电动汽车集成式充电系统设计与应用

刘洪世　黄小洪　秦健璇　邓海文　黄祖朋

【摘  要】车载充电系统是电动汽车进行能量交换必不可少的零部件之一，性能良好的车载充电系统对于电动汽车的发展有着至关重要的作用。本文提出一种集成式充电系统的结构和拓扑，通过样机验证其性能完全满足行业指标要求，且成本和体积具有十分显著的优势。

【关键词】电动汽车；集成式；车载充电系统；OBC；DC/DC

中图分类号：U469.72    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）06-0033-03

Design and Application of Integrated Charging System for Electric Vehicle*

LIU Hong-shi，HUANG Xiao-hong，QIN Jian-xuan，DENG Hai-wen，HUANG Zu-peng

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Guangxi Key Laboratory of

Automobile Four New Feature，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】Vehicle-mounted charging system is one of the essential parts for the energy exchange of electric vehicles. The vehicle-mounted charging system with good performance plays a vital role in the development of electric vehicles. In this paper，the structure and topology selection of an integrated charging system are proposed，and a prototype is made to verify that its performance fully meets the requirements of industry indicators，and has significant advantages in cost and volume.

【Key words】electric vehicles；integrated；vehicle charging system；OBC；DC/DC

新能源汽车以能源利用率高、污染少、出行使用成本低等优点成为当前汽车產业主流的发展方向。中国在2012年6月国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020）》中明确指出了电动汽车、插电式/增程式混合动力汽车和燃料电池汽车作为未来重要发展方向[1]。

对于纯电动汽车而言，动力电池是电动汽车的动力来源，动力电池的充电技术是发展电动汽车的关键技术之一。设计一套良好的充电系统不仅能够保证充电安全、提升时间效率，还能有效延长电动汽车续航里程和动力电池的使用寿命。当前市场，电动汽车充电系统中车载单体分布式、集成式或非车载式等多技术路线并存，随着电动汽车对可靠性、高效性、轻量化等有了更高的要求，集成式的充电系统越来越受青睐。

本文设计了一种车载集成式充电系统，其分别集成了车载充电机（On-Board Charger，OBC）、DC/DC变换器、高压配电盒等电动汽车的关键零部件。该集成方案显著减少汽车体积和质量，节约成本，同时充电也非常方便，在搭铁良好的情况下只要有220V交流电就能充电，并且能兼容市场上几乎所有的交流充电桩（非标桩除外）。

1  系统总体结构设计

集成式充电系统的结构框图如图1所示，系统将车载充电机、直流/直流变换器（DC/DC Converter，DC/DC）和电动汽车的高压配电盒（Power Distribution Unit，PDU）进行集成。车载充电机部分采用当前主流的两极结构，即前级用的是带有有源功率因素矫正（APFC）的Boost型交流转直流（AC/DC Converter，AC/DC）矫正模块，其可提高输入的功率因数和抑制高次谐波，使总谐波的失真较小，再经过第2级使用隔离与调压的DC/DC变换模块，最后进行整流滤波后输出电能给动力电池进行充电。这种结构能有效抑制输入电流的谐波，对电网的污染较小，可实现低谐波高功率因数的需求，同时又可为负载提供一个宽输出电压范围、低纹波、高品质的直流电，具有宽负载范围充电、高功率密度、高效率和高可靠性的特点。

车载DC/DC变换器通过其直流（DC）输入部分与车载充电机的输出部分进行并联集成，充电时可直接取OBC的电能供给DC/DC变换器工作，车辆上高压时可直接将动力电池的电能通过PDU配电到DC输入端，供其正常工作输出。该DC/DC变换器的输入前级巧妙地利用Boost升压电路，将宽范围的输入电压调节为稳定电压，作为后级电路的输入；后级使用移相全桥加同步整流电路，从而可实现在整个工作范围内主开关管零电压开通。PDU在电动汽车中的作用是给各高压电器进行电能配送或相关控制的功能模块。

