基于串联拓扑结构的电动汽车快速充电桩设计

基于串联拓扑结构的电动汽车快速充电桩设计

李德胜

西安特锐德智能充电科技有限公司，陕西 西安  710000

摘要：在新能源汽车快速发展的背景下，电动汽车成为汽车市场中的重要组成部分，且我国在新能源电动汽车中已经掌握多项核心技术，整体发展水平快速提升。在电动汽车发展过程中，充电一直以来都是一项难点问题，如何提升充电速率是当前的研究重点，其中以串联拓扑结构为基础的充电桩具有较好的应用效果，能够提升充电速率。因此，本文将对基于串联拓扑结构的电动汽车快速充电桩设计方面进行深入地研究与分析，并结合实践经验总结一些措施，以期能够对相关人员有所帮助。

关键词：串联拓扑结构；电动汽车；快速充电；充电桩设计；优化措施

电动汽车以电力作为动力来源，所以需要通过充电补充电能，但是与传统燃油汽车不同的是，燃油汽车能够直接通过加油获取能源，而电动汽车需要利用充电的方式补充，但是充电是一个较为缓慢的过程，如果充电速率较低，会严重影响电动汽车用户体验，所以需要提升充电桩的充电速率。在此背景下，通过采用串联拓扑结构对充电桩进行设计，能够有效促进充电速度提高，同时能够提升充电安全性，所以需要掌握准确的关键要点。

1电动汽车快速充电桩系统构成

为了确保电动汽车充电安全性、可靠性以及高效性，电动汽车快速充电桩的功率转换器拓扑结构需要满足基础需求，且在转换器设计期间，需要保证效率、成本以及规格等满足产品规范，做好系统性整体优化设计，从半导体到散热器等所有构件，包括无源滤波器构件的设计，都需要进行优化，才能够开发出更加完善的系统。本文阐述了一种新型50kW的电动汽车快速充电桩系统，该充电系统能够有效提升交流电网的功率因数和功率转换效率，能够提供0—125A的电流，在300—500V的电压范围中能够为电动汽车锂电池提供快速充电服务；当汽车电池的最大功率在50kW的情况下，该系统在最大充电电流供电间隔中会在交流电网内产生电压降落和电压畸变，通过在直流总线中缓冲电池组的方式，能够有效降低不利影响[1]。

在该50kW充电系统中，主电源转换部分包括功率因数校正设备和DC-DC转换设备，缓冲电池组安装在主电源转换单元之间，缓冲电池组包括64个锂离子电池，电压设计为236V。

2基于串联拓扑结构的电动汽车快速充电桩具体设计

2.1DC-DC转换器设计

DC-DC转换器包括移相全桥变换器、三台输出滤波器以及三台变压器共同构成，利用移相控制的方式减少开关损耗；为了避免出现铁磁材料饱和问题，在变压器一次侧中安装电容，以此方式平衡B-H曲线中的磁通位移。本次串联性拓扑结构设计包括多个基本变换单元串联构成，能够有效解决常规DC-CD变换器中存在的开关管应力较大以及开关损耗较为严重等问题，能够在大功率以及高增益的环境中使用。

常规的全桥式DC-DC转换器电路原理为：直流电压经过全桥开关变换器，在高压变频器初级获得高频交流方波电压，通过变压器后再通过全波整流转化为直流方波，最后通过电感和电容构成的滤波电路，从而获得平直电流电压。与本次设计存在的差异在于DC-DC转换器中的附件链接，本次设计中因为只采用一个附加链接设计，所以拓扑结构较为简单，易于实现，所以该充电桩的输出电压通过直流母线电压和移相全桥变换器的输出电压之和构成，采用这种方式能够有效提升电动汽车快速充电桩充电效率。本文对DC-DC转换器在不同负载情况下的充电效率进行测试，结合测试结果可以明确，转换器工作效率能够在负压增加的情况下提升，在负载电流从48A提高到60A的过程中，转换器工作效率显著提升，且当负载电流达到96A的情况时，充电效率达到94%左右。本次设计的DC-DC转换器具有直接功率传输路径，在这种情况下，标称缓冲电阻电压设计为230V，电动汽车电池电压为400V，最大充电电流为125A，传输功率能够得到28.70kW，DC-DC转换器传输功率能够得到21.25kW，从而说明在约为60%的最大额定功率中不需要进行转换。普通的转换器对全部充电功率进行转换，而本次设计的转换器只需要对40%左右的充电功率进行转换，所以能够提升转换效率[2]。

