车载充电机的应用

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摘要：本文分析了车载充电机在电动车辆（EV）或混合动力电动车辆（H EV）在48～800 V电压范围内为动力电池充电上的应用，车载充电机的功能，常用的拓扑结构，以及使用Microchip 16位MCU在数字电源设计上的优势。

关键词：MCU；车载充电；拓扑结构

DOI： 10.3969/j.issn.1005—5517.2018.7.021

随着我国成为全球最大的汽车销售市场，汽车行业也进入发展新阶段。近几年，我国也不断提倡发展包括新能源汽车在内的节能汽车，其中电动汽车（ EV）和混合动力汽车（ HEV）成为热点，而车载充电（OBC）是电动汽车应用中的一大重要部分。

1 车载充电机工作原理

直流充电机由电网输入交流电，经过桥式可控整流电路整流后，通过PFC调制，后级滤波后提供给高频DC-DC功率变换器，功率变换器经过AC-AC变换输出需要的直流电压，再次经过电容滤波后为电动汽车动力蓄电池或者锂电池进行充电，车载充电器对电动汽车进行充电是电力从AC转DC的一个过程。

以全桥充电机为例，简单的动力电源部门框图如图

2 所示。

2 车载充电机分类以及充电形式

目前车载充电机按照输入AC来分，可以分为单相和三相车载充电机：从市场应用广度来看，因为限于重量和尺寸，较少有大于11 kW的充电机。

车载充电机安装到EV或者HEV电动车上，车与充电基础设施间采用了标准的交流保险丝和连接器，我们称之为交流桩，这种交流桩起到安全供电，出现过流过压等突然状况，可以将熔丝熔断，或者通过压敏进行电压保护，从而保护充电机不受到损坏，同时现在车载充电机都是使用电子式控制和调节，往往在充电机内部也已经加入保护单元。

如图3，目前充电方式，车载充电机使用左侧的方式。右侧是直流充电桩，充电桩功率较大，多大于15KW，作为电动车的集中充电使用。

3 车载充电机的特点

车载充电机的特点可以用六个字概括：智能、安全、高效。

·高功率因数：交流输入采用有源功率（ PFC）因数校正，功率因数>0.98，实现绿色电网；

·高效率：整机采用LLC谐振软开关变化技术，满载效率>94.0%，发热量小、可靠性高：

·宽电压输入范围：90 VAC～264 VAC，满足国内外电网的需求；

·安装方便：采用风冷式密封防水结构，温升比自然冷却低，整机可靠性高；

·对电池采用智能充电：内置微处理器，充电过程中判断电池的相对容量和识别环境温度，根据电池的相对容量大小和环境温度采用不同的充电曲线，全过程恒流控制，电池均衡性好，能有效延长电池使用寿命。

4 车载充电机的保护功能

·过热保护：当充电器内部温度超过80。C时，充电电流自动减少，超过87。C时，充电机关机保护，温度下降时，自动恢复充电：

·电池反接保护：电池接反时充电器内部电路与电池断开，不会损坏充电器：

·空载保护：不接电池时无输出：

·短路保护：输出短路时充电器内部电路与电池断开，只有当故障排除后重新接入电池才可恢复充电；

·充满自动关机：充电器判断电池充满后自动关机。

通过以上分析可看出，车载充电机充分考虑车载使用的场合，进行严格自我保护措施，保证充电对人身和电动汽车的保护同时转换效率也比较高。

5 车载充电机目前常用的拓扑结构

对于拓扑结构，本文按照常用的拓扑举例说明，主要是PFC（功率因数）和LLC（DCDC转换）两部分。PFC由两个独立升压转换器并联连接，180度反相工作，非常适合尺寸受限的大功率应用。图5是交叉式PFC各部分的波形，其中两路PWM是交叉式PFC的MOS控制信号，后面是各部分的电流波形。

交错式PFC（图4）的优点：

电感纹波电流是反相的，趋向于相互抵消。当占空比为50%时，可以实现最佳的电流纹波消除。电感存储电能要求是单相PFC的二分之一（磁量减小）交错还可减小输出电容纹波电流效率更高导通损耗为单相的二分之一；最大纹波电流将出现在最小输入电压的峰值处（85Vac）。大约70%的占空比产生约为电感纹波电流60%的输入电流纹波。

