电动汽车充电站整流充电机损耗研究

邓霞

（顺德职业技术学院 电子与信息工程学院，广东 佛山 528333）

电动汽车充电站整流充电机损耗研究

邓霞

（顺德职业技术学院 电子与信息工程学院，广东 佛山 528333）

整流充电机损耗研究对于新建电动汽车充电站的充电机选型十分重要。建立电动汽车充电站充电机损耗分析简化模型；依据6脉波、12脉波及PWM整流充电机的工作原理，给出充电全过程整流模块及电路损耗数学模型；最后，依据厂商提供的元器件参数，分析三类充电机损耗情况，并给出电动汽车充电站充电机选型原则。

充电机；6脉波整流；12脉波整流；PWM整流

随着电动汽车的大力推广，作为基础设施建设的充电站在可预见的未来，数量将越来越多［1-2］。然而，电动汽车充电站的充电机作为一类非线性负载［3］，其投入运行所产生的损耗，对于监测充电机运行状态及能效评估有重要意义。常见的电动汽车充电机模型主要有三类：6脉波整流充电机、12脉波整流充电机和PWM整流充电机［3-4］。从性能上看，各类型充电机均能实现整流功能，但是优劣各有不同：不可控整流成本低，谐波含有量高；PWM整流谐波小，但是控制复杂、成本高。此外，不同类型充电机运行所引起的损耗主要由开关管、二极管等开关器件的类型、参数和数量等因素决定。目前，已有多篇文章对逆变器的损耗进行了分析［4-6］，对开关器件的研究也有较多［7-12］。然而，不同类型充电机由于结构的区别，除整流模块区别外，还可能包含阻抗等其他器件损耗，但现有研究对充电机整体损耗较少，未形成精确的电动汽车充电机全过程损耗模型。本文基于厂商提供的器件特性参数，细致分析了充电机中各元器件的损耗特性，结合不同类型充电机的运行特点，建立充电机损耗模型，通过实例对比分析充电机损耗大小，及各模块损耗特点，最后，得出电动汽车充电站充电机选型原则。

1　充电机简化模型

充电机的工作原理是由整流电路对输入的三相交流电进行整流，经过滤波电路后，为高频DC-DC功率变换电路提供直流输入，全桥逆变电路输出经副边整流滤波电路后，为电动汽车蓄电池充电。充电机一般结构原理如图1所示。

图1　充电机的一般结构框图

由图1可见，充电机损耗主要包括三部分：线路阻抗损耗、三相整流电路损耗以及全桥逆变与副边整流逆变电路损耗。

由于电动汽车充电所需时间较长，相对于工频周期（0.02 s）来说，该过程中电压电流是变化的，可用一个纯电阻RL来近似模拟后续全桥逆变电路和副边整流滤波电路［3，13］。RL的计算公式为

式中：UI、II、PI分别为高频功率变换电路的输入电压、电流和功率；U0、I0、P0分别为充电机单元充电模块的输入电压、电流和功率；η为全桥逆变电路及副边整流逆变电路效率。

简化后的充电机结构如图2所示，充电机的损耗简化成了线路阻抗损耗、三相整流损耗和等效电路损耗。

图2　简化后的充电机结构图

利用充电机充电参数可计算充电机输出功率曲线PB（t）［4］，对于6脉波不控整流桥、12脉波不控整流桥、PWM整流桥，直流侧输出电压为UB，利用R与充电机输出功率曲线的关系：将式（1）简化为

由于不同类型充电机重点关注整流电路损耗及效率，因此，本文重点关注不同类型充电机的整流部分所产生损耗及输电线路损耗。

2充电机中元器件损耗模型

本文建立的损耗模型包括了IGBT损耗模型、二极管损耗模型、线路损耗模型。其中，IGBT的损耗包括：开关损耗（开通和关断损耗）、通态损耗、截止损耗和驱动损耗，IGBT的正向截止损耗和驱动损耗在总的损耗中比例较少，可以忽略不计；二极管的损耗包括：开通损耗、通态损耗、恢复损耗及截止损耗，其中二极管的开通损耗和截止损耗可以忽略不计［8］。

2.1IGBT损耗模型

1）通态损耗。

假若IGBT的通态电流为i，则一个工频周期内IGBT损耗可以表示为

式中，vCE（t）为IGBT在通态电流下的导通压降；f0表示工作频率；τ（t）为导通函数，当器件开通时τ=1，当器件关断时τ=0；Φ为器件在一个工频周期内有效导通范围。

