用于电动汽车的一种车载智能快速充电器研究

1 引言
绿色环保、节能减排是世界各国在发展经济和建设国家中必须面对的挑战。为此，以替代传统燃油汽车并消除尾气排放造成环境污染及对石油资源过度消耗的电动汽车则成了汽车业发展的新宠和潮流，许多发达国家和发展中国家都投巨资进行电动汽车新产品的研发和市场开拓。
车载电动汽车充电器是电动汽车规模化、商业化后不可缺少的组成部分，犹如燃油汽车必需的加油站。如何实现车载充电器对蓄电池快速无损伤充电是电动汽车投放市场前必须解决的关键技术之一。本文设计的充电器是一种安装在电动汽车上的车载充电装置。本设计是通过对目前车载蓄电池的发展现状和发展前景进行分析，并以当前使用广泛的阀控密封铅酸电池进行研究后，在技术上采用了目前较为先进并成熟的逆变技术。本产品具有体积小、重量轻、效率高、调节范围大等特点。同时从功能角度考察，它也适合用于镍镉、镍氢、锂离子等类型的动力蓄电池，因此，具有广泛的实用价值。
2 智能快速充电系统的总体结构
结合当前电动汽车电能供给的典型方式和充电电源的发展状况，本文设计了一种智能充电系统，请见图1所示。系统电路采用了AC/DC-DC/DC的设计结构。首先是将220V的交流市电经EMI滤波、PFC校正电路变为380V的直流，然后用DC/DC半桥变换器及相应的控制电路，以保证输出电流和电压能够满足充电电池的需要。其中，PFC的控制电路主要由MOSFET管、Boost升压电感、控制芯片ICE2PCSO1以及直流滤波电容组成。DC/DC变换器采用半桥式拓扑，主要由高频变压器、MOSFET管以及LC滤波电路组成。控制部分通对蓄电池端电压、电流信号的采集反馈，由SG3525产生双路PWM波用控制半桥拓扑中MOSFET管的通断时间来控制充电电流和电压，该控制部分还包括对电流、电压、温度的采集监测以及实时显示。
3 系统中主要电路的设计
3.1 APFC电路的设计
本设计选择工作于连续调制模式下的平均电流型升压式APFC（有源功率因数校正）电路来实现较为合适。具体的电路设计示于图2，控制芯片选用ICE2PCSO1，由ICE2PCSO1构成有源功率因数校正电路。
3.2 半桥式逆变部分设计
DC/DC变换是这款充电电源的关键所在，同时也是难点所在。整机性能的好坏、质量优劣、成本高低等，在很大程度上取决于该逆变器的变换电路。这一部分如图3所示，主要包括变换器拓扑结构的选择、功率管的选择、变压器设计、吸收回路设计及滤波回路设计等。
3.2.1 电路主变换拓扑结构的选择
在开关电源的各种变换拓扑中，半桥变换以其输出功率大、结构简单、开关器件少、实现等功率变换、成本较低和抗磁通不平衡能力强等优点，成为本设计充电器结构的首选。半桥电路由两只数值相等、容量较大的高压电容器组成一个分压电路，通过控制一个桥臂上两个开关管交替导通和截止，在变压器原边产生高压开关脉冲，从而在副边感应出交变的方波，实现功率变换。这种电路拓扑的一个突出优点是阻断电容C3的连接使其具有抗磁通不平衡能力，有效防止磁偏。同时将变压器初级侧的漏感尖峰电压钳位在直流母线电压，将漏感存储的能量归还到输入母线，而不是消耗在电阻元件上。
3.2.2 高频变压器的设计
由220V的市电交流输入电压经过前级的有源功率因数校正(APFC)变换电路后，得到380V的输出电压，并且，该输出电压也是后级DC/DC变换的输入电压。在变压器的作用下，原边电压是190V，副边输出电压为109V。根据资料和经验，具体设计计算如下：
①初级绕组匝数计算
(1)
(2)
式中，D为变压器的最大占空比；fs为开关频率；N1为初级绕组匝数；Uin是变压器初级输入电压幅值；Ton为初级输入脉冲电压宽度(μs)。在实际操作时，初级绕组匝数取10匝。
②次级绕组匝数计算
(3)
(4)
式中，n为初级绕组和次级绕组的匝数比；Uont是变压器副边的输出电压；N2为计算得出的次级绕组匝数；因为变压器是中心抽头型结构，故次级绕组实际取6匝。
设计实际选用的软磁铁氧体磁芯是PM87型，材质为LP3。初次级绕组导线采用多股φ0.55mm的高强度漆包线并绕（原边为21股并绕、副边绕组用17股线并绕）；绕组排线采用原副边交叉绕制（两段式全包），这样可实现变压器线圈的紧密耦合，减小漏感。
3.2.3 半桥变换器功率管的选择
以上论述提到，电路设计采用半桥式拓扑，开关管Q1和Q2上的电压即是变换器的输入电压，故下式成立：
(5)
二极管D2和D6上的电压为：
(6)
整流二极管D3和D5上的电压为：
(7)
流经开关管的最大电流值为：
(8)
式中，Io为负载电流；Lf是变压器的原边漏感。
由以上分析计算得到的数据和信息中，选用的功率管Q1和Q2的型号为FCH47N60的MOS管，它可承受600V的电压和47A的电流；选择的整流二极管型号为MRB40250肖特基管，其正向平均电流为40A，反向耐压最大为250V。