电动车LLC谐振充电电源系统*

吴开源 王佳佳 尹彤 章涛

(华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640)

电动车LLC谐振充电电源系统*

吴开源 王佳佳 尹彤 章涛

(华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640)

研制了一种电动车LLC谐振充电电源系统.该系统以STM32为控制核心，采用数字化脉冲频率调制(PFM)控制，选取满足电动车铅酸蓄电池充电电源要求的LLC谐振主电路拓扑和4阶段+正负脉冲充电方案.试验结果表明：该电源系统能够全程实现LLC谐振主电路的软开关状态，LLC谐振主电路始终工作于原边MOSFET功率开关管零电压开通和副边整流二极管零电流关断软开关状态，提高了电源转换效率；结合电池充电曲线并使用4阶段+正负脉冲充电方式，可以减少过充电及析气极化现象，保护电池，提高充电速度.

电动车；充电电源；铅酸蓄电池；正负脉冲充电；LLC谐振；STM32芯片

随着低碳环保生活方式席卷全球，电动车已大规模普及到人们的日常生活.电动车充电电源是电动车的基础，也是目前电动车发展的制约因素之一.由于铅酸蓄电池性能稳定，价格便宜，输出特性好，市面上大部分的电动车动力电池采用铅酸蓄电池.目前常规的电动车铅酸蓄电池充电方式包括：恒压充电、恒流充电、阶段充电和脉冲充电等.恒压和恒流充电方式较为陈旧，不符合电池充电曲线，使整个充电过程存在着严重的过充电和析气等现象，造成充电效率过低，充电时间过长，容易损坏电池；阶段充电方式能实时调整充电曲线，达到电池最佳充电效果；脉冲充电方式能提高铅酸蓄电池接受大电流充电电荷的能力，避免蓄电池过热引起的变形和析气等现象，有效保证蓄电池达到最佳的充电效果[1-2].

传统电动车充电电源大多使用脉冲宽度调制(PWM)控制，其开关器件工作于硬开关或移相全桥软开关状态.硬开关造成开关损耗，带来电磁污染[3]；移相全桥软开关电路存在轻载时滞后桥臂难以实现软开关的问题，滞后桥臂大部分时间还是工作在硬开关状态[4-5]，同时还存在副边整流二极管反向恢复和占空比丢失等问题[6-8].这些都制约了充电效率的提高，给电网安全及电池寿命带来了挑战[9].

LLC谐振变换器可在全负载范围下实现原边MOSFET功率开关管零电压开通和副边整流二极管零电流关断的软开关状态，电流工作在正弦状态，对外辐射较小，无需外接任何缓冲吸收电路，易于提高系统的稳定性与可靠性，效率相对移相全桥软开关变换器更高[10-14].

针对目前电动车充电存在的上述问题，文中提出以STM32为控制核心，实现数字化脉冲频率调制(PFM)控制，采用LLC谐振主电路提高电源效率，同时结合电池的充电曲线采用4阶段+正负脉冲充电方式，减少过充电及析气极化现象，保护电池，提高充电速度.

1 充电电源结构及设计

1.1 充电电源系统组成

电动车LLC谐振充电电源系统包括主电路和控制系统，如图1所示.主电路由输入整流滤波电路、全桥LLC谐振逆变电路、高频变压器、次级整流滤波电路和正负脉冲生成电路组成；控制系统以STM32F103RBT6为核心，包括电流采样电路、电压采样电路、电池状态判断电路、网压检测电路、故障保护电路、人机界面、MOSFET驱动电路和IGBT驱动电路.

图1 充电电源系统框图

1.2 主电路拓扑结构及工作原理

全桥LLC谐振变换器主电路拓扑如图2所示.主电路的工作原理为：电压Vin经过电容C1滤波提供给由MOSFET功率开关管和高频变压器组成的谐振电路，其中Lr为谐振电感，Lm为励磁电感，Cr为谐振电容，与负载一起组成谐振腔；MOSFET功率开关管V1～V4在MOSFET驱动电路提供的PFM变频信号控制下导通和关断；提供给负载的电压经高频变压器转变后，在变压器副边输出频率变化的交流电，之后经整流二极管D1和D2整流为直流电，然后经电容C2滤波得到Vo.LLC谐振主电路可以利用谐振电感、励磁电感、谐振电容和负载谐振，实现原边MOSFET功率开关管零电压开通和副边整流二极管零电流关断，减小功率开关管的损耗.

