动汽车车载充电机的研究

陈小虎，陈息坤

（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）

新型混合动力电动汽车车载充电机的研究

陈小虎，陈息坤

（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）

摘要：为了减少混合动力电动汽车（HEV）接入电网充电时向电网注入谐波，车载充电机必须进行功率因数校正（PFC）。目前常用的PFC电路是单相不控整流＋Boost两级电路，限制了变换器效率的提高。研究设计了一种交错并联Boost电路作为PFC电路。为了进一步提高效率，采用移相全桥ZVS DC／DC作为车载充电机的后级电路。在对上述的主电路拓扑的工作原理进行分析的基础上，给出了部分关键参数的设计方法，并分别设计了相应的控制策略。仿真和实验结果验证了所设计的新型车载充电机的可行性。

关键词：车载充电机；PFC；交错并联Boost

1　引言

汽车产业是我国国民经济重要的支柱产业。汽车产业的飞速发展带来的高消耗、高排放，给资源和环境带来了极大的压力。随着能源问题和资源枯竭问题以及大气污染问题的加剧，我国已将新能源汽车确立为战略性新兴产业，车载充电机作为混合动力电动汽车（HEV）的重要组成部分，其研究兼具理论研究价值和重要的工程应用价值［1，2］。前级AC／DC和后级DC／DC相结合的车载充电机拓扑结构是目前最常用的拓扑。当车载充电机接入电网时，会产生一定的谐波，进而污染电网，影响用电设备的工作稳定性。尤其是有些车载充电机的前级AC／DC采用传统的单相不控整流致使输入电流波形呈脉波状，向电网注入大量的谐波，不能满足用电设备谐波限制标准的要求。为了满足谐波限制标准，文献［3－5］提出采用传统单相不控整流＋Boost作为车载充电机的前级AC／DC，但是这种拓扑采用了两级电路，限制了车载充电机效率的提高。

针对上述效率提高受到限制的问题，本文设计了一种低成本的新型交错并联Boost电路作为车载充电机的前级AC／DC电路，车载充电机结构框图如图1所示［6］［8］。为了进一步提高车载充电机的效率，后级DC／DC电路采用移相全桥ZVS DC／DC变换器［9］。前级AC／DC电路采用电压电流双闭环的控制策略，实现了输入侧高功率因数和输出直流母线电压的稳定。后级DC／DC采用单闭环的控制策略实现了车载电池组恒压、恒流充电的功能。

图1　车载充电机结构框图

2　交错并联Boost电路的设计及分析

本文研究的车载充电机前级电路拓扑如图2所示，图中开关管Q1和Q2，二极管D1和D2，电感L1以及电容C1组成车载充电机的前级电路，其中电感L1是实现高功率因数整流的关键，直流侧电容C1用来滤除高频纹波和稳定直流母线电压。

图2　交错并联Boost电路拓扑

2.1交错并联Boost电路的工作原理

图2所示的拓扑结构在市电的正负半波，Q1和Q2组成4种开关模式。在市电正半波时，模式（a）：Q1导通Q2关断，模式（b）：Q1关断Q2关断。在市电负半波时，模式（c）：Q1关断Q2导通，模式（d）：Q1关断Q2关断。暂态过程如3图所示。

图3　交错并联Boost电路的工作状态

通过对上述4种开关模式的分析，可以得到本文研究的交错并联Boost拓扑结构在正负半波分别为两个相同的Boost变换器，如图4所示。由Q1、D1、L1、C1等构成市电正半波Boost电路，由Q2、D2、L1、C1等构成市电负半波Boost电路。在市电的正半波，图4中（a）Boost变换器工作，在市电的负半波，图4中（b）Boost变换器工作。采用电压外环电流内环控制可以确保输出直流母线电压的稳定且输入侧高功率因数，满足谐波限制标准和后级移相全桥ZVS DC／DC对直流母线电压的要求。

图4　等效的Boost电路拓扑结构

2.2控制系统设计

对于交错并联Boost电路，在控制上采用电压电流双闭环控制方式。一般地，电流环的基本控制方法有3种，即：峰值电流控制、滞环电流控制以及平均电流控制。考虑对输入电流的谐波畸变率、直流母线电压的稳定性、稳压精度以及动态响应性能等几个方面性能的要求，本设计中电流内环采用滞环控制方式，而电压环则采用PI控制，控制系统的结构框图如图5所示。

图5　交错并联Boost电路控制系统结构框图

直流母线电压作为外环，网侧交流电流作为内环。直流母线电压的采样值Uf与给定的参考电压Uref进行比较，二者的误差经PI调节器输出后，再乘以与电网电压同相位的单位正弦电压sinωt，得到一个正弦电流给定指令i＊，将电流给定指令i＊送入PWM模块产生SPWM信号，单片机的PWM专用端口输出的SPWM信号经过模拟二阶有源滤波器滤波后得到基准电流加到电流滞环比较器。电感电流由电流霍尔传感器来检测，所检测的电流经运放放大、滤波、精密整流等处理后加到滞环电流比较器，滞环比较器的输出端输出PWM波控制交错并联Boost电路的功率开关器件，从而实现直流母线电压的稳压和输入侧高功率因数的控制要求。

