电动汽车文献综述

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1、模块化电动汽车充电机设计张露露（安徽工业大学电气信息学院 马鞍山）摘要： 本文主要介绍了电动汽车充电机的制作思想，单体充电电源模块的 工作原理，以及并联协作时的均流控制。对比目前已有的并联电源模块系统中常 应用的均流技术，最终确定采用数字方法进行均流控制，以保证供电电源系统的 可靠性，很容易做到单个模块故障时不影响与其并联的其他模块的正常运行。实 践证明，在满足输出电压要求的同时，也达到了很好的均流精度，提高了电源系 统的可靠性和容错能力。关键词：模块化、电动汽车、充电机、均流控制Modular Electric Vehicle Charger DesignZhangLulu（Electric

2、al engineering and Information school of AnHuiUniversity of Technology MaAnShan）Abstract- This paper mainly introduces the electric vehicle charger production ideas, monomer charging power supply module working principle, and the parallel current-sharing control collaboration. Referring to the paral

3、lel power supply modules system applications, finally determined using digital method for current-sharing control, in order to ensure the power supply systems reliability, and single module fault does not affect the other modules and parallel operation.Practice has proved, to meet the output voltage

4、 requirements at the same time, we achieved a very good current-sharing precision, improved the reliability of power system and fault tolerance.Keywords-Modular, Electric Vehicle, Charger, Current Sharing1 前言能源问题日益成为国际社会关注的焦点。电动汽车作为一种新型交通工具， 在缓解能源危机，促进人类与环境和谐发展等方面具有无可比拟的优势，是推进 交通发展模式转变的有效载体。电动汽车能源供给

5、体系对于电动汽车产业而言是不可缺少的重要环节，当电 动汽车动力电池电能消耗到一定程度，就必须使用充电装置对其动力电池进行电 能补充，从而满足电动汽车的循环使用。因此，作为充电机能源供给的基础设施， 充电机的研制更是实现电动汽车产业化和推广普及的关键条件1。目前，电动汽车大多使用一体化充电机，而不同的车辆往往需要定制不同功 率的充电机，因此当使用较小功率的电源模块并联供电对车体电池进行充电，与 一个集中的大功率供电电源相比有许多优点，包括效率高、动态性能好（由于可 以工作也更高的开关频率)，负载调整率好；模块的并联可以实现冗余，提高了 系统的可靠性；输出功率可以扩展，并易于维护等。并联系统中的每

6、一个供电电 源模块只处理较小的功率、降低了电流应力2。这样用若干个一种或几种功率等级的标准模块，就可以并联成各种功率要求 的充电机，以模块化取代系列化，产品的标准化程度高，可以大大缩短研制生产 周期，降低成本。2 单体电源模块的设计整车充电电源单体模块，是针对纯电动汽车而专门研发设计的新型智能充电 模块。该系列产品采用高频软开关变换技术，具有效率高、保护功能齐全和可靠 性高的优点；同时，采用模块化的结构和先进的并联均流技术，可实现不同电流 等级的充电机的配置，广泛适用于不同容量的电动车充电的场合，满足不同用户 的需求。2.1 正常工作的电网条件输入电压：三相AC380V -15%+20%；电网

7、频率： (502)Hz16。2.2 正常工作的环境条件(1) 设备运行期间周围空气温度不高于+50C，不低于-20C；(2) 设备运行期间周围大气压力不高于110kPa，不低于80kPa；(3) 最湿月的月平均最大相对湿度为 90%，同时该月的月平均最低温度为25 C，且表面无凝露；( 4)周围空气中不含有酸性、碱性或其它腐蚀性气体及爆炸性气体，同时 做好防雨、防雪措施11。2.3 端子功能定义充电电源单体模块的端子功能定义见表 118。表 1 端子功能定义代号功能+输出正极-输出负极U交流输入 A 相端V交流输入 B 相端W交流输入 C 相端PE大地ARS485 通讯 A 端BRS485 通

8、讯 B 端CS均流端其应具备的基本功能如下：2.4 稳压、限流运行功能 模块能以设定的电压值和限流值长期对电池组充电并带负载运行。当输出电 流大于限流值时模块自动进入稳流运行状态，输出电流小于限流值时模块自动进 入稳压运行状态。2.5 并机功能 多台同型号的模块可以并联运行并自动均流。若其中某台故障时可自动退 出，且不影响其它模块的正常运行。2.6 热插拔功能并联工作在机架上的多台充电模块，在不停电状态下，可以任意插拔其中任一台模块使其接入或脱离系统，而不影响其他模块的正常工作7。2.7 完备的保护功能 输入保护若充电模块的交流输入电源出现过、欠压时，模块即刻停机，无输出电压，面板上“保护AL

