基于SS-FB-PFC的纯电动汽车车载充电系统的研究*
鲍 谚，姜久春，张维戈，牛利勇，温家鹏
【摘 要】［摘要］ 针对现有车载充电系统的主要问题，提出了一种基于单相单级全桥功率因数校正拓扑的车载充电系统结构和改进型单体电压控制的新型整车充电策略。开发了一台3.6kW的样机，其实验结果表明，该系统具有效率高、体积小、功率因数高和谐波污染少等优点，充电控制策略提升了充电的安全性。 【期刊名称】汽车工程 【年(卷),期】2011(033)008 【总页数】6
【关键词】关键词:纯电动汽车;车载充电系统;单相单级全桥功率因数校正;电池管理系统;充电控制策略
前言
纯电动汽车(pure electric vehicle，PEV)车载充电系统作为车辆动力电池能量补充装置的一种重要形式，是电动汽车不可缺少的子系统之一，对电动汽车的普及具有重要影响。
由于应用条件的限制，对车载充电系统基本性能有以下要求:(1)安全性好;(2)易使用;(3)成本低;(4)高效率;(5)对供电电源污染小;(6)体积小［1］。国内外针对电动汽车车载充电系统进行了一些研究［2-5］，早期的装置多采用非隔离的拓扑结构，无法保证人员在充电过程接触车体时的人身安全。目前系统采用的结构基本上有两种:一种是不控整流加高频隔离DC/DC变换器，这种结构满足了安全性的要求，但其对电网的谐波污染较大，功率因数低，此类电源大量接入电网时对电网的影响不利;另一种采用前级功率因数校正，后级隔离DC/DC变换
器的结构，满足了低谐波、高功率因数的要求，但由于其采用两级变换器的拓扑结构，装置体积大，成本高，效率低。针对车载充电系统的要求和目前存在的问题，本文中提出了一种新型车载充电系统的组成结构，以及基于单相单级全桥功率因数校正(single-phase single-stage full-bridge power factor correction，SS-FB-PFC)拓扑的车载充电系统参数设计方法，同时提出了改进型单体电压控制的整车充电策略。基于上述分析制作了一台3.6kW采用Freescale DSP56F803全数字控制的实验样机，获得了良好的稳态和动态性能，满载功率因数达到0.991，效率92%，输入电流总谐波畸变4.5%，输入电压总谐波畸变3.5%，性能优良，满足了车载充电系统的要求，新型充电控制策略能够有效防止电池过充，相对传统的无控制恒电压充电、定电流恒电压充电和最大功率充电等方式，其安全性更高，具有良好的实际应用价值。
1 车载充电系统的组成结构
车载充电电源是完成PEV动力电池组能量补充的关键装置，但是要满足车载充电系统安全性和易使用这两个基本要求，必须给车载充电电源配备电池管理系统(battery management system，BMS)。BMS最基本的功能是监控动力电池的工作状态(电压、电流和温度)、预测电池的荷电状态(state of charge，SOC)，通过管理避免出现过放、过充、过热和单体电池不平衡等现象，最大限度地利用电池容量，延长循环寿命［6］。当前PEV充电系统的一个严重缺陷是没有很好地与BMS配合使用，充电系统通常没有提供与BMS的通信接口。 新型车载充电系统采用基于CAN总线的车载充电电源与BMS配合的系统结构，如图1所示。一方面BMS通过其自身丰富的电池组及单体电池动态数据，实时地通过CAN通信参与车载充电电源的充电过程，防止整组或单体电池出现
过充、过热等现象，有效保障了车载充电的安全性。另一方面，用户只要连接充电插头，车载充电电源接收BMS的电压、电流给定信号，按照预先制定的充电策略控制充电电流，实现了整个充电过程的自动化、智能化，满足了车载充电系统易于使用这一基本要求。
2 车载充电系统主电路
2.1 SS-FB-PFC工作原理
车载充电系统连接单相交流220V民用电源，充电功率较小，典型充电时间在8h左右(SOC达到95%以上)。SS-FB-PFC采用单级功率变换实现了常规前级功率因数校正，后级隔离DC/DC变换器两级结构实现的低谐波、高功率因数、高精度的输出电压、电流和电气隔离的功能，从而使充电电路的效率从80%提高到90%［7］，降低了充电系统自身能耗。与此同时，由于采用单级结构，省去了常规两级拓扑中的前级PFC电路的开关管、直流母线电容和输出滤波电感，大大降低了车载充电系统的成本和体积。本文中提出的基于SS-FB-PFC的车载充电系统主电路如图2所示。
D1～D4和D5～D8分别构成两个不控整流桥，S1～S4为4个功率开关构成全桥电路，L为储能电感，TR 为高频变压器，Ra、Ca、Da共同构成吸收电路，吸收漏感造成的电压尖峰，Co为输出电容。
SS-FB-PFC工作原理可等效为传统 Boost型PFC，因此其输入输出电压满足如下关系:
式中:UO为输出电压，UI为输入电压，N为变压器变比，D为占空比。 图3为车载充电系统主电路在各时段的工作波形。
在t0～t1时间段，S1～S44个开关管全部导通，电感L电流线性上升，电感储
基于SS-FB-PFC的纯电动汽车车载充电系统的研究
