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大功率直流快充充電樁關(guān)鍵技術(shù)及性能測試

2021-10-27 00:54:43·  來源：電動學(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，實現(xiàn)了兩者的有機互補，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整流電路在實際應(yīng)用中具有拓撲結(jié)構(gòu)簡單、有源功率器件電壓應(yīng)力較小等特點，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，例如可輸出雙極性直流電壓，并且電壓可以達到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為負載、入電壓通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進行調(diào)制。
M為連接點，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為勵磁電感，D5-8為全橋整流電路。RL為負載。在電路運行時，可以利用該電路與開關(guān)頻率（f）之間的反比關(guān)系，實現(xiàn)對f的靈活調(diào)節(jié)，使其維持在最佳運行狀態(tài)，達到降低開關(guān)損耗的目的。另外，在DC/DC變換電路中，將2個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，除了實現(xiàn)信息處理、指令下達等基本功能外，還具有故障自檢和處理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測等功能。除此之外，硬件部分還包括：
（1）三相VIENNA驅(qū)動電路。使用三端穩(wěn)壓元件，能夠為電力中的光耦元件和驅(qū)動芯片提供穩(wěn)定的電壓，避免大功率快充時因為瞬時電壓過高而對靈敏元件造成損害。
（2）全橋LLC諧振變換驅(qū)動電路。使用兩臺獨立變壓器，將主電路與控制電路隔離開來，同時每個電路上分別提供一個帶有驅(qū)動芯片的開關(guān)管，保證電路控制響應(yīng)的及時性。
（3）電流、電壓檢測電路。同時提供輸入電流和電壓的檢測功能。為降低干擾、保證檢測的靈敏度，需要采取電流信號的隔離措施；為保證驅(qū)動能力，需要將輸入電壓通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進行調(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現(xiàn)，整個系統(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)處于待機狀態(tài)。初始化結(jié)束后，開始進入主程序，根據(jù)A/D中斷信號的判斷，決定是否進入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。同時，將實時信號與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的保護值進行對照，從而判斷是否存在過流、過壓情況。如果采集信號超出保護值，則發(fā)出相應(yīng)指令實現(xiàn)過流、過壓保護。
（3）數(shù)字PI調(diào)節(jié)程序。該程序的功能是糾正系統(tǒng)運行時產(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)的變量可由公式計算得出：

上式中，u（n）為第n次采樣時，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)，將會使系統(tǒng)維持在額定電壓范圍內(nèi)安全運行。

2大功率直流快充充電樁的性能測試
2.1測試結(jié)果
基于上述軟、硬件設(shè)計，制作一臺額定輸出動力為15kW、輸出電壓500VDC的樣機，以25A恒定電流運行。直流充電的測試結(jié)果為：當(dāng)輸出電壓為500V時，空載狀態(tài)下輸出兩條相互獨立的電壓紋波，隨著負載的增加，兩條電壓波紋的間隔距離縮小，在滿載時兩者相互交叉，變化過程如圖3所示。

另外，結(jié)合實驗中檢測數(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，在達到額定電壓500V，在電路滿載之后繼續(xù)增加負載時，會出現(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能力，對保證系統(tǒng)運行安全有積極幫助。

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)測得數(shù)據(jù)繪制輸出電流（A）和系統(tǒng)效率（η）的二維坐標圖，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，其運行效率在1-6A區(qū)間內(nèi)，上升速度較快；當(dāng)輸出電流達到10A之后，其運行效率維持在一個相對恒定的狀態(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)運行效率較低的原因可能有兩種：其一是輸入功率較小，此時輸出電壓、輸出電流都會受到影響，進而導(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)動電機，都是比較容易發(fā)生功率嚴重損耗的部位。

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。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)升級的大背景下，電動汽車的發(fā)展前景廣闊。而普及電動汽車的關(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間，提高充電效率。本文設(shè)計的一種大功率直流快速充電系統(tǒng)，將前級AC/DC變換電路和后級DC/DC變換電路的優(yōu)勢結(jié)合起來，通過仿真驗證，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)運行穩(wěn)定性好，具有較好的應(yīng)用前景。
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