2  集成式充电系统模块电路设计

2.1  APFC主电路结构设计

2.1.1  APFC工作原理[2]

APFC电路主要由抑制电路和Boost升压电路构成，对充电机的交流输入电流进行功率校正，对于单相输入一般PFC电路输出的直流电压在350～400V之间。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流的波形完全跟踪交流输入电压的波形呈纯正弦波形，并且和输入电压同相位。本文采用平均电流法控制进行功率因数校正，可使电路的失真率达到最小，能够更好地抑制电路的谐波电流的波动，并且可以采用连续导通模式（CCM）和非连续导通模式（DCM）。用该控制方法控制的APFC输入电流波形如图2所示。

针对采用平均电流控制的升压型APFC电路，一般需要对输入电压、电感电流和输出电压进行同时检测，其控制框图如图3所示[3]。控制框图中，主要由电压外环电路和电流表内环电路构成双闭环系统，外环电路主要提供电压控制信号，经过乘法器运算后作为内环的基准信号，并与输入电流进行比较，而后进入电流内环电路，然后再输出PWM波的电压信号控制功率MOS开关管的通断来调整电流波形，使输入电流波形紧跟输入电压波形。

2.1.2  APFC的主電路结构拓扑

该电路拓扑主要包含以下几个部分。

1）输入过流保护熔断器，用于防止充电时输入电流过大而损坏后级电路。

2）EMI抑制电路，主要由X电容、Y电容和共模电感等元器件组成，用于防止充电时充电机与电网之间的谐波影响，防止污染电网，目的是滤除所有电磁干扰对系统电路和其他电气设备之间的影响。

3）软启/预充电路，用于防止输入电路在上电瞬间冲击及浪涌电流过大而导致熔断器、电容器、整流桥等电路元件损坏或影响其使用寿命，以保证充电系统能够正常工作运行。

4）整流电路，主要由整流桥组成，用于将交流市电转变为正弦半波直流电。

5）基于Boost升压型的有源功率因素校正（APFC）电路，主要由PFC电感、电容、电阻、二极管、功率MOS开关管组成，用于直流升压和电流的相位跟随电压调整，以及为后级的LLC全桥变换电路提供稳定可靠的直流电能。同时Boost电路将电压升高后的优势是能够降低同功率下的电流，从而降低电路损耗和发热量，提高转换效率[3]。其主电路结构图如图4所示。

2.2  LLC谐振变换模块设计

对于电动汽车的OBC模块而言，其PFC电路后级的变换电路中当前主流的方案是移相全桥直流变换器和LLC串联谐振全桥变换器。鉴于电动汽车的动力电池组的充电特性和充电系统高效率、大功率的应用要求，本文选择LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的拓扑方案，因为其具有以下优点[4]。

1）可以增大开关频率来减小无源器件体积，提高功率密度。

2）在全负载范围内功率开关管都能实现ZVS零电压开通，极大地降低了开关损耗。

3）副边的整流二极管能实现ZCS关断，且不存在反向恢复问题。

4）电压调节性能好，通过变压器可以进行电气隔离和升降压变换，输出电压宽范围。

5）能够更好地实现在恒流-恒压（CC-CV）模式的宽负载范围内的高效运行。

LLC串联谐振全桥变换器的主电路结构如图5所示。

图5中的Q₁～Q₄为功率MOS开关管，构成全桥逆变电路，Q₁和Q₄为一组，Q₂和Q₃为一组，两组开关交替导通。驱动信号的占空比取49%，小于但接近于50%，目的是在逆变桥臂切换的过程中保留一定的死区。D₁～D₄和C₁～C₄为MOS管的寄生二极管和寄生电容，D₄和D₅为副边的整流二极管。谐振电感L_r、谐振电容C_r和励磁电感L_m构成串联谐振网络，C_f为滤波电容，原、副边通过高频变压器进行电气隔离。当开关频率fs满足f_r＜f_s＜f_m时[5]，即可实现原边主开关管ZVS导通和副边整流二极管的ZCS关断工作。并且该部分电路采用基于DSP数字控制的PFM+PWM控制模式[6]，即在宽范围输出电压的低压轻载段（高频段）采用PWM控制，在高压输出和负载大电流输出的区段（低频段）又切换为PFM控制，该控制方式可以良好地调节输出电压的作用。