对于带快恢复二极管的IGBT，其通态电压可近似描述为

式中，rce_25℃为IGBT在25℃是的额定通态电阻；vce_25℃为IGBT在25℃时的额定导通压降；Tj_Tr为IGBT的实际结温；Kr_Tr和Kv_Tr分别为温度对IGBT通态电阻及导通压降影响的温度系数。

2）开关损耗。

设EswN、ErecN分别为额定直流电压下IGBT的开关损耗和反向恢复二极管的反向恢复损耗，对厂商提供的EswN-IC和ErecN-IC特性曲线用二次函数进行拟合

式中，a、b、c为器件的拟合参数。由于PWM整流器的器件每次导通和关断时刻不同，考虑结温、驱动电阻、直流电压对损耗的影响，任意开关器件的开关损耗可以表示为

式中，ρ（Tvj）、k（Rg）分别为结温系数和驱动系数，Vdc为器件承受直流电压；Vdcnom为额定直流电压；Ts为开关周期；m为一个开关器件在一个工频周期内的开关次数。

由式（3）、（6）可以得出IGBT在一个工频周期内总损耗

2.2二极管损耗模型

若二极管的通态电流为i（t），则其损耗模型为

式中，vF（t）为二极管在通态电流下得导通压降；τ（t）为导通函数，当器件开通时τ=1，当器件关断时τ=0；Φ为器件在一个工频周期内有效导通范围。

器件的导通压降可通过厂家提供用户手册求得

式中，rf_25℃为二极管25℃时的额定通态电阻；vf_25℃为二极管25℃时的额定导通压降；Tj_D为二极管的实际结温；Kr_D为温度对通态电阻影响的系数；Kv_D为温度对导通压降影响的系数。

由式（8）可以得出二极管在一个工频周期内总损耗

2.3其他器件损耗

设整流器与变压器的连接线路电阻为Rs，则其损耗模型为式中，i（t）为充电机工作过程的交流侧电流值。

3　不同类型充电机损耗模型

3.16脉波不可控整流充电机损耗模型

6脉波整流充电机的仿真拓扑如图3所示，三桥臂结构完全相同，每个桥臂由2个二极管串联而成，直流侧含有1个电容和1个电感。其交流侧谐波次数主要为6k±1次，（k=1，2，3…）。三相不可控直流侧电压设定为514 V，滤波电感为1.5 mH，直流侧电容为2 215 μF。可得出6脉波不可控整流充电机工作过程的总损耗为：

式中，PS_6为6脉波整流充电机的线路损耗。

图3　6脉波不可控整流充电机仿真模型

3.212脉波不可控整流充电机损耗模型

12脉波整流充电机的仿真拓扑如图4所示，直流侧含有3个电感，1个电容，其交流侧谐波次数主要为12k±1次，（k=1，2，3…）。并联了两整流器，与6脉波不可控整流充电机相比，设置了两个电抗器L1作为平衡电感，其值大约为0.2 mH。直流侧电容、电感值选取与6脉波不可控整流相同，即：电感为1.5 mH，电容为2 215 μF。可以得出12脉波不可控整流充电机工作过程的总损耗为：

式中，PS_12为12脉波整流充电机的线路损耗。

图4　12脉波不可控整流充电机仿真模型

3.3PWM整流充电机损耗模型

使用PWM整流充电机可以使得整流器网侧电流正弦化，功率因数控制。图5为常见的一种PWM整流的仿真拓扑，其中，IGBT必须反并联一个续流二极管，起到缓冲PWM过程中的无功电能，直流侧为1个电感和1个电容。直流侧电压控制700 V，选取直流侧电容为2 215 μF，电感为1.5 mH。可以得出PWM整流充电机工作过程的总损耗为

式中，PS_PWM为PWM整流充电机的线路损耗。

图5　PWM整流充电机等效电路

4　仿真算例

以9 kW充电机为例，设定充电机参数如下：充电机输出最大电压Uomax为75 V，输出充电机最大电流Iomax为120 A，充电机输出最大功率Pomax为9 kW，充电时间t为270 min。对于6脉波、12脉波、PWM整流器，已知其直流测输出电压为UB。