2.2控制器设计

电动汽车的锂离子电池充电方式为涓流充电、恒压充电、恒流充电以及终止充电等四个流程，其中恒流充电和恒压充电为两个最主要的阶段。在涓流充电阶段中，需要对已经全部放电的电池进行预充，也就是恢复性充电；在汽车电池电压不高于3V时，就是涓流充电阶段，一般采用恒流充电的1/10对其进行充电；在电压升高到涓流充电设置值以上后，就可以提高电流开始恒流充电，恒流充电电流一般在1.0C之内，恒流充电对于电流精度要求较低，只需要保证电流稳定性即可，在该阶段电池的电压会逐渐提升，在汽车电池电压提高到4.2V以上后，横流充电就会结束，开始进行恒压充电；在恒压充电过程中，充电电压会始终保持在4.2V，同时为了能够使其最大性能发挥，稳压容差需要高于1%；在充电电流逐渐下降到0.1C之后，进入终止充电阶段，电动汽车的电池充电一般会持续3小时左右

[3]。

为了能够快速且安全地对电动汽车进行充电，需要利用车载与非车载电池管理系统，对汽车电池电压和充电电流进行实时监测；在考虑到锂离子电池的基本特征情况下，点从汽车需要进行最大恒流模式，一直到特定的电压后结束，在这种充电模式下，电动汽车需要不断减少充电电流，通常情况下汽车电池电量达到85%左右时就会执行停止充电指令，所以为了能够达到该目标，在本次DC-DC转换器设计中，应用了恒流和恒压双模式切换控制；控制器选择PI双闭环控制，PI双闭环控制包括电流内环PI控制与电压外环PI控制两个部分，内环控制利用电流负反馈方式能够通过电感中的电流转化为定幅值和相位电流，外环控制的功能是对电压负反馈引入，能够将电流侧电压稳定转化为设定值；控制过程就是电压转化电流的过程，利用PI调节能够提高其收敛性，并采用饱和限制构件防止出现电流过大的问题，电流通过PI调节后实现脉冲宽度调制，最后输出到电动汽车的电池中，整体充电速率较快且稳定。

3电动汽车快速充电桩设计方案测试

为了验证本次电动汽车快速充电桩设计方案，得到控制算法和硬件电路的性能指标，将设计的电动汽车快速充电桩方案进行试验测试。移相变换器在半负载与全负载情况下的IGBT输出电压和电流试验，主开关IGBT模块为600V/400A级别。

根据试验结果可以明确，在输出电压为230V的情况下，输出电流约为125A，能够满足设计要求，同时IGBT输出定压波形证明全桥式DC-DC变换器工作在移相位移模式中；桥式二极管整流电压与IGBT的试验采用三个1200V/100A的桥式二极管模块，利用在DSP中设置周期与相角寄存器，能够在DC-DC功率转换器中产生PWM信号。

结束语

综上所述，本文简要阐述了基于串联拓扑结构的电动汽车快速充电桩的基本系统构成，并对快速充电桩系统的具体设计进行分析，结合试验结果证明该系统具有良好的应用效果，能够有效提升充电桩充电速率，希望能够对电动汽车充电领域发展起到一定的借鉴和帮助作用。

参考文献

[1]林旭. 多拓扑结构的电动汽车充电桩对电网谐波影响与研究[J]. 通信电源技术, 2020, 37(4):2-2.

[2]应鸿, 於国芳, 姜涛,等. 基于串联拓扑结构的电动汽车快速充电桩设计[J]. 陕西科技大学学报, 2020, 38(4):5-5.

[3]谭菊华, 李晓芳, 郭小春. 磁耦合谐振式电动汽车无线充电线圈设计与优化分析[J]. 沈阳工业大学学报, 2020, 42(1):6-6.