图2 全桥LLC谐振变换器主电路原理图

Fig.2 Schematic diagram of main circuit of full-bridge LLC resonant converter

全桥LLC谐振主电路存在两个谐振频率，当变压器励磁电感不参与谐振时，谐振频率由Lr和Cr决定，即

(1)

当变压器励磁电感参与谐振时，谐振频率由Lr、Lm和Cr决定，即

(2)

根据开关频率fs的不同，LLC谐振变换电器存在3种工作模式[15].工作模式1为fmfr，此时副边整流二极管电流为连续，存在反向恢复损耗.

采用基波分析的方法[16]，可得到全桥LLC谐振变换器的直流电压增益为

图3 全桥LLC谐振变换器两种工作模式的主要波形

Fig.3 Key waveforms of LLC resonant converter in two working modes

(3)

图4 LLC电路增益与频率曲线图

1.3 正负脉冲生成电路

正负脉冲生成电路如图5所示.V1和V2为IGBT开关管，R1-R4为耗能电阻.通过IGBT开关和耗能电阻，将全桥LLC谐振变换器输出的直流电转换为正负脉冲给电池充电.正脉冲产生阶段，STM32控制开通V1和关断V2，实现正脉冲大电流对电池的充电；负脉冲产生阶段，STM32控制电池通过V2向R1-R4放电并将电能消耗，瞬时释放大幅度放电电流，即形成负脉冲放电电流.正脉冲和负脉冲之间有死区阶段，即V1和V2都关断，此死区时间给了蓄电池“歇息”的时间，电池内部能发生中和反应，有利于蓄电池接受较大的充电电流，加快充电速度.

图5 正负脉冲生成电路

2 电源充电方案

2.1 铅酸蓄电池充电特性

电动车充电电源主要针对铅酸蓄电池.对铅酸蓄电池充电需要满足铅酸蓄电池充电曲线.马斯定律的提出，令电池快速充电技术理论化.马斯定律指出，电池可接受电流能力随着充电过程的进行而逐渐下降[19].单一的充电方式不能充分利用电池充电特性，甚至可能损伤电池.

铅酸蓄电池长期处于放电或半放电状态时，极板上析出白色的PbSO4结晶会阻碍电解液的化学反应，因此在给铅酸蓄电池大电流充电之前，一般需要用小电流充电，把极板上的PbSO4结晶去除，达到激活电池的效果.铅酸蓄电池大电流充电充满80%后，电池接收电流的能力减弱，需要恒压减流，对电池进行涓流浮充到充满为止.文中针对铅酸蓄电池的充电特性，将阶段充电法和脉冲充电法相结合，组成4阶段+正负脉冲充电方式，实现铅酸蓄电池的快速充电.

2.2 4阶段+正负脉冲快速充电

按照正常的充电程序，4阶段+正负脉冲快速充电方式分为4个阶段：小电流激活→正负脉冲→恒压减流→涓流浮充，每个阶段的电压和电流的状态都不一样，直到充满为止.充电过程一直穿插判断电池是否充满、电池是否正确连接和故障保护判断.其充电时序图如图6所示.

图6 4阶段+正负脉冲充电时序图

Fig.6 Sequence diagram of four stages+positive and negative pulse charging

图6中，I表示充电电流，V表示电池电压.其中Imax为正脉冲最大充电电流，Imin为小电流激活电流和涓流浮充最大电流；Vcv为电池充满时的电压，Vo为电池未充电时的初始电压.

4阶段充电方式能根据马斯定律实时调整充电曲线，达到电池最佳充电效果.4阶段分别为：

第1阶段(0-t0):小电流激活.为避免长期不用的电池或新电池一开始就采用大电流充电影响电池的寿命，需要先对蓄电池实行小电流激活，再转入正负脉冲充电阶段.

第2阶段(t0-t1):正负脉冲.为达到快速充电的目的，加入脉冲充电，先进行正脉冲大电流充电，电池的容量增加，电压上升，极化效果明显；接着再放电，使电池反向通过一个较大的脉冲电流，消除极板孔隙中形成的气体，帮助浓差极化进一步消失，有助于提高电池接收电流的能力和延长蓄电池使用寿命.在脉冲充电后期，电压上升较快，则适时地转入恒压减流阶段.