在实验中由于网侧电压频率为50Hz，开关频率设定为10kHz，建立单个电网周期为100个点的正弦表，在过零点处复位正弦表的指针，既能做到与电网同步，又减轻了CPU计算的负担。

2.3电感和电容的参数设计

交错并联Boost电路达到稳态后，其输出电压稳定在Udc。当交错并联Boost电路带有后级负载时，为了使直流母线电压有一定的稳定范围，交错并联Boost电路的输出滤波电容应该有合适的值。在一定的负载电流和允许的输出直流母线电压脉动要求下，假设在市电周期Ts期间，输出母线电压从Udc跌落到Udcmin，输出功率为Po，滤波电容为C1，则有：

根据纹波电压要求和功率要求来计算选择所需要的滤波电容的值。

交错并联Boost电路中电感工作于电流连续状态，由于电流环采用滞环控制方式，设电感的最大峰值电流为ILpeak、最大平均电流为ILmean、纹波电流为ΔiL。一般的情况下，选择电感时使电感的峰值电流ILpeak＝ILmean＋ΔiL不大于平均电流的20%。根据上述要求，则开关管导通期间有：

交错并联Boost电路中输出电压与输入电压的关系可表示为：

根据输入输出功率守恒，有：

由式（2）、式（3）和式（4）可得：

当给定了输出电压Udc，输出电流Idc，输入电压Us和开关频率f等指标后，可求出储能电感值。

3　移相全桥DC／DC电路的设计及分析

3.1移相全桥DC／DC电路工作原理

移相全桥软开关变换器主要利用高频变压器的漏感或原边串联电感和开关管的寄生电容或外接并联电容谐振来实现零电压软开关，其电路拓扑如图6所示。Q3、Q4、Q5和Q6是4个功率开关管，D3、D4、D5和D6是4功率开关管的反并联二极管，C3、C4、C5和C6是四4个并联电容，Lr是谐振电感，它包括变压器的漏感和外接串联的电感，Tr是高频变压器，Cf和Lf构成输出滤波电路。

在每个PWM周期内，每个桥臂的上下两个开关管均为180°互补导通，并留有一定的死区时间，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，如图7中的α所示，其中相位超前的开关管Q3和Q4构成超前桥臂，Q5和Q6构成滞后桥臂。通过调节每个开关周期内移相角α的大小，即可改变输出电压的值。

图7中Vo的阴影部分是变压器副边的占空比丢失的现象。这是移相全桥ZVS DC／DC变换器的一个固有现象，无法消除，但可以通过采用串联饱和电感的方法和加钳位二极管的方法等来减小占空比的丢失。本文对此不做进一步的论述。

3.2参数设计

在实验中，将功率开关管的寄生电容作为谐振电容，在根据功率等级和电路参数的计算选定功率开关管后，查阅相关的DataSheet即可获取谐振电容的大小。

根据3.1节的分析可知，谐振电感值的选取对于移相全桥ZVS变换器至关重要。若电感值太小，会造成滞后臂软开关的失败；若电感值太大，会造成副边占空比丢失现象更加严重，损失更多的效率。若不考虑变压器的寄生电感，可得：

根据输入电压和输出功率即可计算出电感的下限值。

3.3控制系统设计

车载充电机采用恒流充电和恒压充电两种模式，恒流充电时采用电流闭环和电压限定控制相结合的算法，恒压充电时采用电压闭环和电流限定控制相结合的算法，如图8所示。

当车载电池组恒流充电时，输出电流给定值I＊O和实际输出电流IO比较，经过PI调节，送入PWM控制器，得到开关管的驱动信号，为了防止充电电压过冲影响车载电池组的性能，采用了电压限定的方法，当充电电压高于电压限定值时，减小充电电流。并且实时检测设备的环境温度，可以根据环境温度完成对负载输出的阶梯限制。

同理，当车载电池组恒压充电时，输出电压给定值U＊O和实际输出电压UO比较，经过PI调节，送到PWM控制器，得到开关管的驱动信号。为了防止充电电流过冲影响车载电池组的寿命和防止充电电流过冲可能引发的危险。采用了电流限定的方法，当充电电流高于电流限定值时，减小充电电压。

图8　移相全桥软开关变换器的控制策略

4　仿真和实验结果

本文使用Matlab／Simulink建立系统控制模型来验证所提出方案的可行性。仿真模型中前级交错并联Boost电路采用电压电流双闭环控制，电压环采用PI调节器，电流内环采用滞环比较器。后级移相全桥ZVS DC／DC采用单电压环和单电流环实现恒压恒流充电的功能。系统仿真参数设置如下：单相额定电网电压幅值US＝311V，额定电网频率fS＝50Hz，直流母线电压Udc＝400V，变压器的变比设置为1：1.4，输出恒定电压为UO＝400V，输出恒定电流为IO＝20A。负载采用一个大电容代替车载电池组。

