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电动汽车充电技术:传导式充电主电路

时间:2023-08-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:在传导式充电电路中,交流电能通过电网传送到充电机输入端。因此,传导式充电的拓扑可以根据整流级和DC-DC级的结构进行分类。2)两级型充电机两级型充电机包括整流级和DC-DC级。图4-13 双可控全桥式DC-DC变换器3)复合型充电机对于电动汽车来说,整车的驱动系统也是由电力电子变换器构成的。因此采用DC-DC级高频变压器作为电气隔离设备会显著减小电气隔离设备占用空间。

电动汽车充电技术:传导式充电主电路

在传导式充电电路中,交流电能通过电网传送到充电机输入端。因为电池化学特性,电池充电的输入必须是直流电能,所以充电机的输出必须是直流电源。由图所示,电网的单相或者三相交流电源经过整流器的被转换为直流电,随后经过DC-DC直流升降压电路连接到动力电池的输入端。因此,传导式充电的拓扑可以根据整流级和DC-DC级的结构进行分类。也可以根据充电机是否含有非车载功率单元分为车载型充电机和非车载型充电机。

(1)车载型充电机

车载型充电机一般是1级或者2级充电设备,相比于3级非车载型充电机,车载型充电机的功率相对比较低。对于车载型充电机,设计的主要目标是在满足对应等级充电功率的要求下,尽可能地缩小设备的体积与重量。

车载型充电机又可以被进一步分为单级型充电机和多级型充电机以及复合型充电机。单级型充电机是一个车载的电网交流到电池直流变换器。两级型充电机在网侧有一个整流器来将交流转换为直流,在车载动力电池侧使用一个DC-DC变换器控制电池的充电电流/电压。复合型充电机会使用电动汽车动力总成中的电机驱动电路作为充电机部分主电路,通过车载电路的复用,可以减少车载设备的重量、体积以及器件的数量。

1)单级型充电机

单级型充电机是机会型充电设备,主要用于低功率车载充电机。通过使用简单的电路拓扑和较少的电路器件来实现轻量化。最常见的单级型充电机拓扑有半桥式、全桥式和多电平式变换器拓扑。虽然通过这些拓扑可以实现高效率充电作业,但是单级型充电机没有电气隔离。电气隔离在系统和用户安全性上扮演着非常重要的角色,因此单级型充电机被视为低功率充电设备。

2)两级型充电机

两级型充电机包括整流级和DC-DC级。其中整流级可以整合为车载设备,也可以设计成非车载设备。整流级的主要功能是交直流电能转换,同时,通过使用全控型电力电子器件,可以实现单位功率因数输出以及谐波校正。整流级的设计需要考虑效率、功率因数、成本、可靠性、控制复杂程度以及总谐波失真(THD)等。图4-12所示为一种常用的AC/DC boost整流器拓扑,这类电路被大量使用于单相整流及功率因数校正。

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图4-12 一种常用的AC/DC boost整流器拓扑

在这个电路拓扑中,只在boost级有一个全控型器件,因此整个整流器的成本比较低廉。在运行状态下,电流路径上只有三个功率二极管,因此在运行时系统的导通损耗比较小。但是同时,整个整流器存在着硬开关,因此有着比较大的关断损耗。

为了降低整流级的损耗,在最基础的整流boost整流电路上,有学者提出了并联boost电路、半桥boost电路、全桥boost电路以及三电平boost电路等带功率因数校正功能的整流电路。通过增加开关器件,可以降低整流器的开关损耗,从而提高整个整流级的系统效率。(www.xing528.com)

DC-DC级的主要功能是将整流级输出的直流电压转换为电池充电策略所需要的电压波形。通过DC-DC级,可以实现按照充电策略的电压给电池进行充电,从而实现充电策略中对充电速度和电池寿命保护的要求。DC-DC级可以分为电压型和电流型两种,图4-13所示的是双可控全桥式DC-DC变换器(能量可双向传输的双重移相的双有源桥DC-DC变换器)。这种双电压型全桥相对于电流型全桥变换器的电压应力较小,在满载或者大功率输出时能实现更高效率。一个显著的缺点是在轻载充电状态下的无功功率占比较大,所以轻载状态的下效率相对较低。

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图4-13 双可控全桥式DC-DC变换器

3)复合型充电机

对于电动汽车来说,整车的驱动系统也是由电力电子变换器构成的。前面提到的单级型和两级型充电机系统都独立于电动汽车动力总成,也就意味着有着两套功能类似的电力电子功率变换器。复合型充电机会复用车载驱动电路作为部分充电电路。这种复用会减少车载器件的数量,同时也就减少了两套系统的总体积、重量和成本。尽管两套系统会复用部分变换器电路,但是并不会出现两套系统同时使用该部分电路的情况,因为对于传导式充电,车辆在充电的时候必须处于静止状态,驱动系统此时不会工作。一种复合型充电机拓扑如图4-14所示。

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图4-14 一种复合型充电机拓扑

(2)非车载型充电机

对于第3级功率等级的电动汽车充电机,因为充电功率大,所以设备的体积和重量都超过车载设备的可行范围。对于这个等级的充电机,电气隔离是必需的,有两种常见的隔离拓扑:一种是在电网侧配备工频的隔离变压器;另外一种是在DC-DC级使用高频变压器进行隔离。工频隔离变压器的优点是成本较低,对变流器级的器件没有特殊的要求,缺点是体积和重量都比较大。对于设计充电总功率比较大的商用快速充电站,每个快充设备都配有工频隔离变压器会占用充电站大量空间。对于一定功率的变压器,它的体积与频率成反比关系。因此采用DC-DC级高频变压器作为电气隔离设备会显著减小电气隔离设备占用空间。但是高频变压器及高频DC-DC变换器的成本相对于工频变换器和变压器要高很多。图4-15所示为非车载型直流充电机结构。

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图4-15 非车载型直流充电机结构

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