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大功率直流快充充電樁關(guān)鍵技術(shù)及性能測(cè)試

2021-10-27 00:54:43·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：吳冬等  
　
文章來源：天津平高智能電氣有限公司充電樁是電動(dòng)汽車能源供給的主要設(shè)施，目前主要有AC220V交流充電樁和AC380直流充電樁2種類型，前者需要8h左右充滿，而后者最
文章來源：天津平高智能電氣有限公司

充電樁是電動(dòng)汽車能源供給的主要設(shè)施，目前主要有AC220V交流充電樁和AC380直流充電樁2種類型，前者需要8h左右充滿，而后者最快僅需2h即可充滿。

充電效率是充電樁技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵，本文提出一種將AC/DC和DC/DC兩種變換電路相結(jié)合的思路，實(shí)現(xiàn)了兩者的有機(jī)互補(bǔ)，最終滿足直流充電的大功率、高效率和穩(wěn)定性要求。

1大功率直流快充充電樁的關(guān)鍵技術(shù)
1.1直流充電模塊AC/DC變換電路
VIENNA整流電路在實(shí)際應(yīng)用中具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有源功率器件電壓應(yīng)力較小等特點(diǎn)，因此在通信等領(lǐng)域有廣泛使用，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同，又可分為單相、三相兩種型式。單相VIENNA整流電路相比于傳統(tǒng)電路具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如可輸出雙極性直流電壓，并且電壓可以達(dá)到1kV以上，而后者只能輸出單極性電壓，并且電壓最高為380V。為了滿足大功率充電需求，將3個(gè)單相電路采用混連方式，組成三相VIENNA整流電路，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，S1-3為全控型開關(guān)器件，C1-2為輸出電容，R為負(fù)載、入電壓通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行調(diào)制。
M為連接點(diǎn)，Dam等為二極管，La等為輸入電感，Ua等為交流電源。分析電路結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，三相VIENNA整流電路具有較好的對(duì)稱性，A、B、C三相在結(jié)構(gòu)組成和工作原理上保持一致。
1.2直流充電模塊DC/DC變換電路
上文介紹的AC/DC變換電路雖然能夠滿足高頻化、大功率的充電要求，但是由此也產(chǎn)生了一些新的問題，例如開關(guān)損耗增加、工作效率降低等。而基于全橋LLC諧振變換原理的DC/DC變換電路，則很好地解決了這一問題。其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2中，Q1-4為全橋逆變電路，D1-4為二極管，C1-4為附屬電容，Cr為諧振電容，相應(yīng)的Lr為諧振電感、Lm為勵(lì)磁電感，D5-8為全橋整流電路。RL為負(fù)載。在電路運(yùn)行時(shí)，可以利用該電路與開關(guān)頻率（f）之間的反比關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)f的靈活調(diào)節(jié)，使其維持在最佳運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到降低開關(guān)損耗的目的。另外，在DC/DC變換電路中，將2個(gè)全橋諧振變換電路采取串聯(lián)的方式予以連接，兩者在具體參數(shù)上保持相同。
1.3直流充電模塊的硬件技術(shù)
硬件部分的控制系統(tǒng)，采用TM2320芯片作為終端控制單元，除了實(shí)現(xiàn)信息處理、指令下達(dá)等基本功能外，還具有故障自檢和處理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。除此之外，硬件部分還包括：
（1）三相VIENNA驅(qū)動(dòng)電路。使用三端穩(wěn)壓元件，能夠?yàn)殡娏χ械墓怦钤万?qū)動(dòng)芯片提供穩(wěn)定的電壓，避免大功率快充時(shí)因?yàn)樗矔r(shí)電壓過高而對(duì)靈敏元件造成損害。
（2）全橋LLC諧振變換驅(qū)動(dòng)電路。使用兩臺(tái)獨(dú)立變壓器，將主電路與控制電路隔離開來，同時(shí)每個(gè)電路上分別提供一個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)芯片的開關(guān)管，保證電路控制響應(yīng)的及時(shí)性。
（3）電流、電壓檢測(cè)電路。同時(shí)提供輸入電流和電壓的檢測(cè)功能。為降低干擾、保證檢測(cè)的靈敏度，需要采取電流信號(hào)的隔離措施；為保證驅(qū)動(dòng)能力，需要將輸入電壓通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行調(diào)制。
1.4直流充電模塊的軟件技術(shù)
為保證大功率直流快充功能的實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分主要由以下幾部分組成：
（1）系統(tǒng)主程序。軟件上電運(yùn)行后，在主程序的控制下，首先完成各控制量的初始化。包括變量、常量初始化、A/D轉(zhuǎn)換模塊初始化等，使系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。初始化結(jié)束后，開始進(jìn)入主程序，根據(jù)A/D中斷信號(hào)的判斷，決定是否進(jìn)入A/D中斷服務(wù)程序。
（2）A/D中斷服務(wù)程序。當(dāng)該程序被啟動(dòng)后，系統(tǒng)首先利用A/D采樣模塊，讀取采集到的數(shù)字信號(hào)。同時(shí)，將實(shí)時(shí)信號(hào)與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的保護(hù)值進(jìn)行對(duì)照，從而判斷是否存在過流、過壓情況。如果采集信號(hào)超出保護(hù)值，則發(fā)出相應(yīng)指令實(shí)現(xiàn)過流、過壓保護(hù)。
（3）數(shù)字PI調(diào)節(jié)程序。該程序的功能是糾正系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的偏差值，從而使系統(tǒng)的電壓給定值與電壓反饋值維持在較小范圍。PI調(diào)節(jié)的變量可由公式計(jì)算得出：

