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直流調速器|大功率電動汽車充電機的設計
發布時間 : 2018-06-05 21:06 瀏覽量 : 48

純電動汽車以鋰電池為動力源,充滿電后,以電力做功推動汽車。不同于汽油發動機汽車需要添加汽油,純電動汽車在電力耗光后通過外置電源對其進行充電,通常單次行駛里程在100~200公里。與傳統汽車相比,純電動車在使用成本上有著無以比擬的優勢,百公里約消耗15度電,成本8元,僅相當于汽油發動機汽車成本1/10。目前,國家已著手進行電動汽車和新能源汽車的示范推廣,電動汽車充電站則是主要環節之一,必須與電動汽車其他領域實現共同協調發展。

充電模式
電動汽車能源供給系統主要由供電系統、充電系統和動力蓄電池構成。另外,還包括充電監控、電池管理和煙霧報警監控等。充電機是充電系統的重要組成部分。充電站給汽車充電一般分為三種方式:普通充電、快速充電、電池更換。普通充電多為交流充電,對于容量不超過5kW的交流充電機,輸入為額定電壓220V、50Hz的單相交流電,對于容量大于5kW的交流充電機,輸入為額定線電壓380V、50Hz的三相交流電。將交流插頭直接插在電動汽車充電接口,充電時間大約需要4~8小時??焖俪潆姸酁橹绷鞒潆?,直流充電機輸入為額定線電壓380V、50Hz的三相交流電,輸出電壓一般不超過700V,輸出電流一般不超過700A。交流輸入隔離型AC/DC充電機的輸出電壓為額定電壓的50%~100%,并且輸出電流為額定電流時,功率因數應大于0.85,效率應不小于90%。

充電機應能夠保證在充電過程中動力蓄電池單體電壓、溫度和電流不超過允許值。充電機應具備防輸出短路和防反接功能。充電機至少能為以下三種類型動力蓄電池中的一種充電:鋰離子蓄電池、鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池。

動力電池組充電模式采用“恒流―恒壓”兩階段充電模式。充電開始階段,一般采用最優充電倍率(鋰離子電池為0.3C)進行恒流充電。(C是電池的容量,如C=800mAh,1C充電率即充電電流為800mA)在這一階段,由于電池的電動勢較低,即使電池充電電壓不高,電池的充電流也會很大,必須對充電電流加以限制。所以,這一階段的充電叫“恒流”充電,充電電流保持在限流值。隨著充電的延續,電池電動勢不斷上升,充電壓也不斷上升。當電池電壓上升到允許的最高充電電壓時,保持恒壓充電。在這一階段,由于電池電動勢還在不斷上升,而充電電壓又保持不變,所以電池的充電流呈雙曲線趨勢不斷下降,一直下降到零。但在實際充電過程中,當充電電流減小到0.015C時,說明充電已滿就可停止充電。這一階段的充電叫“恒壓”充電,這一階段的充電電壓:U=E+IR為恒壓值。這是鋰離子動力電池組對充電模式的基本要求。此外,充電系統還必須具有自動調節充電參數、自動控制和自動保護功能。尤其在恒壓充電階段,如果單體電池的充電電壓超過允許的充電電壓時,充電機應能自動減小充電電壓和電流,使該電池的充電電壓不超過允許的充電電壓,防止該電池過壓充電。充電過程及充電電壓、電流的變化如圖1所示。

 

圖1 充電曲線(n為電池組中串聯的單體電池個數)

根據電池的充電特性和電動汽車動力電池組的充電要求,常用充電設備為充電機,可分為直流充電機和脈沖充電機兩類。直流充電機就是把電網電源經過整流濾波后隔離穩壓輸出直流電源,供給動力電池組進行充電。目前使用最多的直流充電機是高頻開關電源充電機。它具有體積小、重量輕、工作可靠、效率高、功率因數高、電網適應能力強、功率可小可大,容易實現智能化等優點。脈沖充電機可以減少電池在充電時產生的極化現象,從而提高電池的充電效率,減少充電時間,實現快速充電,但脈沖充電器技術有待進一步研究。

電動汽車充電時間長,充電難是電動汽車推廣應用的一個難題。以一輛大型鋰動力電動大巴為例,配置電池容量700Ah。最大充電電流210A(相當于700AH電池容量的0.3C充電率),最高充電電壓700V(相當于165只最高充電電壓4.2V左右的鋰電池單體串聯電壓),那么需要充電器的最大輸出功率為245kW。按最優充電要求對電動汽車充電的充電時間,至少需要3小時。因此,電動汽車的充電方式不能像燃油汽車在加油站加油那樣進行充電。如果20分鐘快速充滿電,至少要用3C的充電倍率進行充電,這對于磷酸鐵鋰鋰離子電池來說是可能的。

綜上所述,電動汽車的充電還是采用普通充電為主、快速補充充電為輔的充電方式。對于電動公交車而言,充電站設在公交車總站內。在晚間下班后利用低谷充電,時間5~6小時。全天運行的車輛,續駛里程不夠時,可利用中間休息待班時間進行補充充電。充電器的數量和容量根據車隊的規模而定,充電站由車隊管理。例如,12輛大型鋰動力電動大巴需要12臺充電機??焖俪潆姇r,可用6臺充電機并聯充電,最大輸出功率為1470kW,最大充電電流2100A(相當于700AH電池的3C充電率)?;蛘哂?臺充電機平時為8輛電動車輛充電,每臺輸出最高充電電壓700V,最大充電電流500A(相當于700AH電池用量0.7C的充電率)。1C~3C的快速充電模式,已經在探討應用,但應確保在電池的安全和使用壽命的前提下進行。按照上述充電機的最大功率配置,電力變壓器有效總功率約為3000kW以上。

