基于LLC变换器的电动汽车充电机设计

张 涛 朱小平

（浙江交通职业技术学院，杭州 311112）



基于LLC变换器的电动汽车充电机设计

张 涛 朱小平

（浙江交通职业技术学院，杭州 311112）

动力电池是电动汽车应用的核心技术之一，应用中需要进行充放电管理，充电机可以把交流电转变为直流电，为动力电池补充能量；本文介绍了一种基于LLC变换器的电动汽车充电机设计方法，LLC谐振电路充电机工作在谐振频率，能够实现ZVS和ZCS，降低开关应力，减小了开关损耗，提高了充电效率；通过分析LLC谐振电路的工作特点，研究变换器的参数设计原理，并根据分析，设计了试验样机，进行了试验验证，获得较好的实验效果。

LLC谐振；直流-直流变换器；电动汽车

我国的动力电池的充电方式一般分为3种：车载充电机充电、外置普通充电机充电、外置快速充电机充电[1-3]。在这3种充电形式中，外置快速充电技术以其高功率、大电流、高效率、高可靠的技术要求成为研究的重点和难点。在电动汽车的推广过程中，大众普遍担心的问题之一就是充电问题。电动汽车和续航里程和电池的容量相关，而电池的能量要靠充电机的持续充电完成；对于一般充电，其充电时间需要5～10h，这个时间长度极大的限制了电动汽车的使用便捷性；因而开发充电时间在20min以内的快速充电技术，是电动汽车发展中必须解决的问题。

快速充电机目前普遍采用模块化设计技术，本文将介绍基于LLC谐振变换的电动汽车充电机直流-直流变换电路，该电路具有结构简单、效率高的特点。

1　LLC谐振变换充电机特点

传统PWM变换器是一种硬开关技术，其功率开关管开通或关断时，器件上的电压或电流不等于零，即存在开关损耗。随着工作频率增加，开关损耗也随着增加，这就限制了硬开关变换器的最高工作频率。谐振变换器是最早提出的软开关变换器。

LLC谐振变换器是从SRC发展过来的。实际上，采用变压器隔离的 SRC变换器[4-7]，变压器的励磁电感就相当于在传统SRC变换器上增加了一个与负载并联的电感，如图1所示。

当LLC-SRC工作在高于谐振频率fr处，稳态工作时一个开关周期的工作过程可分为8个阶段，其工作波形和阶段如图2所示。各电流的参考方向如图1所示，图1中标的是电流的实际流向。

图1　LLC谐振变换器的原理图

图2　LLC谐振变换器高于谐振频率时的工作波形

当t=t1，副边电流开始从负变正，二极管D2截止，D1导通续流，原边电压被箝位在nVO，励磁电感不参与谐振，励磁电流开始线性增加。原边谐振电流还是为负，继续通过Q1的寄生二极管续流。当t=t2时，谐振电流到零，该过程结束。Q1的驱动信号要在谐振电流过零前施加，这样才能实现ZVS。同样的道理，在t=t4时，Q2的驱动信号在来临之前，Q2上的电压已经降为零，可以实现ZVS。

2　LLC谐振变换器充电机参数设计

动力电池的充电过程为“恒流/恒压”方式，充电开始为恒流充电过程，电池容量快充满时，采用恒压充电模式，防止电池过充；在恒流模式中，电池的充电电流固定，但电池电压也是缓慢上升的，这要求LLC直流变换器具有较好的调压功能，本文采用半桥式LLC变换电路，通过变压器调整电压的变比，以实现高压输出；LLC-SRC要设计的参数比较多，并且与变换器的工作状态有很大关系，尤其是输入电压范围和输出功率范围。要设计好参数，就要了解变换器的工作场合，以及各参数对电路性能的影响情况。在设计中要考虑的主要是输入输出电压的范围，最大输出功率和动态响应性能等指标。

2.1变压器参数设计

变压器匝比主要根据输入输出电压的关系和LLC变换器的增益设定确定，充电机的输入电压一般由PFC电路决定，是系统的直流母线电压，比较恒定，输出电压是电池的充电电压，由电池特性决定，在LLC半桥变换器中，变换器增益主要由开关频率决定，系统的工作状态将发生改变，具体如图3所示。

图3　LLC变换器输出增益曲线

根据LLC半桥电路的工作特性可知，工作频率等于谐振频率时，软开关环境最好，因此，我们根据磷酸铁锂电池的工作电压曲线，锂电池有个充电平台，充电过程中，电压基本不变，所以在LLC变换器充电系统中，把电池充电平台的电压设定为谐振频率，这样充电机将获得最优的工作效率。