9、M”黄灯亮。当交流输入电源恢复正常后，面板上“保护ALM” 黄灯灭，模块自动启动，正常运行。 短路保护充电模块内部设有输出短路回缩限流功能，模块短路时输出电流降低到小于4A,可承受连续短路而不损坏模块。 过温保护当充电模块中的IGBT后段上部与散热器温度接触部分的温度超过90C时， 模块将自动停机，面板上“保护ALM”黄灯亮。温度降低至正常后，整流模块 会自动启动，进入正常运行。 输出过压保护充电模块的直流输出电压大于其直流输出过压保护值时，模块停机；面板上“故障FAULT”红灯亮，无直流输出电压；并重新启动，如输出电压恢复正常, 模块即刻正常运行；若模块三次连续出现输出过压报警，模块将被锁定

10、无输出， 需输入掉电才能重起。 报警及显示整流模块设有多种报警指示，各报警也可通过 RS485 通讯口上传到上层监控 装置。说明：若某整流模块处于保护动作状态下，此时该整流模块的均流和外控功 能将自动退出。即该故障模块不影响其余整流模块的正常均流运行11。2.8 工作原理充电电源单体模块采用全桥移相软开关技术，其工作原理是：四个主功率开 关管的驱动脉冲为占空比不变（D=50%）的固定频率脉冲。其中一个桥臂功率开 关管的驱动脉冲的相位固定不变，另一个桥臂功率开关管的驱动脉冲的相位是可 调的。通过调节该桥臂功率开关管的驱动脉冲的相位，即调节对角桥臂功率开关 管在该周期内同时导通时间，来调节直流输出

11、电压。在对角桥臂功率开关管在该 周期内同时导通时，全桥逆变部分对后一级输出功率。在全桥逆变电路内部存在 环流，该环流创造了功率开关管的零电压、零电流开关条件，实现了整个模块的 软开关。从而极大地减少了功率开关管的电压、电流应力和损耗。极大地减少了 功率开关管在开关状态下产生的 EMI 噪声。进而提高了整机的可靠性、使用寿 命和效率4。图 1 充电电源单体模块的原理框图表 2 充电电源单体模块的技术参数一叵品型号 参数.ZCD12-25400ZCD12-20500ZCD12-15700ZCD12-14750输入电压三相 AC(380 -15%/+20%)V电网频率(502%)Hz输入过压保护值(

12、470 5)V输入欠压保护值(305 5)V功率因数 0.94效率 0.92音响噪声 55 db（距模块1米处）纹波系数 0.3%稳流精度 0.5%稳压精度 0.3%均流不均衡度3%最大输出功率10 kW10.5kW输出电压DC（200 400）VDC（250 500）VDC（350 700）VDC（375 750）V最大输出电流25 A20 A15 A14 A输出过压保护值（415 土 10）V（515 土 10）V（715 土 10）V（765 土 10）V限流值设定范围（5 25）A（4 20）A（3 15）A（3 14）A3 并联的使用3.1 安装及接线 充电电源单体模块一般组屏放置，

13、可并排放亦可多层叠放；外部接线端子按 表 1 所示。若多台并联直流侧连线应尽量短且负极线一样长，接线方式如图 2 所 示。图 2 充电电源单体模块系列组合的接线方式3.2 并联均流控制充电机电源供电系统采用多个模块并联结构，还可以增加 N+n 冗余功能。所 谓 N+n 功率冗余系统，是指 N+n 个容量为 P 的模块并联工作，负载功率为 NP， 冗余（备用）功率为nP。正常工作时，单个充电电源模块所承担的功率为其容 量的N/（N+n）；当其中一个或者几个（不超过几个）单体充电电源模块出现故障 时，故障模块立即切除，而其余模块正常运行，供电电源系统仍能保证提供 100% 的负载功率。采用冗余技术

14、，除了能使系统增加了容错冗余功率外，还可以实现 热更换（Hot Swap）（也称热插拔），即在保证系统不间断供电的情况下，更换系 统中的失效模块3。设计充电电源模块并联系统，应当使负载电流在各模块之间平均分配，简称 均流（Current Sharing）。充电电源模块的发热和温升对系统的可靠性影响很大， 如当电子元器件温升从25C时的1/68。在并联系统中采用均流技术，可以保证 各模块之间的电流应力和热应力均匀分配，防止一台或多台工作在电流极限值 （限流）状态。如果不采取均流技术，则由于并联工作的各个模块的特性并不一 致，输出电压较高的模块将承担更多的电流、甚至过载，从而是某些外特性较差 的模

15、块工作于轻载，甚至空载运行，其后果必然是分担电流多的模块，热应力大， 寿命下降，降低了系统的可靠性2。对于充电电源模块并联系统的基本要求如下：（1）各模块电流应能自动平衡，实现均流。（2）为了提高系统的可靠性，应尽量不增加外部均流控制的措施，并使均 流与冗余技术结合。（3）当输入电压和/或负载电流变化时，应保持输出电压的稳定，并且均流 的瞬态响应要好。3.3 常见电力电子均流方法对比人们已经提出了许多的均流方法，如外特性下垂法（简称下垂法）、自主均 流法、自动均流法（按平均电流或热应力）、民主均流法等。我们需要分析这些 均流方法的特点，可以在并联的电源模块系统中更好地应用均流技术，以保证供 电