目前看，车载充电机大多都是采用LLC作为DCDC的主要拓扑结构，如图6所示。串并联谐振LLC拓扑优点为高效率、低噪声、高功率密度、无法对输入电压进行降压或升压通过改变开关频率来控制输出电压（占空比是恒定的50%）具有两个工作区域：电感区域，允许零电压开关（ ZVS）；电容区域，允许零电流开关（ZCS）。

6 车载充电机拓扑结构的实现方式

从目前常见电路设计来看，其电路拓扑结构的设计主要分为两类：

1）采用硬件方式的PFC+LLC

采用『nfineon公司的专用芯片IDP2303：同时采用单片机进行软件辅助的方式，通过内置单片机来进行充电过程中判断电池的相对容量和识别环境温度，根据电池的相对容量大小和环境温度采用不同的充电曲线，全过程恒流控制；软件辅助部分采用8 bit MCU就可以完全实现，8bit MCU内置充电曲线，能够给所需要的电池选择不同的充电曲线：以车载充电机厂商经常使用的MicrocHip公司PIC18F系列MCU PlC18F45K80-I/PT为例，该器件带有CAN通信接口，能够满足客户CAN 250 K的通信速率，同时这颗MCU具有数字存储功能，可以节省外部存储器：这种采用硬件PFC+LLC的能力传递方式，辅助以单片机系统进行外部参数的测试，传递给硬件的PFC和LLC進行参数设置，另外单片机进行辅助也提供了良好的人机交互界面，目前为众多车载充电机的生产厂商采用：这种做法的优点是可以通过模拟芯片进行AC到DC的能量传递，减少软件算法的难度，而辅助的8 bitMCU，只是进行辅助功能的检查，帮助降低软件难度，为开发人员提供极为方便地人机交互。

2）采用纯数字处理方式

所谓数字的处理方式，就是通过专用的MCU进行车载充电机的电源算法，模拟硬件PFC和LLC的控制方式，同时具有更加灵活的控制方式，另外还可以规避硬件方式的缺点；目前在数字单片机进行电源算法的实现，通常使用16bit或者32bitMCU。

例如Microchip的16bitGS系列控制器芯片，专门为数字电源控制设计，带有丰富的数字电源外设，内置的运算放大器高达40 M的带宽，完美的适合数字电源的设计，32位乘法器，以及单周期的乘法器和触发器极大方便算法的运算，高分辨率的PWM（1.04 ns PWM分辨率）和12bit的AD，极大地提高了PWM调制的精度和采用的精度。

关于软件方面，Microchip公司为了方便客户设计，在软件开发环境MPLAB XIDE中集成了DCDT數字补偿器设计软件，方便开发人员进行数字补偿器的设计。

7 充电机数字电源设计实例

开发人员使用dspic33 GS系列设计一个数字电源，采用交错式PFC+半桥LLC结构。交错式PFC，如图7所示。

软件实现电流和电压补偿时，对于不同的系统，调节入口参数使用到不同系统。如图8所示。

LLC半桥：

开发人员可以根据自己的设计的系统进行配置，如图9是三型补偿器3P32的系数计算。

8 结论

车载充电机发展趋势是数字化控制系统，Microchip公司有专用的车载充电机电源控制MCU，并为广大的车载工程师提供更合适开发设计的16bit GS系列控制芯片，同时提供了数字补偿器的设计软件，方便工程师进行参数的设置，缩短产品最终上市时间。

参考文献：

[l]Antonio Bersani，Alex Dumais and Sagar Khare Microchip Technology inc. AN1336 DC/DCLLC Reference Design Using the dsPIC DSC

[2]Meeravali Shaik and Ramesh Kankanala Microchip Technology Inc. AN1477 Digita！Compensator Design for LLC Resonant Converter777

[3]Andreas Reiter and Alex Dumais Microchip Technology Inc.AN1421 Platinum-rated AC/DCReference Design Using the dsPIC

[4]邱慧.车载充电机拓扑结构对比[J].电子技术与软件工程，2017（8）