固定式汽车直流充电机的设计

陈志刚

（苏州高等职业技术学校，江苏 苏州）

1 固定式汽车直流充电机的性能要求

固定式汽车直流充电机的性能要求涵盖了输出功率、充电效率、充电速度、充电安全性、故障诊断和维护性等方面。随着电动汽车的快速发展，充电机的性能要求也会不断提高，以满足用户对充电设备的需求。

足够大的输出功率：直流充电机的输出功率是衡量其性能的重要指标之一。一般来说，汽车直流充电机的输出功率要能够满足不同类型的电动汽车的充电需求。直流充电机的输出功率需要在50 kW 到800 kW 之间。为了满足不同车型的需求，充电机应具备输出功率可调节的特性[1]。

充电效率高：充电效率是电能从充电机输入到电动汽车电池中的转换效率。充电效率越高，充电损耗就越小，充电时间也相应缩短。汽车直流充电机的设计应尽量提高其充电效率，减少能量损耗，高性能的充电机充电效率达95%。

充电速度快：充电速度是衡量充电机性能的重要指标之一。随着电动汽车的普及，用户对汽车充电时间要求越来越高。直流充电机应具备较快的充电速度，在20～30 min 充满80%，用户能获得较好的充电体验。

充电安全性好：充电安全性是直流充电机的必备的性能要求。充电机应具备多重安全保护措施，如过流、过压、过温等保护功能，以保障充电安全可靠进行。

具备故障诊断和维护性：直流充电机应具备故障诊断功能，能够实时监测充电机运行状态，并对可能出现的故障进行诊断和报警。此外，充电机的维护性也应良好，方便维修和保养[2]。

2 固定式汽车直流充电机的基本结构

固定式汽车直流充电机的主要组成部分包括：电源模块、控制模块、通信模块、充电插头、保护单元等，如图1 所示。

图1 固定式汽车直流充电机构成

电源模块是充电机的核心部分，负责将电网的交流电转换为直流电，给电动汽车充电。电源模块一般由整流电路构成，将交流电转换为稳定的直流电源[3]。控制模块负责对充电机进行控制和管理，包括充电电流、充电电压的控制；故障诊断和报警等。控制模块通常由微控制器和相关传感器构成，可以实现充电机的智能化控制。通信模块负责与电动汽车进行通信，以实现充电机与车辆之间的信息交互。通信模块可以采用有线或无线的方式与车辆进行通信，并传输充电状态、充电进度、充电数据等信息。充电插头是连接充电机和电动汽车的关键部件，负责传输电能。保护装置主要包括过流保护、过压保护、过温保护等，用于保护充电机和充电设备的安全[4]。如图2 所示。

图2 固定式汽车直流充电机保护装置

在充电过程中，如果出现电流、电压或温度超过安全范围，保护装置会自动切断电源，以避免电动汽车和充电设备的损坏。充电机还需要配备液晶显示等附属部件，以提供更好的用户体验和安全性能。

3 固定式汽车直流充电机的工作原理

固定式汽车直流充电机的工作原理是直流充电机通过电源转换电路将交流电转换为直流电以供给电动汽车进行充电，转换过程主要有三相PFC 整流，DC 变化、滤波等。还具备充电保护、温度保护、视频显示、音频提示、散热保护等功能，保障系统稳定运行的同时提供较好的用户体验。固定式汽车直流充电机主电路如图3 所示。

图3 固定式汽车直流充电机主电路

整流过程采用基于Vienna 整流器的三相PFC 装置。Vienna 整流器是一种三电平变换器，使用三组大功率的MOSFET 将交流电转换为单向的直流电流[5]。采用无桥臂直通的方式从而避免了死区时间的设置，同时降低了开关损耗、控制的复杂性，增大了有限占空比，使得可靠性得到了大幅提高。整流过程实现将电流的正半周期变为正电流，负半周期变为零电流。