图9（a）给出了输入电流和电网电压的波形，输入电流iS与电网电压US同频同相，实现了输入的高功率因数。图9（b）给出了前级交错并联Boost电路的输出电压的波形，输出电压很快稳定在400V。图9（c）给出了移相全桥DC／DC的开关管的管压降和驱动脉冲的波形，在开关管压降为零时发出驱动脉冲实现了零电压开通，在驱动脉冲关断后，开关管的管压降才缓慢上升，实现了零电压关断。电池一般是采用先恒流充电再恒压充电的充电方法，图9（d）和（e）给出了输出电流和输出电压的波形，可以看出，由于控制环路的作用，输出都很快地稳定在给定值处。

图9　仿真波形

图10　实验波形

实验测试的波形如图10所示，图10（a）中的电流波形正弦化且与电网电压波形同相位。图10 （b）是直流母线的分压电阻上的电压波形，图中显示出母线电压非常平稳。图10（c）是DC／DC电路中开关管的管压降和相应的开关管的驱动波形，管压降的波形进行了10倍的衰减，图中的波形表明开关管实现了软开关。图10（d）是DC／DC电路恒流输出的电流波形，输出电流波形平稳，满足输出精度±5%的要求。

仿真波形和实验测试波形的对比表明：本文设计的新型车载充电机能够获得稳定的直流母线电压，同时能够实现输入电流波形正弦化和输入电流

波形跟踪输入电压波形，具有较高的功率因数。并且能高效地完成对车载电池组的充电任务。

5　结论

本文研究设计了一种新型的HEV车载充电机，相对于采用传统拓扑结构的车载充电机可以进一步提高效率。在详细分析新型车载充电机的两部分电路的工作原理的基础上，设计了相应的控制策略并进行了仿真和实验测试。仿真和实验结果验证了该变换器的可行性，证明了本文设计的车载充电机能够较好地满足车载电池组的先恒流充电再恒压充电的需求，而且其输出的稳定性较好，成本较低适合大规模生产，为未来车载充电机的广泛应用奠定了很好的基础。

参考文献：

［1］魏大钧，孙波，张承慧.电动汽车车载充电机接入住宅区配电网谐波研究［J］.电力自动化设备，2014，34（2）：13－18.

［2］黄菊花，丁湘粤，曹铭.集成式车载充电机的研究［J］.电源技术，2014，（12）.

［3］刘湘，王艳，赵立勇.基于DSP控制的大功率车载充电机的研制［J］.电子设计工程，2015，（4）：24－27.

［4］李国洪，李志永，解红岩.基于DSP的车载充电机的设计与实现［J］.电源技术，2014，38（1）：116－119.

［5］杨婷，景占荣，高田.电动汽车车载智能快速充电器的研究与设计［J］.现代电力，2010，27（5）：62－66.

［6］陈勇，代文平，周俊.一种基于新型无桥Boost PFC的通信电源AC／DC变换器设计［J］.电力系统保护与控制，2013，（12）：123－130.

［7］刘桂花，王卫，徐殿国.具有快速动态响应的数字功率因数校正算法［J］.中国电机工程学报，2009，（12）：10－15.

［8］王慧贞，张军达.一种新型无桥Boost PFC电路［J］.电工技术学报，2010，（5）：109－115.

［9］侯聪玲，吴捷.3kW移相全桥变换器ZVS的研究［J］.电力电子技术，2014，48（5）.

［10］孙莹莹，苗震宇，孟涛等.一种无源缓冲型全桥单级PFC技术研究［J］.电力电子技术，2013，47（9）：49－51.

［11］任海鹏，刘丁.基于Matlab的PFC Boost变换器仿真研究和实验验证［J］.电工技术学报，2006，21（5）：29－35.

中图分类号：TM912

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）06—0021—05

作者简介：

陈小虎（1991—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子变换器及其控制技术研究。

陈息坤（1962—），男，副教授，研究方向为大功率电力电子变换与控制技术、新型储能及其变换控制技术、新能源发电技术等。

收稿日期：2015－08－17

Research on a novel vehicle charger of hybrid electric vehicle

CHEN Xiao－hu，CHEN Xi－kun

（Electromechanical Engineering and Automation College，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

Abstract：In order to reduce the harmonics injected into the grid when HEV is connected to the grid for charging，

the vehicle charger must carry on the power factor correction（PFC）.Single－phase uncontrollable rectifier with Boost circuit is the most commonly used PFC circuit，which can limit the converter efficiently.An interleaved Boost circuit is designed as PFC circuit.The phase－shifted full－bridge ZVSDC／DC is used as post－stage circuit of vehicle charger to further improve efficiency.The design method of several key parameters and the corresponding control strategies are given based on the analysis of the principles of the main circuit topology.The simulation and experimental results verify the feasibility of the design of the new vehicle charger.

Key words：vehicle charger；PFC；interleaved parallel Boost