基于直流充电机的能效综合优化研究

基于直流充电机的能效综合优化研究

叶文标  王长泉

浙江露通机电有限公司 浙江省 311800

摘要：目前国内外关于直流充电机能效的研究主要集中在提升能效计量精度和改善能效计量方法上,缺乏对于提升直流充电机能效转换的研究，而低能效的直流充电机会直接造成相当大的电损失，虽然目前有科研团队通过设计研究合理的充电桩运维规划来达到节能降损的目的,但是国内外目前暂无从改善充电桩自身能效这一最直接方式出发来实现节能降损的相关研究，而由于能效问题存在，以直流充电机92%的平均转换效率来讲，一台额定功率为60 kW的直流充电机，按照平均工作时长18小时/天、工业电价为0.8 元/度来计算，平均每年的电能损耗费用约为2万元左右，截止至2021年7月，国内直流充电桩已超过38万台，每年的损耗预估达到76亿以上由此可见，如果能降低充电机损耗，有效提高充电机能效，必然能够减少能源损耗，节省大量成本。

关键词：直流充电机；综合优化

1 直流充电机能耗改善技术

1.1 直流充电机能效分析

理想的情况而言，直流充电机充当的角色仅仅是一个能量转换系统，负责将电网中的交流电能处理过后以供电动汽车使用，而对其自身而言应该是不产生能量消耗的。但能量转换的过程中必定存在能耗，电动汽车直流充电机功耗主要集中在功率转换模块、控制器、液晶屏、辅助电源等部件，为了达到节能降损的目的，应采取各种有效措施，对以上部件进行选型或设计优化，以降低功耗，提升效率。

1.2 功率转换模块设计优化

AC输入需要经过功率模块的处理才能达到应用的目的。首先，功率模块中的输入EMI电路，对输入进行滤波处理，去除高频的电源噪声干扰，同时，后级的主动式PFC电路可以对输入进行功率因数校正，提高转换率，减少能耗。通过以上处理，可以使电流的谐波含量维持在很小的范围内，并且达到EMC标准。输入检测保护单元可以起到检测交流输入电流和电压的目的。DSP芯片可以对PFC电路进行控制、驱动及保护，实现有源功率因数校正。通过DSP控制，依据环路计算可以输入PWM信号脉冲用于驱动主电路。辅助电源通过使用PFC电路的输出可以实现对各个支路控制模块进行供电。DC/DC转换器通过上述的PWM信号脉冲实现对输出电压的控制，同时DC/DC的检测保护单元可以对温度进行监测，检测输出电压电流。最后通信电路连接CAN总线，可以完成功率模块与控制器之间的通信，CAN总线还可以完成多个功率模块之间的均流任务。

对于开关电源来说，保证工作效率是最为重要的一项指标，效率较低不仅会带来严重的能耗问题，同时也会导致系统的功率耗散过高，引起严重的热量管理缺陷，因此从改善工作效率出发，考虑功率模块的组成原理，对于功率模块低功耗的设计可从主电路拓扑、开关器件选型、器件布局及工艺设计等方面进行优化。

1.2.1 内部器件选型优化

开关电源的性能在很大程度上依赖于功率半导体器件的选择，目前的发展方向为高频化，因此MOS晶体管和IGBT这样的高频器件得到了广泛应用，它们有着更快的开关速率，以及更小的驱动功率。

对于同样电压等级的器件，MOS管的输出电容较大，而IGBT存在拖尾电流现象。

对于上述的两种开关器件，考虑硬开关情况，其对应的开关损耗可以进行如下的详细分析。

对于MOS晶体管而言，相对于IGBT,其具有更大的输出电容，在关断状态的情况下，输出电容上会有一个压降存在，即为输入电压，因此电容内部贮存一定的能量，这就会导致当MOS器件导通时，贮存在输入电容内的能量会消散在器件内部，造成较大的开通能耗。当输入电容越大时，相对来讲其造成的能耗也会越大，同时这部分能耗也和频率与输入电压的二次方成正比增长。但是，作为一种单极型器件，MOS晶体管的关断过程的能耗很小，主要归功于其可以通过栅极反偏电压的调节，来迅速排出输入电容的内部电荷，关断速度极快，这样就会使MOS晶体管关态电流瞬间降至0,没有拖尾电流，因此关断过程的能耗很小。