第3阶段(t1-t2):恒压减流.正负脉冲充电终止后，电池并没充足电，为了保证电池充入100%的电量，对电池还要进行补足充电.此阶段充电采用恒压减流，可使电池容量快速恢复.此时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一阈值时，转入涓流浮充阶段.

第4阶段(t2-t3):涓流浮充.此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，只要在电池接在充电器上并且充电器接通电源，充电器就会给电池不断补充电荷，可使电池总处于充足电状态，也标志着充电过程已结束.

4阶段+正负脉冲充电程序流程图如图7所示.

图7 4阶段+正负脉冲充电流程图

Fig.7 Flow chart of four stages+positive and negative pulse charging

程序的工作原理为：系统初始化并判断电池正确连接后，进入小电流激活充电阶段，当该阶段时间到时，进入正负脉冲充电阶段；当该阶段电池充电电压达到设定阈值时，进入恒压减流阶段；当该阶段电池充电电流小于设定阈值时，进入涓流浮充阶段；当该阶段电池充电电流小于设定阈值时，可认为电池充电完毕.充电全过程支持不同充电阶段在线电池拔出关机、故障保护时序的判断、插入电池重新开机和充满关机的逻辑过程.

3 实验结果分析

为验证LLC谐振充电电源4阶段+正负脉冲快速充电方式的有效性，研制了一台LLC谐振充电电源系统样机，并对两节串联的铅酸蓄电池24V/(170Ah)容量电池组进行充电实验.样机选取的元件有：STM32F103RBT6控制芯片，EE65/32/27(PC40)高频变压器磁芯，IXFH60N50P3 MOSFET开关管，IXYS DPG60C200HB整流二极管.样机主要参数如表1所示.

表1 实验样机参数

3.1 电源软开关验证和效率测试

采用电阻负载模拟电池负载进行试验.LLC谐振充电电源接电阻负载，其电阻Ro=0.42Ω.

MOSFET功率开关管V4的GS驱动电压Vgs4、DS电压Vds4实测波形和谐振电感在fs=fr频段附近工作的谐振电流波形如图8所示.从图8可以看出：MOSFET管关断时有震铃，当MOSFET管两端电压(Vds4)下降到0V后，才给MOSFET管驱动电压(Vgs4)，此时MOSFET管导通，因此原边MOSFET功率开关管实现了零电压开通；当电源工作在fs=fr频段时，整个过程都是谐振电感、谐振电容和负载谐振三者发生串联谐振，励磁电感始终没有参与谐振，谐振电流刚好是正弦波，对外界和充电电源控制系统的电磁辐射干扰较小，有助于EMC和主电路的电磁抗干扰设计.

图8 V4的DS电压、GS驱动电压波形和谐振电感在fs=fr频段附近工作的谐振电流波形

Fig.8Vds,Vgswaveforms of V4and resonant current waveform of resonance resonant inductor working nearfs=fr

副边整流二极管电压Vd和次级电流Id实测波形如图9所示.从图9可以看出当副边整流二极管电压Vd下降到0时，此时次级电流刚好为0 A，副边整流二极管实现了零电流关断，二极管无反向恢复，次级电流正好临界连续.

图9 副边整流二极管电压和电流波形Fig.9 Voltage and current waveforms of secondary rectifier diode

由于电源的输出电流为70 A，所以分别采用电阻负载测试电流为55、60、65、70和75 A时工作在谐振点附近的电源效率.实际测量的效率如表2所示，效率曲线如图10所示.由效率曲线图可知，LLC谐振主电路工作在谐振点时效率最高，可达94.8%，高于传统移相全桥软开关电路.

表2 实际测量的效率

图10 实测的效率曲线

3.2 充电电源恒压和恒流外特性测试

对充电电源进行恒压和恒流外特性测试，由于充电电源电压主要工作在29.5 V附近，电流工作在70 A范围内，因此分别测试给定电压为27.5、29.5和31.5 V的条件下实际测量得到的恒压外特性曲线，如图11所示；给定电流为10、30、50和70 A的条件下实际测量恒流外特性曲线，如图12所示.由图11和12可知，充电电源在不同的输出电压和电流条件下均具有良好的恒压和恒流特性，能够满足铅酸蓄电池的充电要求.

图11 实测的恒压外特性曲线

3.3 充电电源充电试验研究

针对两节串联的铅酸蓄电池24 V/(170 Ah)容量电池组进行充电试验.铅酸蓄电池恒压充电的电压一般为电池电压的1.23倍左右，所以恒压充电的电压为29.5 V左右；正负脉冲充电正脉冲充电电流为0.35～0.45 C，正脉冲充电电流范围为59.5～76.5 A，设计充电电流为0.41 C，则额定充电电流为70 A.得到的4阶段+正负脉冲充电波形如图13所示.