因此变压器的匝比计算中，变换器的增益可以设定为1，可知

2.2励磁电感和谐振电感参数设计

励磁电感与谐振电感的比值k是LLC-SRC有别于传统SRC的一个关键参数。k值的引入，会在低于谐振频率fr时会出现增益大于1的区间，增加了SRC实现ZVS的区间，使得变换器可以在高输入电压下得到优化；其次增加了轻载时增益曲线的斜率，降低了轻载时的工作频率，能够在空载时实现调压，控制变得容易；最后，利用励磁电感上的能量，可以使得SRC在轻载时也能实现ZVS。首先确定最低增益，由下式获得

计算最低增益：

满足变换器能在最高工作频率时获得稳定的输出增益，可以得到

式中，fmax为系统最高工作频率。

3　实验结果

根据分析建立一套实验系统，根据磷酸铁锂电动汽车小型汽车规格输出电压等级正常值为 360V DC，输出电压范围：300V DC～400V DC；输入电压为前级PFC的输出，电压稳定在380V DC～400V DC值之间，设计实验样机的输出功率为 3000W，根据前面分析的设计依据，谐振参数设计首先要满足输入输出电压要求，其次再考虑尽可能提高效率。因为电动汽车充电机比较关注平台电压 360V输出时的效率，所以最好是将390V DC～360V DC时的增益曲线落在谐振频率 fr附近，以优化该工作条件下的效率。

主要设计参数选择如下：这样变压器原副边的匝比初步定为

式中，Vfd是输出二极管的正向压降（forward drop），假设为1V。

谐振频率：fr=500kHz

最低工作频率：fsmin=300kHz

最高工作频率：fsmax=700kHz

工作频率，应用 AP法计算，变压器铁芯材料选择3F35，规格选用EE42/21/20。

变压器实际匝比选为

根据输出电压增益、空载稳定条件以及ZVS条件，选取

据电LLC谐振可以实现软开关得类型是零电压开通和零电流关断（ZVS和 ZCS），开关管的驱动波形如图4所示，可见在开关管开通前，Vds已经下降为零，通过输出整流管电流和谐振电流可知开关管关断时，电流下降接近于零。

图4　谐振工作驱动和电流波形

LLC变换器的驱动波形如图5所示。

图5　开关管驱动波形

充电机的输出电压可以连续调节，一般工作在恒流模式，设定 360V的输出为谐振点，所以输出效率最高点出现在 360V的输出，不同输出电压的功率曲线如图6所示。

图6　不同输出电压的输出效率图

4　结论

本文根据电动汽车充电机的技术要求，设计基于LLC谐振变换器充电机；通过分析LLC谐振变换器的工作特点和实现ZVS-ZCS的，研究了谐振变换充电机的变压器参数和谐振电感等参数的设计方法；通过设计试验样机，验证了LLC谐振变换器的优点，并实现了高效率的输出，降低了开关损耗。

[1] 阮新波, 严仰光. 脉宽调制 DC/DC全桥变换器的软开关技术[M]. 北京: 科学出版社, 1999.

[2] 顾越. 电动汽车充电机及其电气性能测试研究[D].北京: 北京交通大学, 2012.

[3] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000.

[4] 李霁雰, 陈阳生, 章玮. 基于 CAN总线的电动汽车中继站研究[J]. 机电工程, 2015(3): 379-383.

[5] 梁昊, 张军明. 一种简化的 LLC谐振变换器小信号分析方法[J]. 电力电子技术, 2011(10): 71-72, 95.

[6] 陈曦. LLC谐振变换器控制性能分析及优化研究[D].武汉: 华中科技大学, 2013.

[7] 刘一希. 基于全数字控制LLC谐振变换器的电动汽车电池充电器研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2014.

The Design of EV Charger based on LLC Converter

Zhang Tao Zhu Xiaoping
(Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112)

The power battery is one of the core technology of the electric vehicle application, the application need to charge and discharge management, the EV charger can turn AC to DC, added to the power battery energy; This paper introduce the design method of EV charger based on LLC converter; LLC resonant circuit charger work at resonant frequency to achieve ZVS and ZCS, reduces the switch voltage stress, the switching loss is reduced, and improve the charging efficiency; through the analysis of the working characteristics of the LLC resonant circuit, parameter design principle of the converter is studied and according to the analysis design prototype test, and obtain a better test results.

LLC resonant circuit; dc-dc converter; electric vehicle

张 涛（1980-），男，硕士研究生，工程师，主要从事电力电子与电力传动方面的研究。

浙江省交通运输厅科研计划项目（2014T10）