利用式（2）可得R与充电机输出功率曲线的关系，进而得到变阻R。然而计算所得的R为一个连续变化的非线性曲线，在实际试验过程中连续变化的参数不利于试验进行，需要将其离散化。因此，根据计算所得的R曲线，将连续变化的R曲线离散化；充电总时间270 min，每10 min作为一个采样点，确定一个电阻R值。将全部270 min时间划分为27个时段，在每一个时段的最后时刻R的值，来代表这一段的所有R值。

4.1不同类型整流充电机仿真分析

1）6脉波不控整流充电机。

采用算例系统：当充电机整流模块为6脉波不可控整流结构时，直流侧电压UB为514 V，功率因数为0.842 7，基波频率为50 Hz，结温为125℃。本文选取D255K作为整流二极管。

图6所示是6脉波不控整流充电机在270 min充电过程中能耗分布图，由图可见，充电机在恒流充电阶段，即由0时刻到150 min时刻能耗较高，该阶段占充电过程能耗消耗总量的75.33%。在恒压充电阶段，即150 min时刻到270 min时刻能耗随着时间的推移慢慢减少。该阶段占充电过程能耗消耗总量的24.67%。其中在150 min左右，充电机的能耗最高。

图6　6脉波不控整流器损耗曲线

2）12脉波不控整流充电机。

当充电机整流模块为12脉波不可控整流结构时，直流电压为514 V，功率因数为0.864 6，基波频率为50 Hz。设定结温为125℃。本文选取D255K作为整流二极管。

图7所示是12脉波不控整流充电机在270 min充电过程中能耗分布图，由图可见，充电机在恒流充电阶段，即由0时刻到150 min时刻能耗较高，该阶段占充电过程能耗消耗总量的77.46%。在恒压充电阶段，即150 min时刻到270 min时刻能耗随着时间的推移慢慢减少。该阶段占充电过程能耗消耗总量的22.54%。其中在150 min左右，充电机的能耗最高。

图7　12脉波不控整流换流器损耗曲线

3）PWM整流充电机。

当充电机整流模块为PWM整流结构时，直流电压为700 V，功率因数为0.986，基波频率为50 Hz。设定温度为125℃。本文选取FS50R12W2T4作为系统主电路的开关器件。

图8所示是PWM整流充电机在270 min充电过程中能耗分布图，由图可见，充电机在整个充电过程中能耗分布较为平缓。

图8　PWM整流器损耗曲线

4.2不同类型整流充电机能耗对比

图9为不同类型整流换流器的损耗对比，可见：6脉波不控整流充电机在整个充电过程中能耗最大，损耗大约为23.238 2×10-3kWh；其次为12脉波不控整流充电机，其在整个充电过程损耗为10.608 8×10kWh；PWM整流充电机的损耗最低，其在整个充电过程中损耗约为4.183 4×10-3kWh。

图9　不同类型整流换流器损耗对比

5　结论

1）本文基于厂商提供的器件特性参数，细致总结了充电机中各元器件的损耗特性，建立了IGBT、二极管等精确损耗模型，结合不同类型充电机的运行特点，建立了充电机损耗模型，可为电动汽车能量管理提供帮助。

2）本文分析了6脉波、12脉波和PWM整流器能耗，发现6脉波整流装置损耗最大，PWM整流装置损耗最小。此外，虽然6脉冲整流充电机成本较低，但由于其产生谐波电流较大，治理设备产生成本较高，因此可综合考虑不同类型充电机谐波含有量及损耗量，以此决定新建电动汽车站充电机选型。

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［责任编辑：吴卓］

Comparative Research on the Losses of Rectifying Chargers in Electric Vehicle Charging Station

DENG Xia
（School of Electronics and Information Engineering，Shunde Polytechnic，Foshan Guangdong 528333，China）

Comparative researches on different types of rectifying chargers are very important for the charger selection. The comparative mathematical models of the charger losses are established in this paper.Based on six-pulse rectifier，twelve-pulse rectifier and PWM rectifier，the loss model of the whole charging process is presented.Finally，according to the component parameters provided by manufacturers，the loss levels of the three-type chargers are compared，and the selection principle of rectifying chargers is summarized.

the charger；six-pulse rectifier；twelve-pulse rectifier；PWM rectifier

TM910.6

A

1672-6138（2016）03-0018-05

10.3969/j.issn.1672-6138.2016.03.004

2016-04-06

广东省高等职业教育品牌专业建设项目（2016gzpp139）。

邓霞（1984—），女，湖南益阳人，硕士，研究方向：电气自动化技术、电能质量控制。