基于boost电路的车载充电机系统设计

赵子睿，王 艳，刘 湘

（北京交通大学 电气学院，北京 100044）

基于boost电路的车载充电机系统设计

赵子睿，王 艳，刘 湘

（北京交通大学 电气学院，北京 100044）

本文以实现车载充电机对电池快速充电为目的，应用简单的boost电路，设计了充电机功率因数校正控制策略，并计算出电路参数，最后研制了一台额定输出功率为8 kW的样机，实现了对电池的直流脉冲充电.样机具有性能优良，安全可靠的特点。

车载充电机；boost电路；功率因数校正；直流脉冲充电

在能源紧缺和环境污染的巨大压力下，以电力作为驱动系统动力源的电动汽车逐渐替代传统汽车已成为必然趋势，续航里程是判断电动汽车性能的重要指标之一[1]，大容量的电池要想在较短时间内获得足够的能量需要车载充电机提供，因此，车载充电机的优良性能决定着电动汽车的续航里程[2]。

文中重点分析了车载充电机功率因数校正的原理、主电路设计，最后组装了一台样机，对电池实现了快速平稳充电。实验结果显示该充电策略可实现对电池直流脉冲充电，而直流脉冲充电比较适合锂离子动力电池的充电，它能有效的消除电池极化的影响[3]，提高充电电流和充电效率，实现快速充电。

1 功率因数校正原理分析

功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）可将输入电流波形校正为正弦波或接近正弦波，且使输入电流与输入电压同相位[4]。Boost型电路结构简单，整流桥输出端接升压电感，升压电感可作为滤波器抑制干扰噪声，还可防止电网浪涌电流的高频瞬态冲击[5]；输出电压高于输入电压峰值，可允许较大范围的输入电压；开关器件的电压应力小于输出电器件选择上成本变低[6]。因此为了使输入电流谐波满足要求，采用Boost型升压电路，可兼顾功率因数校正及升压两种功能[7]，其典型应用如图1所示。

图1 典型的Boost有源PFC电路

2 功率因数校正控制策略

在Boost电路中，流过电感的电流有连续和断续两种不同的形式，因此电流波形的控制也对应两种不同的方法：采用电压跟随器控制电感电流不连续的导通模式（DCM）；采用乘法器控制电感电流连续的导通模式（CCM）[8]。通常在200 W以下的场合中使用，对于功率在200 W以上的场合多采用CCM[9]。CCM的工作机理是：将采样得到的输出电压和输入电流作为反馈量，计算出给定量与反馈量的偏差，通过偏差进行运算进而控制开关管的驱动脉冲，调整其开通和关断的时间[10]。CCM模式下选择平均电流的控制方法，其抗噪能力强[11]。

由于输出直接作用于电池充电，因此反馈量修正为输出电流和输入电流。平均电流控制的单相Boost型PFC的原理如图2（a）所示。PFC输出电流Io和给定电流Iref的误差放大信号与整流电压经采样环节1/K后的值送入乘法器，二者乘积作为电流基准，输入电流被直接检测，与基准电流进行比较，放大后的平均电流误差信号与给定的锯齿波比较后，为开关提供PWM信号，电流误差被快速且精确的校正，完成电路的双闭环控制。内环为电流环，使电流信号跟踪电压信号，进而提高功率因数；由于负载接电池只需控制输出电流即可，因此外环经改进同为电流环，主要作用是稳定直流输出。由于电流环有较高的增益带宽，该控制方法能够快速地实现实时跟踪[12]。

平均电流控制的电感电流如图2（b）所示。将电感电流的平均值，即乘法器的输出信号作为平均电流信号[13]。将电感电流采样信号与平均电流信号相比较，当大于平均电流信号时，开关断开，电感开始放电，电感电流下降；当小于平均电流信号时，驱动开关开通，电感充电，电感电流上升[14]。不断重复这一过程，最终使得输入电流跟踪输入电压变化，完成功率因数校正。

图2 平均电流模式控制的PFC的电路图

3 主电路的参数计算与元件选择

图3 主电路接线图

EMI滤波：选择电压220（±15%）V，电流100 A的滤波模块。可使50 Hz低频电流流过，而流过高频电流时产生高阻抗，可抑制电网和电源内部之间的干扰。

整流模块：输入市电波动范围为±15%，因此最大反向电压VRM=220*（1+15%）=357 V，最小输入电压有效值为Vinacmin=220*（1-15%）=187 V，最大输出功率为Pout=9 kW，系统效率η≥90%，则整流桥最大输入电流有效值Iinacmax=η*Pout/Vinacmin=43.32A，需预留一定的裕量，故选择电压800 V，电流100 A的整流模块。

