4.2 充電模式2這是電動(dòng)汽車(chē)的一種正常充電模式，充電過(guò)程一般在家庭和公共場(chǎng)所進(jìn)行，要求給使用者提供良好的使用界面。充電模式2的充電功率等級是6.6kW。230V/30A規格的標準電網(wǎng)電源足以給這種負載供電。其典型的充電時(shí)間為5～8h。與充電模式1中充電功率變換器相類(lèi)似，充電模式2也可采用單級AC/DC變換器。但由于帶PFC功能的單級變換器，開(kāi)關(guān)管的峰值電流很高，因而最好采用兩級變換器。其中，PFC級可采用傳統的Boost升壓型電路，開(kāi)關(guān)管采用軟開(kāi)關(guān)或硬開(kāi)關(guān)均可。但為了提高效率，更傾向于選擇軟開(kāi)關(guān)Boost變換器。圖8給出兩種采用無(wú)損吸收電路的軟開(kāi)管Boost變換器主電路功率級。若電網(wǎng)輸入電壓為230V，則輸出電壓可以調節到400V以上。這使得后級變換器的設計變得容易，感應耦合器可以取1∶1的匝比。因此，如果電池最高電壓為400V，則前級輸出電壓可以采用DC450V。與采用帶附加有源開(kāi)關(guān)輔助電路的軟開(kāi)管Boost變換器功率級相比，無(wú)損吸收軟開(kāi)管Boost變換器功率級因無(wú)需有源器件，因而更具優(yōu)勢。因其開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷dv/dt得到了控制，開(kāi)通為零電壓開(kāi)通，且主開(kāi)關(guān)管上的電壓應力為輸出電壓，因而整機性能得到大大改進(jìn)。對于6.6kW的功率定額，450V的輸出電壓，需要采用600V/60A的MOSFET?？筛鶕脠?chǎng)合需要，整機設計可選擇單模塊或多模塊并聯(lián)方案。對于后級DC/DC變換器，由于輸入輸出均為容性濾波器，因此，只有具有電流源特性的高頻變換器適用。以下幾種有大電感與變壓器原邊相串聯(lián)的拓撲適合采用。其中一種形式是圖11所示的全橋型變換器。原邊電路中采用串聯(lián)電感，從而感應耦合器的漏感被有效利用起來(lái)，磁化電感也可利用來(lái)擴大變換器ZVS的工作范圍。對于450V的輸入總線(xiàn)電壓，可以采用1∶1的匝比，也即原邊繞組和副邊繞組均采用4匝線(xiàn)圈。橋式結構的變換器拓撲的缺點(diǎn)之一是峰值電流較高，特別在低壓輸入時(shí)峰值特別高。此外對應輕載時(shí)，變換器進(jìn)入斷續工作狀態(tài)，主開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗增加，調節特性變差。因而，通常要保證一個(gè)最小負載電流，確保ZVS。另一類(lèi)具有高頻電流源特性的變換器拓撲是諧振變換器。文獻對這些變換器拓撲進(jìn)行了分類(lèi)，分為電流型和電壓型。在電流型變換器中，變換器由電流源供電。在這類(lèi)拓撲中，電流得到有效的控制。但其缺陷是開(kāi)關(guān)管上承受的電壓未得到有效控制。因為，大多數功率器件對過(guò)流的承受能力比過(guò)壓的承受能力要強。另外，在電壓源型變換器中，開(kāi)關(guān)器件的電壓得到很好的限制，但在全橋和半橋拓撲中，卻可能會(huì )因擊穿損壞。這些變換器通常被分為串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)諧振3種類(lèi)型。在串聯(lián)諧振變換器中，諧振電感與變壓器原邊串聯(lián)，而其他類(lèi)型變換器中，電容與變壓器串聯(lián)。只有串聯(lián)諧振變換器是硬電流源特性，而其他類(lèi)型變換器是硬電壓源型。為了有效利用感應耦合器磁化電感和匝間電容，可以采用不同的串聯(lián)諧振變換器。一種拓撲形式的串并聯(lián)LLCC諧振變換器，另外一些諧振變換器也可考慮。如前所述，匝間電容、磁化電感和漏感均得到了充分利用。這一方案因變換器和感應耦合器得到了很好的匹配，頗具吸引力。該變換器可以工作于高于諧振頻率的ZVS狀態(tài)，或低于諧振頻率的ZCS狀態(tài)，輸出電壓可采用變頻控制。然而，為了優(yōu)化感應耦合器性能，一般設計為高頻對應于輕載工作，低頻對應于重載工作，從而在頻率變化范圍內，變換器的開(kāi)關(guān)損耗基本保持恒定。