16、电源系统的可靠性5。3.3.1.下垂法下垂法（Doop Approach）也称为输出阻抗法。这是一种最简单的均流方法。通过调节电源系统中各个充电电源模块的外特性斜率，即调节其输出阻抗，就可 以使并联的各模块实现近似均流。下垂法是实现均流的最简单方法，它本质也是属于开环控制，因此均流性能 较差，在小电流时性能更差，重载时均流性能要好一些。下垂法的主要缺点是： 会使电压调整率下降；为了达到均流的目的，每个模块必须分别进行调整，使它 们的外特性一致；对于额定功率不同的并联模块，就难以实现均流。3.3.2 主从均流法主从均流法（Master-Slaves Approach）也称为主从设置法，主要适用于

17、电流 型控制的充电电源模块并联系统中。所谓电流型控制是指开关电源模块中，有电 压控制和电流控制，并形成双闭环系统。电流环是内环，电压环是外环。主从均流法的主要缺点如下：（ 1）主从模块之间，必须要有信号联系，使系统复杂化。（2）如果主从模块失效，则整个电源系统就不能工作，因此这种均流方法 不适用于冗余并联系统。（ 3 ）电压环的频带较宽，容易受外界的噪声干扰。3.3.3 自动均流法自动均流法（Automatic Approach）又称作外加均流控制器法（External Controller Approach）。在每个模块的控制电路中都需要一个特殊的均流控制器SC （Sharing Contr

18、oller）o用以检测并联各模块电流的不均衡情况，通过调节控制信 号，以实现均流。平均值自动均流法可以精确的实现均流，但具体应用时会出现一些特殊问 题。例如，当均流母线发生短路，或接在母线上的任一个模块不能工作时，母线 电压下降，将使各个模块电压下调，甚至到达其下限，结果造成故障。3.3.4 热应力自动均流法热应力自动均流法，也是一种按平均值自动均流的一种方法，按照每个模块 的电流和温度(即热应力)自动均流。并联系统中各个模块在电源框中所处的位置不同，热对流情况和散热条件也 不同，结果有的模块温度高，有的模块温度低。因此按热应力自动均流时在设计 电源柜时，必须考虑各模块的布置。3.3.5 民主

19、均流法民主(Democratic)均流法，或称自治(Autonomous)法，自动主从设定法, 它是一种自动均流法，并且是按最大电流(Highest Current)进行自动均流的。由于二极管总是有正向压降的，因此从模块之间的均流较好，而主模块的均 流度稍差，承担较大的电流。3.3.6 数字均流控制平均电流值自动均流法，是一种能够精确地实现均流的方法，但是这种均流 方法如果采用模拟方法实现时，会出现一些特殊问题：如当均流母线发生短路， 或接在均流母线上的任何一个模块不能工作时，均流母线上的电压将会下降，这 就会促使各个模块的电压下调，甚至达到下限，造成故障3。如采用数字方法实 现，用通信的方法

20、获得所有并联模块的平均电流值，然后再用这个平均电流值与 模块电流值进行比较，用比较的结果来补偿电压基准，则可以防止上述情况的出 现。采用数字方法实现平均电流自动均流能够扬长避短，具有很大的优越性5。采用数字方法进行均流控制，会具有控制方法灵活的特点，很容易做到单个 模块故障时不影响与其并联的其他模块的正常运行。而要实现模块之间的自动均流，则各模块之间的数据交换是必须要有的功 能。采用数字方式，则这种交换数据的方式一般就是通信。因此模块之间的通信 技术就成了实现数字均流的关键技术，目前为了避免繁杂的布线一般常采用总线 形式连接，如 CAN 总线或 RS-485 总线等30。4 结论与未来发展方向

21、上述数字均流技术已经成功地应用与开关电源的并联系统中。实践证明，在 满足输出电压要求的同时，也达到了很好的均流精度，提高了电源系统的可靠性 和容错能力。采用数字方法实现均流能够避免模块发生故障时影响整个系统工作 的现象，扬长避短，具有很大的优势。当数字均流技术应用在电源模块并联供电对车体电池进行充电时，可以使得 充电机的工作效率更高、动态性能更好，负载调整率更好；另外模块的并联实现 了冗余功能，提高了系统的可靠性；输出功率可以扩展，并易于维护等。这种用若干个一种或几种功率等级的标准模块，并联而成各种功率要求的充 电机，以模块化取代了系列化，产品的标准化程度更高，大大缩短研制生产周期， 降低了成

22、本，会成为未来电动汽车充电机研发及应用的趋势。参考文献滕乐天电动汽车充电机(站)设计M.北京:中国电力出版社,20092 刘凤君现代高频开关电源技术及应用M.北京:电子工业出版社,2008.1.3 蔡宣三.DC/DC转换器并联系统的均流技术M.电源世界,2003年第七期4 邢岩,蔡宣三高频功率开关转换技术M.北京:机械工业出版社,2005.5吴国忠,潘观立开关电源并联系统的数字均流技术M.电源技术应用,2003年2期6 牛利勇纯电动公交充电系统关键技术研究D.北京:北京交通大学博士论文,20077 M.S.W.Chan, K.T.Chau, C.C.Chan. Modeling of elec

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