L1：经过整流后的直流电压的平均值 Vi= 220*0.9=198 V，占空比D=1-Vi/Vo，Vomax=360，故最大占空比Dmax=0.45，由于功率守恒Vi*IL=Uo*Io，IL= Vo*Io/Vi=Io/（1-D），在电感电流连续的条件下，电感平均电流IL=0.5ΔI=0.5Vi*T*D/L，f=20 kHz，故L=Vi*D*（1-D）/（2f*Io）＞62 μH，我们设定电感电流的波动范围在±3 A内，又考虑到电感电流纹波，留有一定裕量，样机实验上选择1.35 mH电感，并在电感外部放置一个防护罩，防止电磁干扰[15]。

VD：当开关管VT1导通时，二极管马甲反向截止，当开关管关断时，二极管正向导通，流过的最大电流为电感电流的峰值。考虑裕量后选择电压600 V，电流100 A的快恢复二极管。

C1：为保证整流滤波后的直流电压最小值符合要求，并且限制整流滤波后输出电压的纹波，电容值和输出功率的关系可取为1 μF/W，电容取值约为9 000 μF，因此可选择两个450 V/4 700 μF的电解电容并联。

VT1：考虑到电压波动，最大输出电压可达近400 V，流过的电流峰值为70 A，留有一定裕量，选择耐压800 V，电流100 A的IGBT。

CS1、CS2：霍尔电流传感器，采集电流进行PI调节，实现双环反馈。

4 系统整体设计

4.1 整体结构

本车载充电机是以TMS320F2812最小系统为核心，信号调理电路、IGBT驱动电路、CAN通讯电路等为外围电路，对主电路的输出电流和电压、PFC电感电流和电压采样，送到DSP的AD端，BMS给定控制信号后数据在DSP内进行运算，计算对应的占空比，将得到的数据存入EVA（EVB）的比较器，获得PWM控制信号，再经过数模转换电路传给IGBT驱动电路，实现对开关管通断的控制，从而完成对车载充电机的控制。控制系统框图如图4所示。

图4 控制系统框图

4.2 软件设计

PFC控制程序流程图如图5所示。

图5 PFC程序流程图

5 实验结果

基于上述研究和计算，制作了一台试验样机如图6所示，输入电压为220 V的交流市电，额定输出功率为8 kW，输出电压360 V，开关频率为20 kHz。

图6 样机图片

图7 输入电压电流波形

图8 输出电压电流波形

图7 所示为整流后的输入电压和电流的波形，其中通道一为输入电压波形（X100档），由于加了隔离器倍数为500X，因此，电压波形与实际值相差5倍，通道二为输入电流波形，放大倍数刚好抵消，电流波形就是实际输入电路，因此整流桥后的输入电压均方根为216.5 V，输入电流均方根为9.86 A，输入功率为2 134.69 W。

图8为输出电压和电流波形，通道一为输出电压波形，均方根为334.05 V，通道二为输出电流波形，平均值6.2 A，实际输出2 071 W，在测量误差基本相同的情况下算得效率为97%。

6 结束语

文中对基于boost电路的车载充电机快冲模式进行了研究，详细介绍了控制策略、主电路结构以及参数选择，并在样机上进行实验验证，实验结果表明，输入电流可跟随输入电压实现功率因数校正，输出电流电压稳定，实现了对电池进行直流脉冲快速充电。该充电机具有简单实用、功能完善的特点，但在结构和效率上仍需进一步优化，本设计在实际应用方面有较强的实用性和较好的发展前景。

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The design of vehicle charging system based on the boost circuit

ZHAO Zi-rui，WANG Yan，LIU Xiang
（School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

The purpose of the paper is to achieve on-board charger of battery fast charging.Applied to the simple circuit of boost，the paper designed a charager power factor correction control strategy，calculated the circuit parameters，finally developed a rated output power of 8 kW prototype，and achieved the battery DC pulse charging.The prototype has excellent performance，safe and reliable characteristics.

on-board charger；boost circuit；power factor correction；DC pulse charging

TN99

：A

：1674-6236（2017）02-0101-04

2016-01-22稿件编号：201601212

赵子睿（1992—），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士。研究方向：电力电子与电力传动控制、电动汽车充电系统。