而对于IGBT器件来说，因为其具有很小的输出电容，会导致在关态到开态的转换时，其输出电容上的能量损失变得很小，亦即IGBT器件有着很小的开通损耗。同时，由于IGBT器件的设计方式导致其存在着较为严重的拖尾电流，且会保持较长的持续时间，这会十分严重地增加其关断损耗。

通过上述的论述可知，考虑硬开关情况，MOS晶体管所造成的能耗重点集中在开通过程中，相对而言，IGBT器件的能耗重点集中在关断过程中。进而在器件选择时，文中将MOS晶体管作为主开关器件，电路整体运行在零电压开关(ZVS)的条件下。在MOS晶体管导通之前，源-漏极间的压降可以保持在0 V,因此这时的MOS管的输出电容很小，可极大程度地减小MOS管的开通能耗。

1.2.2 主电路拓扑设计优化

DC/DC变换器目前逐渐向高效率、高频化和高功率密度的方向转变，传统的移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器虽然到了广泛应用，但却存在着很多的问题，难以适应目前的发展趋势。

1.2.3 结构工艺优化设计

功率模块开发充分考虑内部器件布局及散热方式，根据内部电气及通信原理，各个电力电子器件合理布置和安装。开关器件频率设计大于200 kHz, 使得所用电感、电容等器件体积大幅降低，器件散热和无功损耗较小；同时采用强制风冷方式散热，保证模块在满功率运行时，器件发热温度在合理范围内，间接提高功率模块的效率。

1.3 充电控制单元设计优化

充电控制单元主要为充电控制器，为降低充电控制器损耗，文中采用如下方式进行优化：

(1)对外围元器件的电源控制，采用带关断功能的器件，对于那些进入低功耗模式下不需要工作的外设，可以使用MOS管电路配合MCU控制对局部的电路进行电源管理。在该设备不需要工作时，尽量关断该部分电源，以达到更低的功耗；

(2)硬件设计对于MCU的每个IO口都要避免IO口漏电流。当外设掉电时，IO口仍然会有潜在的电源输出，所以IO口需要默认配置成低电平或者高电平状态，避免漏电流；

(3)对于包含有无线功能的芯片，配置合理的待机参数以降低功耗；

1.4 触控液晶屏设计优化

文中采用7寸彩色触控液晶屏，输入电压为12 V,随着发光二极管背光的节能、环保、高性能等优势的凸显，液晶显示屏的背光逐渐从冷阴极萤光灯管向LED切换，同时为了降低液晶屏功耗，采取脉宽调制(PWM,Pulse Width Modulation)信号控制调节方式和光感自动调节方式进行LED亮度调整，其中，当充电机系统处于待机或长时间无人触碰状态时，屏幕亮度下降至总亮度的约30%,当有人触碰进行操作时，液晶屏检测到触碰信号，通过PWM信号控制调节亮度约为80%;另外，液晶屏内部设计有外部环境光强感应系统，自动感应光线强度，当外部光线强时，可自动连续增强屏幕亮度，当外部光线弱时，可自动连续降低屏幕亮度。以上两种方式最终都是通过调节PWM占空比，改变通过LED的电流，从而达到发光强度调整的目的。文中根据PWM背光调节原理，设计的触控液晶屏，背光亮度调节最宽范围为0 cd/m2～最大亮度，占空比为0%～100%,PWM信号低电平关背光，高电平脉宽有效调节背光亮度。光感自动调节在PWM调节值的基础上，进行亮度0 cd/m2～当前PWM调节值的范围内进行调节。

2 结束语

文中主要针对目前电动汽车直流充电机存在功耗高导致充电效率低的问题，对直流充电机进行了优化设计，以改善其能量利用效率。根据充电机组成及工作原理，分析各主要功能单元功耗的构成分布，从而重点对功率转换模块、控制器、液晶屏、辅助电源等部件采取不同的功耗优化措施，以降低各个功能单元在实际运行中的能耗，据此设计出的直流充电机的待机能耗得到有效控制，能量转换效率更高，对于降低成本、提高充电服务水平具有重要的意义。

参考文献

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[2] 李清涛，刘洋，卢钺，等.基于改进队列调度算法的配电台区分时共享充电系统及工程应用[J].电力电容器与无功补偿，2022,43(4):69-76.