目前汽車各大廠商紛紛研制上產油電混合動力車和純電動汽車。以比亞迪E6純電動汽車為例,電池類型為磷酸鐵鈷鋰電池,配置電池容量200Ah,3C的充電電流為600A,標稱電壓316.8V(相當于96只充電電壓3.3V左右的磷酸鐵鈷鋰電池單體串聯電壓)。充電器的輸出功率為192kW??焖俪潆姇r間15分鐘充滿80%。百公里能耗為21.5度電左右,相當于燃油車1/3至1/4的消費價格。

系統結構
大功率電動汽車充電機的輸入為額定線電壓380V、50Hz的三相交流電,輸出額定電壓700V,額定電流600A。系統采用19"標準機架,結構緊湊、布局合理、外型美觀大方。外型尺寸:高×寬×深為2200mm×600mm×600mm。采用60個模塊并聯,每個模塊10A/700V,模塊尺寸:高×寬×深為133mm×425mm×270mm,15層4列,分四個柜體安放,四個柜體可分開運輸,使用時緊湊左右排列。機架前門、后門均為雙開門,方便檢修。電源進線和匯流排輸出位置均在底部輸入。電源輸入斷路器及監控單元觸摸屏安裝在主機中間控制柜前部。充電機控制結構示意圖如圖2所示。

 

圖2 充電機控制結構示意圖

開關電源主回路設計
電動汽車充電機采用的大功率高頻開關電源的原理框圖如圖3所示,由三相橋式不可控整流電路對三相交流輸入進行濾波整流,功率因數校正預穩壓800V后經高頻DC/DC半橋功率變換器,濾波輸出直流700V為動力蓄電池充電。經過分析計算,變壓器采用雙E65磁芯,初級線圈12匝,則根據輸出電壓最高700V、輸入電壓最低780V、最大占空比0.95可求得次級繞組圈數N2,N2=(12/780)×(700/0.95)=11.33,考慮漏感、次級整流壓降等因素取N2為12匝。

圖3 充電機電源的原理框圖


由于電動汽車充電機為非線性負荷,會產生諧波,對電網是一種污染。必須采取有效措施,如功率因數校正或無功補償等技術,限制電動汽車充電機進入電網的總諧波量。為提高功率因數,降低輸入電網諧波,采用有源功率因數校正電路,如圖4所示。它采用三相三開關三電平BOOST電路,工作在連續模式,開關采用兩個MOSFET組合成的雙向開關。圖中,開關S1,S2,S3是雙向開關。由于電路的對稱性,電容中點電位VM與電網中點的電位近似相同,因而通過雙向開關S1、S2、S3可分別控制對應相上的電流。開關合上時對應相上的電流幅值增大,開關斷開時對應橋臂上的二極管導通(電流為正時,上臂二極管導通;電流為負時,下臂二極管導通)。在輸出電壓的作用下Boost電感上的電流減小,從而實現對電流的控制。其控制電路采用三個控制芯片UC3854A,相電壓通過三相隔離變壓器向UC3854A提供同步信號和預校正信號,電流反饋采用霍爾電流互感器,分別控制三個開關,形成三個電流反饋內環和一個電壓反饋外環的多閉環系統。該電路的優點在于結構簡單,每相僅需一個功率開關。具有三電平特性諧波電流小,開關管電壓電流應力小。不需要中線,無三次諧波,滿載時功率因數很高。開關應力小,關斷壓降低,開關損耗低,共模EMI低。

圖4 三相三開關三電平APFC電路拓撲圖


DC/DC功率變換器采用半橋電路拓撲,功率器件少,控制簡單,可靠性高。如圖5所示,采用MOSFET和IGBT并聯技術,充分利用了MOSFET開關速度快和IGBT導通壓降低的優點。在電路上采取措施,使得MOSFET的關斷時間比IGBT延遲一定的時間,大大減小了IGBT的電流拖尾,降低了開關通態損耗,提高了效率和可靠性,使得半橋電路的輸出功率可以實現7kW。其輸出側采用的整流方式有半波整流,中心抽頭全波整流及全橋整流。由于輸出電壓較高,全橋整流對變壓器利用率高,比較適合用于這種場合。

圖5 MOSFET/IGBT并聯組合開關電路

圖6 PWM強迫均流法工作框圖

系統采用PWM強迫均流法,工作框圖如圖6所示。這是一種系統電壓控制和強迫均流相結合的改進方法,其工作原理是將系統母線電壓Us和系統的基準電壓Ur相比較產生誤差電壓Ue,用該誤差電壓控制PWM調制器,得到的PWM信號去控制每一模塊的電流。每個模塊的電流要求信號都是相同的,PWM信號通過光耦與模塊的輸出電流進行比較,調節模塊參考電壓,從而改變輸出電壓,調節輸出電流,實現均流。這樣,每個模塊都相當于電壓控制的電流源。這種均流方式精度高,動態響應好,可控制模塊多,可以很方便地組成冗余系統。強迫均流依賴于某一模塊,如果該模塊失效,則無法均流,所以必須設計模塊故障退出功能。在強迫均流中,系統模塊數可達100個,即使模塊電壓相差較大,參數設置好后不需任何調整,均流精度優于1%,負載響應快,無振蕩現象,滿足應用需要。


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