图12 实测的恒流外特性曲线

图13 4阶段+正负脉冲充电波形

Fig.13 Current waveforms of four stages+positive and negative pulse charging

小电流激活为5 min恒流5 A电流充电，如图13(a)所示；在马斯第二和第三定律[19]的放电脉冲大小的理论指导基础上，用实验方法通过对不同脉冲参数进行循环充放电实验，获得了较优的脉冲充电参数：正负脉冲的正脉冲70 A，充电时间800 ms，接着死区时间50 ms，负脉冲60 A放电时间50 ms和死区时间50 ms，正负脉冲充电直到检测到电池电压为28.8 V为止，如图13(b)所示；正负脉冲大电流充电之后，电池一般只充了80%左右，改用30 V低电压恒压减流对电池充电，直到充电电流小于5 A为止，如图13(c)所示；涓流浮充过程限压为30 V，即最大充电电压不超过30 V充电，用5 A恒流充电直到充电电流小于2 A，控制系统认为电池充满充电结束，如图13(d)所示.

对4阶段+正负脉冲和恒流充电的电池电压进行对比试验，电池电压大小表示电池的充满情况.两节串联的铅酸蓄电池24 V/(170 Ah)容量电池组放电到23 V左右后，分别用4阶段+正负脉冲与恒流给电池组充电.由于4阶段+正负脉冲充电方式更符合马斯定律充电曲线，消除电池极化作用理想，有助于提高电池接收电流的能力，充电电流可达0.35～0.45 C，而一般的纯直流即恒压或恒流充电电流仅为0.10～0.25 C.在此试验中，4阶段+正负脉冲充电电流为0.41 C，恒流充电电流为0.2 C，充电过程的电池电压变化如表3所示.得到电池电压与时间的关系对比图如图14所示.由图14可知4阶段+正负脉冲充满电池的时间约为3.5 h，而恒流充电需要大约5.5 h，表明4阶段+正负脉冲充电速度比恒流充电速度快，能提高铅酸蓄电池接受大电流充电电荷的能力.

表3 电池电压的变化

图14 电池电压的变化对比图

4 结论

文中针对传统电动车铅酸蓄电池充电方式效率低、充电速度慢、单一充电方式不符合电池充电曲线等问题，研制了一种以STM32为控制核心的电动车LLC谐振充电电源系统，采用4阶段+正负脉冲充电时序进行充电试验，得到主要结论如下：

1)所研制的电动车LLC谐振充电电源系统具有良好的恒压和恒流外特性，能实现原边MOSFET功率开关管零电压开通和副边整流二极管零电流关断，效率可达94.8%，高于传统移相全桥软开关电源效率.

2)铅酸蓄电池充电试验结果表明，所研制的电动车LLC谐振充电电源系统能顺利地进行4阶段+正负脉冲充电，符合电池充电曲线，可以减少过充电及析气极化现象.

3)4阶段+正负脉冲和恒流充电的电池电压对比试验结果表明，4阶段+正负脉冲充电速度比恒流充电速度快.

[1] YILMAZ M,KREIN P T.Review of battery charger topologies,charging power levels,and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(5):2151-2169.

[2] BECHERIF M,PERA M C,HISSEL D,et al.Estimation of the lead-acid battery initial state of charge with experimental validation [C]∥Proceedings of Vehicle Power and Propulsion Conference.Seoul:IEEE,2012:469-473.

[3] MANIKTALA S.精通开关电源设计 [M].王志强,译.北京:人民邮电出版社,2008.

[4] RUAN X B,YAN Y G.Soft-swiching techniques for PWM full-bridge converters [C]∥Proceedings of Power Electronics Specialists Conference.Galway:IEEE,2000:634-639.

[5] 杜贵平,陈爽,何正东,等.基于DSP+CPLD 的大功率高效电动汽车充电电源 [J].华南理工大学学报(自然科学版),2014,42(6):12-16. DU Gui-ping，CHEN Shuang，HE Zheng-dong,et al.DSP+CPLD-based high-power efficient charging power supply for electric vehicles [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2014,42(6):12-16.