上式中，u（n）為第n次采樣時(shí)，PI調(diào)節(jié)的輸出量，e（n）為第n次電壓反饋值與電壓給定值的差。通過該程序調(diào)節(jié)，將會(huì)使系統(tǒng)維持在額定電壓范圍內(nèi)安全運(yùn)行。

2大功率直流快充充電樁的性能測(cè)試
2.1測(cè)試結(jié)果
基于上述軟、硬件設(shè)計(jì)，制作一臺(tái)額定輸出動(dòng)力為15kW、輸出電壓500VDC的樣機(jī)，以25A恒定電流運(yùn)行。直流充電的測(cè)試結(jié)果為：當(dāng)輸出電壓為500V時(shí)，空載狀態(tài)下輸出兩條相互獨(dú)立的電壓紋波，隨著負(fù)載的增加，兩條電壓波紋的間隔距離縮小，在滿載時(shí)兩者相互交叉，變化過程如圖3所示。

另外，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)數(shù)據(jù)，在額定電壓范圍內(nèi)，通過調(diào)整電壓，在不同電壓下，直流充電模塊波形頻率雖然保持相同，但是峰值變化明顯。電壓越大，則波峰、波谷之間的差值相應(yīng)增加。另外，在達(dá)到額定電壓500V，在電路滿載之后繼續(xù)增加負(fù)載時(shí)，會(huì)出現(xiàn)直流充電模塊突然短路的情況，電壓波紋波形消失。這說明該系統(tǒng)具有較好的過載保護(hù)能力，對(duì)保證系統(tǒng)運(yùn)行安全有積極幫助。

2.2直流充電模塊的效率
以380V恒定電壓作為該直流充電模塊的輸入電壓，從空載狀態(tài)按照相同幅度持續(xù)加載直到滿載，分別記錄電壓、電流和功率因數(shù)的變化。根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)繪制輸出電流（A）和系統(tǒng)效率（η）的二維坐標(biāo)圖，如圖4所示。

結(jié)合上圖中的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著直流充電模塊的輸出電流不斷增加，其運(yùn)行效率在1-6A區(qū)間內(nèi)，上升速度較快；當(dāng)輸出電流達(dá)到10A之后，其運(yùn)行效率維持在一個(gè)相對(duì)恒定的狀態(tài)，甚至在20A以后有小幅度的下降。判斷在空載、輕載狀態(tài)下，系統(tǒng)運(yùn)行效率較低的原因可能有兩種：其一是輸入功率較小，此時(shí)輸出電壓、輸出電流都會(huì)受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致功率因數(shù)不高；其二是存在較高的功率損耗，特別是開關(guān)管和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，都是比較容易發(fā)生功率嚴(yán)重?fù)p耗的部位。

2.3直流充電模塊的輸出外特性
在直流充電模塊輸出、輸入功率不變的狀態(tài)下，從空載狀態(tài)下持續(xù)加載，直到滿載，記錄其輸出電壓、電流的變化情況。觀察數(shù)據(jù)表明，隨著輸出電流的不斷增加，輸出電壓呈現(xiàn)出穩(wěn)定下降趨勢(shì)。兩者之間表現(xiàn)出較為良好的線性關(guān)系，說明直流充電模塊的輸出外特性良好，整體性能穩(wěn)定。

3結(jié)論
在能源緊張和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的大背景下，電動(dòng)汽車的發(fā)展前景廣闊。而普及電動(dòng)汽車的關(guān)鍵之一，就在于修建更多數(shù)量的大功率直流快速充電樁，縮短車主停車充電的等待時(shí)間，提高充電效率。本文設(shè)計(jì)的一種大功率直流快速充電系統(tǒng)，將前級(jí)AC/DC變換電路和后級(jí)DC/DC變換電路的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，通過仿真驗(yàn)證，表明該系統(tǒng)能夠兼顧大功率和高效率的充電需求，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好，具有較好的應(yīng)用前景。
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