Vienna 整流器电路拓扑结构如图4 所示。整流器电路由六个二极管组成，根据二极管的单向导电特性，将交流电的负半周导通的那个二极管通电，而将正半周导通的那个二极管截止，从而将交流电转换为单向的直流电。S1、S2、S3采用双向开关，每个开关由两个MOS 管组成，构成反并联二极管，共用驱动结构。整流器电路中的电容器可以平滑输出的直流电压波动，使得输出的直流电具有较低的纹波。同时，为了保护整流器电路和充电系统，还可以添加保护电路，如过流保护、过压保护和温度保护等。

图4 Vienna 整流器电路拓扑结构

在汽车直流充电机工作过程中，由于电源电压的不稳定以及其他因素的影响，充电电流往往出现波动和噪声。这些波动和噪声对于电池充电过程来说是不利的，会降低充电效率，增加能量损耗，甚至损坏电池[6]。汽车直流充电机滤波电路用来过滤掉充电过程中产生的电流波动和噪声，它由滤波电容和滤波电感组成，通过这两种元件的组合能够有效地滤除充电过程中的高频噪声和脉动电流，使输出电流更加稳定。滤波电容的容值越大，存储的电荷越多，充电电流的脉动越小，滤波效果越好。滤波电感则能够通过电感的自感作用来阻挡高频电流的传输。它通过线圈的电感特性来阻抗高频电流的传输，只允许低频电流通过，从而减少高频噪声的干扰。滤波电感的阻抗与频率成正比，因此在设计滤波电感时需要考虑充电机的工作频率。滤波电容和滤波电感通常串联连接在充电机的输出端，以便能够有效地滤除电流波动和噪声。目前普遍采用同时切比雪夫滤波器，如图5 所示为五阶切比雪夫电路拓扑结构，其介数可通过阶数公式计算所得。为了进一步提高滤波效果，还可以添加额外的补偿电路，如电压稳定器、功率放大器等。

图5 五阶切比雪夫电路拓扑结构

整流输出 滤波输出

切比雪夫滤波器阶数公式：

多项式的一般形式为：

通过滤波电容和滤波电感的组合来实现这一功能，同时还可以添加其他补偿电路来进一步提高滤波效果。在实际应用中，需要根据充电机的工作频率和滤波要求来选择适当的滤波电容和滤波电感。

4 固定式汽车直流充电机的充电管理

固定式汽车直流充电机必须进行有效的充电管理，充电管理是通过控制充电电流、电压和保护功能，对电池的充电过程进行合理管理和控制，以确保充电的安全、高效和可靠。充电管理的优化能够提高电池的寿命和性能，并提供良好的用户体验。充电管理流程如图6 所示。

图6 充电管理流程

充电电流控制：根据电池的充电状态和充电需求控制充电机的输出电流。充电机通常具有可调节的输出电流功能，以适应不同类型和容量的电池。通过合理控制充电电流可以提高充电效率，并避免过度充电或过快充电造成的损害。

充电电压控制：根据电池的工作电压范围控制充电机的输出电压。充电机应能够提供稳定的输出电压，以满足电池充电的需求。同时，充电机还需根据电池的充电状态和充电特性，调整输出电压以实现最佳的充电效果。

充电保护功能：充电机应配备多种保护功能，以确保充电过程的安全性和可靠性。常见的充电保护功能包括过流保护、过压保护、过温保护和短路保护等[7]。这些保护功能能够监测电池和充电机的工作状态，并在异常情况下自动中断或调整充电过程，以防止设备损坏或安全事故的发生[8]。

充电状态监测和显示：充电机通常具有充电状态监测和显示功能，可以实时监测充电电流、电压和充电时间等参数，以供用户查看和控制。这些信息能够帮助用户了解电池的充电状态，以便做出合理的操作和决策。

结束语

固定式汽车直流充电机的意义和价值体现在推动电动汽车普及、解决充电设施不足、节约能源资源以及促进清洁能源发展等方面。电动汽车在充电过程中可采用清洁能源来供电，因此汽车直流充电机的发展能够带动清洁能源发电设施的建设和利用，促进可再生能源的开发和利用，推动能源结构的转型和可持续发展。汽车直流充电机的发展和应用已经成为现代交通领域的重要任务和发展方向，对推动可持续交通和环境保护具有重要推动作用。