[6] CHO J G,SABATE J A,HUA G,et al.Zero-voltage and zero-current-switching full bridge PWM converter for high-power applications [J].IEEE Transactions on Power Electronics,1996,11(4):622-628.

[7] 张欣，陈武，阮新波.一种辅助电流可控的移相全桥零电压开关PWM变换器 [J].电工技术学报,2010,25(3):81-88. ZHANG Xin,CHEN Wu,RUAN Xin-bo.A novel ZVS PWM phase-shifted full-bridge converter with controlled auxiliary circuit [J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(3):81-88.

[8] PAHLEVANINEZHAD M,PAN S Z,JAIN P.A ZVS phase-shift full-bridge DC/DC converter with optimized reactive current used for electric vehicles [C]∥Proceedings of Industrial Electronics Society Annual Conference.Vienna:IEEE,2013:4546-4551.

[9] 王震波.电动车辆动力电池系统及应用技术[M].北京：机械工业出版社,2012.

[10] 赵晨,石洋,吴新科,等.三元件串联LLC谐振变流器的优化设计策略 [J].电工技术学报,2008,23(1)：65-71. ZHAO Chen,SHI Yang,WU Xin-ke,et al.Optimal design strategy for three components series LLC resonant converter [J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(1)：65-71.

[11] 胡海兵,王万宝,孙文进,等.LLC谐振变换器效率优化设计 [J].中国电机工程学报,2013,33(18):48-56. HU Hai-bing,WANG Wan-bao,SUN Wen-jin,et al.Optimal efficiency design of LLC resonant converters [J].Proceedings of the CSEE,2013,33(18):48-56.

[12] 吴开源,兰艳林,李华佳,等.一种基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器:201210311710.7 [P].2013-01-02.

[13] BUCCELLA C,CECATI C,LATAFAT H,et al.Obser-ver-based control of LLC DC/DC resonant converter using extended describing functions [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(10):5881-5891.

[14] FANG Z J,CAI T,DUAN S X,et al.Optimal design methodology for LLC resonant converter in battery charging applications based on time-weighted average Efficiency [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(10):5469-5483.

[15] YANG B.Topology investigation for front end DC/DC power conversion for distributed power system [D].Blacksburg:Virginia Polytechnic Institute and State University,2003.

[16] STEIGERWALD R L.A comparison of half-bridge resonant converter topologies [J].IEEE Transactions on Power Electronics,1988,3(2):174-182.

[17] 李菊,阮新波.全桥LLC 谐振变换器的混合式控制策略 [J].电工技术学报,2013,28(4):72-79,94. LI Ju,RUAN Xin-bo.Hybrid control strategy of full bridge LLC converters [J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(4):72-79,94.

[18] 苏少侃,阮新波,叶志红.自激式LLC谐振变换器 [J].电工技术学报,2011,26(12):85-92. SU Shao-kan,RUAN Xin-bo,YE Zhi-hong.A self-oscillating LLC resonant converter [J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(12):85-92.

[19] 钱健.快速充电——马斯三定律 [J].蓄电池,1979,18(2):18-24. QIAN Jian.Fast charging—Maas three lows [J].Battery,1979,18(2):18-24.

Power Supply System for LLC Resonant Charging of Electric Vehicles

WUKai-yuanWANGJia-jiaYINTongZHANGTao

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Proposed in this paper is a STM32-based LLC resonant charging power supply system for electric vehicles, which employs digital PFM (Pulse Frequency Modulation) for the system control and adopts an LLC resonant topology as well as a four stages+positive and negative pulse charging scheme that meets the charging requirements of lead-acid battery. Test results demonstrate that (1) the proposed power supply system helps to implement the whole-course soft switching state of the main circuit of LLC resonant converters; (2) the main circuit of LLC resonant converters always operates in the primary-side MOSFET ZVS and the secondary-side rectifier diode ZCS soft-switching state, which improves the power conversion efficiency; and (3) the combination of battery charging curves and four stages+positive and negative pulse charging scheme can reduce the overcharging as well as gassing polarization, protect the battery and increase the charging speed.

electric vehicle; charging power supply; lead-acid battery; positive and negative pulse charging; LLC resonance; STM32 chip

2016-07-14

广东省科技计划项目(2013B010402002) Foundation item: Supported by the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2013B010402002)

吴开源(1978-)，男，博士，副研究员，主要从事逆变电源及其数字化智能控制研究.E-mail:wuky@scut.edu.cn

1000-565X(2017)04-0051-08

TM 46

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.04.008