3  集成式充电系统DC/DC模块电路设计

由于本文中DC/DC变换器模块的功能及作用是为电动汽车的低压蓄电池进行恒压充电，即为整车低压电器及控制系统提供稳定的电源。在当前新能源乘用车领域，低压蓄电池一般都采用的是铅酸蓄电池或锂电池方案，但由于成本、安全、空间布置等因素，市场主流基本采用标称电压为12V铅酸蓄电池方案，结合铅酸电池的充电特性及14V恒压输出的供电模式。本文将采用与前述的OBC中LLC变换电路中不同的一种电路拓扑，即带钳位二极管的移相全桥变换拓扑结构，如图6所示。

图6中，电感L₁、开关管Q₁、二极管D₁和电容C₂共同组成一个典型的Boost升压电路环节，其作用是为移相全桥逆变电路的输入级电路提供一个更加稳定的输入，让输入电压的范围更大，能更好地应对电动汽车复杂的工况变化。Q₂～Q₅为功率MOS开关管，构成全桥逆变电路，并通过高频变压器T进行隔离降压变换至副边侧，再通过Q₆～Q₇MOS管进行同步整流成14V低压直流电；L_f和C_f构成副边整流侧的L_C滤波电路；L_r为谐振电感，轻载时也能实现ZVS功能；D₂～D₃为钳位二极管；C_b为隔直电容，防止变压器磁饱和作用。综上可得出图6的电路拓扑结构较传统移相全桥电路具有以下优点[7]。

1）具有更宽的输入电压范围，稳定性更高。

2）即使轻载时，滞后桥臂也能实现ZVS。

3）在原边侧增加钳位二极管，可以抑制副边整流管的电压振荡，减少反向恢复损耗，同时又不增加额外损耗。

4）副边侧使用MOS管替代二极管，可以降低导通损耗，提高整机效率。

4  样机验证

4.1  台架测试

本文根据上述的方案制作出了一台3.3kWOBC+1.0kWDC+PDU的充电系统样机（图7）进行测试，测得在额定功率下功率因数≥0.996，OBC输出功率≥0.95，DC转换效率≥0.93（表1），满足并优于国标及行业普遍要求。

4.2  实车充电验证

將该样机进行实车充电验证，由图8可知，测试的结果满足动力电池的恒流-恒压充电曲线，在整个满充过程中，充电前期基本都是恒功率输出，随着输出电压的逐步上升，输出电流也跟着反比下降，到充电末期进入涓流充电，直至充满后停止。

5  结论

本文深入研究了集成式车载充电系统的结构和主电路拓扑，将OBC、DC/DC和PDU进行了集成设计，其中OBC模块采用APFC+LLC主电路拓扑，DC/DC变换器模块采用移相全桥+同步整流电路。通过实施该方案制作样机并测试，测得集成式车载充电系统在额定功率下系统功率因素≥0.996，OBC输出功率≥0.95，DC转换效率≥0.93，证明了该集成式车载充电系统具有高效节能的优势。

参考文献：

[1] 张厚明，赫荣亮，周禛. 电动汽车产业发展趋势展望与对策[J]. 中国国情国力，2019（6）：61-64.

[2] 陈丽颖，张煜丽，杨倩，等. 电动汽车车载充电系统的优化研究[J]. 齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2017，33（1）：48-50，57.

[3] 王虎，高桂芬. 电动汽车车载充电机的研究与设计[J]. 长春工业大学学报，2018，39（4）：356-361.

[4] 赵文辉，沈艳霞. 电动汽车车载充电机拓扑研究综述[J]. 控制工程，2019，26（1）：29-36.

[5] 许杰，马小三. LLC谐振变换器拓扑结构综述[J]. 西安文理学院学报（自然科学版），2022，25（1）：10-18.

[6] 包尔恒，郑大成，何玲. LLC谐振变换器PFM+PWM混合控制方法研究[J]. 电子器件，2022，45（1）：102-105.

[7] 金宁治，俄立明，马腾，等. 电动汽车车载移相全桥变换器改进研究[J]. 电机与控制学报，2021，25（9）：70-77.

（编辑  杨凯麟）