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高性能車(chē)載充電機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)研究

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高性能車(chē)載充電機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)研究

電動(dòng)汽車(chē)作為新型代步交通工具,車(chē)載充電機(jī)是其不可缺少的配套充電設(shè)備,對(duì)車(chē)載充電機(jī)的研究顯得尤為重要。一款成功的高性能車(chē)載充電機(jī)要能抑制諧波、功率因數(shù)高、效率高等特點(diǎn)。本文根據(jù)上述特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一款2kw的車(chē)載充電機(jī)。有源功率因數(shù)校正電路(APFC)能有效抑制諧波,提高功率因數(shù)。而軟開(kāi)關(guān)技術(shù)能有效提高充電機(jī)的效率。本文將二者結(jié)合在一起,設(shè)計(jì)了一款高性能指標(biāo)的車(chē)載充電機(jī),并進(jìn)行了波形測(cè)試及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1車(chē)載充電機(jī)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

1.1APFC拓?fù)浼霸砉β?/p>

因數(shù)校正有多種拓?fù)潆娐?,比如boost、buck、buckfly等電路。本文采用BOOST電路拓?fù)洌鐖D1所示,因其電流連續(xù)、電流波形失真小、輸出功率大、儲(chǔ)能電感同時(shí)具有抑制RFI和EMI噪聲的功能。狀態(tài)分析:當(dāng)S通、VD斷時(shí),假設(shè)此狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為T(mén)1,可得到狀態(tài)方程,解得,其中為第K時(shí)刻的輸入電壓值。當(dāng)S斷、VD通時(shí),假設(shè)此狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為t2,可得狀態(tài)方程,解得:。當(dāng)S斷、VD斷時(shí),假設(shè)此狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為t3,得狀態(tài)方程。由上述公式可知,是跟隨輸入電壓變化的半波正弦函數(shù),如圖2所示,其相位基本相同且輸入電流波形近乎正弦波,所以功率因數(shù)接近于1。當(dāng)電感電流臨界連續(xù)時(shí),t3=0,可知電感電流的包絡(luò)線(xiàn)仍為半波正弦函數(shù)形式。弱電感電流連續(xù),則表現(xiàn)為電感電流正弦變化的基波上迭加隨斬控頻率變化的高頻鋸齒波,鋸齒波的幅度與電感量及斬控頻率有關(guān)。

1.2逆變整流拓?fù)浼霸?/p>

逆變電路采用副邊無(wú)源鉗位軟開(kāi)關(guān)移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖3所示S1、S3為超前臂,S2、S4為滯后臂。其軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn),超前臂的零電壓開(kāi)關(guān)依靠變壓器漏感和超前臂的并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn),滯后臂的零電流開(kāi)關(guān)通過(guò)變壓器二次測(cè)鉗位電容在換相期間鉗位電壓強(qiáng)迫一次側(cè)電流復(fù)位到零實(shí)現(xiàn)。此種軟開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),所需器件簡(jiǎn)單,不需要額外有源元件等優(yōu)點(diǎn)。

2主回路參數(shù)設(shè)計(jì)

2kw高性能車(chē)載充電機(jī)的額定輸出電壓為96V,額定電流為20A,輸入單相交流電160V-240V整流后經(jīng)APFC電路得到400V直流母線(xiàn)電壓,開(kāi)關(guān)頻率fs取50KHZ。

(1)apfc電感設(shè)計(jì)。

1)輸入電流峰值的最大值確定:電感應(yīng)當(dāng)在最大電流時(shí)避免飽和。交流輸入電壓最小時(shí),其峰值能達(dá)到最大,再考慮到期效率假設(shè)為0.92;

2)電感中紋波電流峰峰值。一般最大峰峰值可取輸入電流的20%;

3)確定輸入電壓峰值時(shí)的最大占空比;

4)電感量的計(jì)算:經(jīng)過(guò)試驗(yàn),調(diào)整為1mh。

(2)主變壓器的設(shè)計(jì)。

1)選定工作頻率在100khz,鐵氧體磁芯完全能夠滿(mǎn)足要求;

2)磁芯規(guī)格的選擇。鐵芯的窗口面積乘積為:通過(guò)查表選擇雙EE55磁芯。式中:V1I1為輸入功率;V2I2為輸出功率;K0為窗口利用系數(shù),一般取0.2-0.4;Kf為波形系數(shù),方波為4;

3)原邊繞組匝數(shù)選擇;

4)副邊匝數(shù)選擇

(3)鉗位電容的設(shè)計(jì)。其作用主要有兩個(gè):一是鉗位整流二極管的電壓,從而降低二極管的電壓應(yīng)力;二是超前臂關(guān)斷后,鉗位電容上的電壓反射到原邊,抵消漏感的能量,使得原邊電流迅速降低,實(shí)現(xiàn)滯后臂的零電流開(kāi)關(guān)。本文中漏感選擇20uh。電容上存儲(chǔ)的能量為:一次測(cè)漏感能量為:為了抵消原邊漏感的能量,電容上存儲(chǔ)的能量要大于漏感存儲(chǔ)的能量,即整理得:最終經(jīng)過(guò)試驗(yàn)選擇容值為200nf。

3實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)果分析

藍(lán)色為超前上橋臂驅(qū)動(dòng)波形,黃色為超前上DS間波形,由上圖可知超前臂實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通關(guān)斷;圖中紅色為滯后下DS間波形,紫色為回路電流波形,由圖可知,滯后臂基本實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通關(guān)斷。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對(duì)車(chē)載充電機(jī)的要求越來(lái)越高,高頻化小型化高效化低諧波車(chē)載充電機(jī)成為發(fā)展的趨勢(shì)。本文研究了帶有源功率因數(shù)校正的移相全橋軟開(kāi)關(guān)車(chē)載充電機(jī),對(duì)其工作原理和性能做了分析并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),證明了充電機(jī)的可行性和有效性。

作者:王平來(lái) 李小偉 張立功 單位:山東省汽車(chē)電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所