制作有供电、充电和动力蓄电的汽车充电机电路

　　充电机是采用高频电源技术，运用先进的智能动态调整充电技术。它采用恒流/恒压/小恒流智能三个阶段充电方式，具有充电效率高，操作简单，重量轻，体积小等特点，并具有反接、过载、短路、过热等多重保护功能及延时启动，软启动、断电记忆自启动功能等。
　　纯电动汽车以锂电池为动力源，充满电后，以电力做功推动汽车。不同于汽油发动机汽车需要添加汽油，纯电动汽车在电力耗光后通过外置电源对其进行充电，通常单次行驶里程在100～200公里。与传统汽车相比，纯电动车在使用成本上有着无以比拟的优势，百公里约消耗15度电，成本8元，仅相当于汽油发动机汽车成本1/10。
　　充电模式
　　电动汽车能源供给系统主要由供电系统、充电系统和动力蓄电池构成。另外，还包括充电监控、电池管理和烟雾报警监控等。充电机是充电系统的重要组成部分。充电站给汽车充电一般分为三种方式：普通充电、快速充电、电池更换。普通充电多为交流充电，对于容量不超过5kW的交流充电机，输入为额定电压220V、50Hz的单相交流电，对于容量大于5kW的交流充电机，输入为额定线电压380V、50Hz的三相交流电。将交流插头直接插在电动汽车充电接口，充电时间大约需要4～8小时。快速充电多为直流充电，直流充电机输入为额定线电压380V、50Hz的三相交流电，输出电压一般不超过700V，输出电流一般不超过700A。交流输入隔离型AC/DC充电机的输出电压为额定电压的50%～100%，并且输出电流为额定电流时，功率因数应大于0.85，效率应不小于90%。
　　充电机应能够保证在充电过程中动力蓄电池单体电压、温度和电流不超过允许值。充电机应具备防输出短路和防反接功能。充电机至少能为以下三种类型动力蓄电池中的一种充电：锂离子蓄电池、铅酸蓄电池、镍氢蓄电池。
　　动力电池组充电模式采用“恒流D恒压”两阶段充电模式。充电开始阶段，一般采用最优充电倍率进行恒流充电。在这一阶段，由于电池的电动势较低，即使电池充电电压不高，电池的充电流也会很大，必须对充电电流加以限制。所以，这一阶段的充电叫“恒流”充电，充电电流保持在限流值。随着充电的延续，电池电动势不断上升，充电压也不断上升。当电池电压上升到允许的最高充电电压时，保持恒压充电。在这一阶段，由于电池电动势还在不断上升，而充电电压又保持不变，所以电池的充电流呈双曲线趋势不断下降，一直下降到零。但在实际充电过程中，当充电电流减小到0.015C时，说明充电已满就可停止充电。这一阶段的充电叫“恒压”充电。此外，充电系统还必须具有自动调节充电参数、自动控制和自动保护功能。充电过程及充电电压、电流的变化如图1所示。

　　图1 充电曲线（n为电池组中串联的单体电池个数）

　　常用充电设备为充电机，可分为直流充电机和脉冲充电机两类。目前使用最多的直流充电机是高频开关电源充电机。它具有体积小、重量轻、工作可靠、效率高、功率因数高、电网适应能力强、功率可小可大，容易实现智能化等优点。脉冲充电机可以减少电池在充电时产生的极化现象，从而提高电池的充电效率，减少充电时间，实现快速充电，但脉冲充电器技术有待进一步研究。
　　电动汽车充电时间长，充电难是电动汽车推广应用的一个难题。目前，电动汽车的充电还是采用普通充电为主、快速补充充电为辅的充电方式。对于电动公交车而言，充电站设在公交车总站内。在晚间下班后利用低谷充电，时间5～6小时。全天运行的车辆，续驶里程不够时，可利用中间休息待班时间进行补充充电。充电器的数量和容量根据车队的规模而定，充电站由车队管理。按照上述充电机的最大功率配置，电力变压器有效总功率约为3000kW以上。
　　目前汽车各大厂商纷纷研制上产油电混合动力车和纯电动汽车。
　　系统结构
　　大功率电动汽车充电机的输入为额定线电压380V、50Hz的三相交流电，输出额定电压700V，额定电流600A。系统采用19"标准机架，结构紧凑、布局合理、外型美观大方。外型尺寸：高×宽×深为2200mm×600mm×600mm。采用60个模块并联，每个模块10A/700V，模块尺寸：高×宽×深为133mm×425mm×270mm，15层4列，分四个柜体安放，四个柜体可分开运输，使用时紧凑左右排列。机架前门、后门均为双开门，方便检修。电源进线和汇流排输出位置均在底部输入。电源输入断路器及监控单元触摸屏安装在主机中间控制柜前部。充电机控制结构示意图如图2所示。

　　图2 充电机控制结构示意图

　　开关电源主回路设计
　　电动汽车充电机采用的大功率高频开关电源的原理框图如图3所示，由三相桥式不可控整流电路对三相交流输入进行滤波整流，功率因数校正预稳压800V后经高频DC/DC半桥功率变换器，滤波输出直流700V为动力蓄电池充电。经过分析计算，变压器采用双E65磁芯，初级线圈12匝，则根据输出电压最高700V、输入电压最低780V、最大占空比0.95可求得次级绕组圈数N2，N2=(12/780)×(700/0.95)=11.33，考虑漏感、次级整流压降等因素取N2为12匝。

　　图3 充电机电源的原理框图

　　由于电动汽车充电机为非线性负荷，会产生谐波，必须采取有效措施。为提高功率因数，降低输入电网谐波，采用有源功率因数校正电路，如图4所示。它采用三相三开关三电平BOOST电路，工作在连续模式，开关采用两个MOSFET组合成的双向开关。图中，开关S1，S2，S3是双向开关。电容中点电位VM与电网中点的电位近似相同，因而通过双向开关S1、S2、S3可分别控制对应相上的电流。开关合上时对应相上的电流幅值增大，开关断开时对应桥臂上的二极管导通(电流为正时，上臂二极管导通；电流为负时，下臂二极管导通)。其控制电路采用三个控制芯片UC3854A，相电压通过三相隔离变压器向UC3854A提供同步信号和预校正信号，电流反馈采用霍尔电流互感器，分别控制三个开关，形成三个电流反馈内环和一个电压反馈外环的多闭环系统。该电路的优点在于结构简单，每相仅需一个功率开关。

　　图4 三相三开关三电平APFC电路拓扑图

　　DC/DC功率变换器采用半桥电路拓扑，功率器件少，控制简单，可靠性高。如图5所示，采用MOSFET和IGBT并联技术，充分利用了MOSFET开关速度快和IGBT导通压降低的优点。由于输出电压较高，全桥整流对变压器利用率高，比较适合用于这种场合。

　　图5 MOSFET/IGBT并联组合开关电路

　　图6 PWM强迫均流法工作框图

　　系统采用PWM强迫均流法，工作框图如图6所示。这是一种系统电压控制和强迫均流相结合的改进方法，其工作原理是将系统母线电压Us和系统的基准电压Ur相比较产生误差电压Ue，用该误差电压控制PWM调制器，得到的PWM信号去控制每一模块的电流。这样，每个模块都相当于电压控制的电流源。这种均流方式精度高，动态响应好，可控制模块多，可以很方便地组成冗余系统。