由于并聯(lián)諧振電路的升壓特性，最大的變換器電壓增益稍大于1。對于輸入電壓450V，輸出電壓400V，可用1∶1的匝比。這種變換器輕載工作時(shí)輸出電壓控制特性比較差，需要采用其他的一些控制技術(shù)。一種方案是使用輸入Boost級調節輸出電壓，另一種方案是采用PWM或移相控制。這兩種控制技術(shù)在相關(guān)文獻中都有較詳細的介紹。4.3 充電模式3這是一種快速充電模式，主要針對長(cháng)距離旅行(Journey)情況進(jìn)行充電。充電器對應高功率特性（>100kW），主要用于一些固定的充電站。對于100kW的功率等級，充電時(shí)間約為15min。為提高功率因數，降低輸入電網(wǎng)諧波，變換器輸入端一般需要采用有源整流電路，可以采用不同的控制方案，包括矢量控制，六階梯波控制，數字控制技術(shù)等[11]。為了進(jìn)一步提高變換效率，允許高頻工作，可以采用ZVT電路。利用輔助電路實(shí)現了主開(kāi)關(guān)器件的ZVT，主開(kāi)關(guān)仍為PWM控制。如前所述，高功率充電模式通常只在充電站使用。因為，充電站可能會(huì )裝有多個(gè)充電器，每個(gè)充電器均采用單獨的整流級必然會(huì )使系統體積龐大，成本大大增加。為簡(jiǎn)化系統設計，可為整個(gè)充電站配備一個(gè)專(zhuān)門(mén)的PFC或諧波補償變換器，從而充電主電路，都連接在同一個(gè)有源輸入整流電路上。有源濾波器定額約為充電站額定功率定額的20％。在整流端一般采用直流側電感來(lái)提高整流器的功率因數，可以選用串聯(lián)或并聯(lián)方式的有源濾波方案。有源濾波器可以采用傳統硬開(kāi)關(guān)PWM逆變器電路，或采用軟開(kāi)關(guān)逆變器，從而工作在更高開(kāi)關(guān)頻率，提高控制帶寬，對更高階的諧波進(jìn)行補償。諧振直流環(huán)節變換器比較適合于在較寬中功率范圍逆變器場(chǎng)合下工作。與傳統PWM變換器不同的是，諧振直流環(huán)節逆變器采用離散脈沖調節（DPM，Discrete Pulse Modulation）控制，開(kāi)關(guān)頻率較高，所需的濾波器尺寸較小。此外，由于dv/dt得以控制，所產(chǎn)生的EMI較小。與充電模式2類(lèi)似，充電變換器可以直接采用全橋或帶諧振的全橋變換器。但是，由于充電模式3功率級更高，與諧振式全橋變換器相比，一般的全橋變換器必然會(huì )對應很高的峰值電流。因此，應當考慮采用ZVS或ZCS諧振全橋拓撲來(lái)有效降低損耗。 如前所述，串并聯(lián)全橋諧振型變換器是可選拓撲，它滿(mǎn)足了感應耦合充電變換器的所有設計考慮，并且完全利用了感應耦合器的等效電路元件。根據功率器件性能差異，可分別選擇ZVS或ZCS方案。對于高功率等級和高頻場(chǎng)合，具有相對較小導通損耗和高頻能力的IGBT具有較大的吸引力。由于感應耦合器優(yōu)化設計的頻率范圍為70～300kHz，因此，需要軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)優(yōu)化IGBT的性能。文獻[10]中結果表明：在ZVS情況下，IGBT關(guān)斷損耗仍然較大，管芯溫度較高；而ZCS可使得IGBT在ZCS情況下關(guān)斷，減小了關(guān)斷損耗，使IGBT能夠更好地用于高開(kāi)關(guān)頻率下。為了進(jìn)一步降低器件電流應力，減小傳輸電纜的尺寸和重量，可以采用較高電平的總線(xiàn)電壓。此時(shí)感應耦合器可以采用2∶1的匝比。從而當副邊采用4匝時(shí)，原邊要采用8匝。對于400V的電池電壓，直流總線(xiàn)電壓至少必須為DC800V，此時(shí)必須采用定額為1200V/400A的IGBT。5 結語(yǔ)本文根據SAEJ1773對感應耦合器的規定，對電動(dòng)汽車(chē)供電電池的充電器進(jìn)行了討論。根據感應耦合器的標準及不同的充電模式，確定了與感應耦合器相匹配的充電器的幾種設計方案，對適合不同充電模式的電路拓撲進(jìn)行了選擇。最后給出了分別適合于不同充電等級的備選變換器拓撲方案。(秦海鴻 朱德明 嚴仰光)