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腾烬昌
5 years ago
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1 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 目前, 国家已着手进行电动汽车和新能源汽车的示范推广, 电动汽车充电站则是主要环节之一, 必须与电动汽车其他领域实现共同协调发展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 ( 锂离子电池为 0.3C) 进行恒流充电 (C 是电池的容量, 如 C=800mAh,1C 充电率即充电电流为 800mA) 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, 这一阶段的充电电压 :U=E+IR 为恒压值这是锂离子动力电池组对充电模式的基本要求此外, 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尤其在恒压充电阶段, 如果单体电池的充电电压超过允许的充电电压时, 充电机应能自动减小充电电压和电流, 使该电池的充电电压不超过允许的充电电压, 防止该电池过压充电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 ) 根据电池的充电特性和电动汽车动力电池组的充电要求, 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直流充电机就是把电网电源经过整流滤波后隔离稳压输出直流电源, 供给动力电池组进行充电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,

2 图 1 充电曲线 (n 为电池组中串联的单体电池个数 ) 根据电池的充电特性和电动汽车动力电池组的充电要求, 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直流充电机就是把电网电源经过整流滤波后隔离稳压输出直流电源, 供给动力电池组进行充电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以一辆大型锂动力电动大巴为例, 配置电池容量 700Ah 最大充电电流 210A( 相当于 700AH 电池容量的 0.3C 充电率 ), 最高充电电压 700V( 相当于 165 只最高充电电压 4.2V 左右的锂电池单体串联电压 ), 那么需要充电器的最大输出功率为 245kW 按最优充电要求对电动汽车充电的充电时间, 至少需要 3 小时因此, 电动汽车的充电方式不能像燃油汽车在加油站加油那样进行充电如果 20 分钟快速充满电, 至少要用 3C 的充电倍率进行充电, 这对于磷酸铁锂锂离子电池来说是可能的综上所述, 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, 充电站由车队管理例如,12 辆大型锂动力电动大巴需要 12 台充电机快速充电时, 可用 6 台充电机并联充电, 最大输出功率为 1470kW, 最大充电电流 2100A( 相当于 700AH 电池的 3C 充电率 ) 或者用 8 台充电机平时为 8 辆电动车辆充电, 每台输出最高充电电压 700V, 最大充电电流 500A( 相当于 700AH 电池用量 0.7C 的充电率 ) 1C~ 3C 的快速充电模式, 已经在探讨应用, 但应确保在电池的安全和使用寿命的前提下进行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以比亚迪 E6 纯电动汽车为例, 电池类型为磷酸铁钴锂电池, 配置电池容量 200Ah,3C 的充电电流为 600A, 标称电压 316.8V( 相当于 96 只充电电压 3.3V

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

3 左右的磷酸铁钴锂电池单体串联电压 ) 充电器的输出功率为 192kW 快速充电时间 15 分钟充满 80% 百公里能耗为 21.5 度电左右, 相当于燃油车 1/3 至 1/4 的消费价格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, 对电网是一种污染必须采取有效措施, 如功率因数校正或无功补偿等技术, 限制电动汽车充电机进入电网的总谐波量为提高功率因数, 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

4 由于电动汽车充电机为非线性负荷, 会产生谐波, 对电网是一种污染必须采取有效措施, 如功率因数校正或无功补偿等技术, 限制电动汽车充电机进入电网的总谐波量为提高功率因数, 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 是双向开关由于电路的对称性, 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 ) 在输出电压的作用下 Boost 电感上的电流减小, 从而实现对电流的控制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具有三电平特性谐波电流小, 开关管电压电流应力小不需要中线, 无三次谐波, 满载时功率因数很高开关应力小, 关断压降低, 开关损耗低, 共模 EMI 低图 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 导通压降低的优点在电路上采取措施, 使得 MOSFET 的关断时间比 IGBT 延迟一定的时间, 大大减小了 IGBT 的电流拖尾, 降低了开关通态损耗, 提高了效率和可靠性, 使得半桥电路的输出功率可以实现 7kW 其输出侧采用的整流方式有半波整流, 中心抽头全波整流及全桥整流由于输出电压较高, 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

5 图 6PWM 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每个模块的电流要求信号都是相同的,PWM 信号通过光耦与模块的输出电流进行比较, 调节模块参考电压, 从而改变输出电压, 调节输出电流, 实现均流这样, 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强迫均流依赖于某一模块, 如果该模块失效, 则无法均流, 所以必须设计模块故障退出功能在强迫均流中, 系统模块数可达 100 个, 即使模块电压相差较大, 参数设置好后不需任何调整, 均流精度优于 1%, 负载响应快, 无振荡现象, 满足应用需要

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路