技术与市场
创新与实践
２０２１年第２８卷第５期
电动汽车车载充电机原理分析及仿真验证
杨 洁１，柯建明１，２，文 午１
，２
（１．中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲４１２０００；
２．大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南株洲４１２０００）
摘 要：以电动汽车的车载充电机为研究对象，分析车载充电机所使用的全桥隔离型ＤＣ／ＤＣ电路的拓扑结构和工作原理，根据车载蓄电池组的特性采用电流和电压闭环控制，实现对蓄电池的恒流和恒压２种不同方式的充电。最后利用仿真软件ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ搭建了整个系统的仿真模型，对充电机及其控制策略进行了验证。关键词：充电机；全桥隔离型ＤＣ／ＤＣ电路；蓄电池；闭环控制策略
Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｏｎ ｂｏａｒｄｃｈａｒｇｅｒ
ＹＡＮＧＪｉｅ１，ＫＥＪｉａｎｍｉｎｇ１，２，ＷＥＮＷｕ
１，２
（１．ＣＲＲＣＺｈｕｚｈｏｕＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｈｅＳｔａｔｅｋｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｅａｖｙＤｕｔｙＡＣＤｒｉｖｅＥｌｅｃｔｒｉｃＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅＳｙｓｔｅｍｓＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｔａｋｅｓｔｈｅｏｎ ｂｏａｒｄｃｈａｒｇｅｒｏｆａｎｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｔｏｐｏｌｏｇｙａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅｉｓｏｌａｔｅｄＤＣ／ＤＣｃｉｒｃｕｉｔｕｓｅｄｉｎｔｈｅｏｎ ｂｏａｒｄｃｈａｒｇｅｒ，ａｎｄａｄｏｐｔｓｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｖｏｌｔａｇｅｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐｃｏｎ ｔｒｏｌａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｏｎ ｂｏａｒｄｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅＴｈｅｂａｔｔｅｒｙｈａｓｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅ
ｎｔｃｈａｒｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ：ｃｏｎ ｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｃｏｎｓｔａｎｔｖｏｌｔａｇｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｅｎｔｉｒｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｂｕｉｌｔｕｓｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅＭＡＴ ＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｈａｒｇｅｒａｎｄｉｔｓｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｈａｒｇｅｒ；ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅｉｓｏｌａｔｅｄＤＣ／ＤＣｃｉｒｃｕｉｔ；ｂａｔｔｅｒｙ；ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０２１．０５．００３ 引言
电动汽车的车载充电机是连接车辆高压母线和低压母线的核心设备，其主要作用就是将动力电池输出的高压直流转换为低压直流，为车辆的辅助设备供电，同时给车载蓄电池充电。目前的新能源电动汽车车载充电机大多采用隔离型全桥ＤＣ／ＤＣ电路作为主拓扑结构，其特点是电压变换范围宽且抗干扰能力强，由于使用隔离变压器，将高压侧和低压侧进行电气隔离，保证充电机的安全可靠。 主电路原理
全桥隔离型ＤＣ／ＤＣ电路拓扑如图１所示，其中ｖｉｎ
为输入侧直流电源，对应有轨电车中储能电源的输出电压。Ｑ１～Ｑ４四支ＩＧＢＴ开关管构成一个
Ｈ全桥，Ｑ２和Ｑ３组成超前桥臂，Ｑ２和Ｑ４组成滞后桥臂，每个桥臂的２根开关管互补导通，驱动信号相差１８０°，２个桥臂之间的导通角相差一定的相位，通过调节移相角的大小来改变输出的电压幅值。电感Ｌｒ为谐振电感包含隔离变压器Ｔ１原变的漏感，变压器副变连接整流二极管Ｄ１和Ｄ２，Ｌｆ和Ｃｆ构成的滤波电路使得整流得到的高频
脉动电压变为平滑的直流电压。
北京电动汽车图１ 全桥隔离型ＤＣ／ＤＣ电路拓扑结构
９
创新与实践ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡＮＤＭＡＲＫＥＴ
Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．５，２０２１
蓄电池充电特性
汽车通常采用１２Ｖ或者２４Ｖ的铅酸蓄电池组作为辅助电源，以德国荷贝克的４４Ａｈ的蓄电池为例，蓄电池单体额定
电压为２Ｖ，整个蓄电池组为１２节电池单体串联，总的额定电压为２
４Ｖ，实际工作电压在２０～３０Ｖ。蓄电池单体的充电特性如图２所示，
蓄电池的充电分为恒压限流和恒压浮冲两个阶段。
图２ 蓄电池单体充电特性曲线
充电控制策略
蓄电池的充电流程如图３所示，首先以４４Ａ的电流对电池进行恒流充电，判断蓄电池端电压是否大于２８．２Ｖ，如果满足条件，就进入恒压匀冲阶段；一直到蓄电池的充电电流小于４．４Ａ后，
最后进行恒压浮冲。
图３ 蓄电池充电流程图
为了满足蓄电池的充电需求，充电机采用的控制策略框图如图４所示，其中ｖｌｏａｄ为负载输出端的电压，ｉｂａｔｔｅｒ为蓄电池的充电电流。ｖｒｅｆ和ｉｒｅｆ分别为系统所设定的ＤＣ／ＤＣ变换器输出参考电压和蓄电池充电的参考电流。采样的实际值和参考值比较之后的误差值输入ＰＩ调节模块，经过ＰＩ算法得到控制Ｈ桥
开关管Ｑ１、Ｑ３与Ｑ２、Ｑ４开关管之间的移相角度θ的大小，其范围为［－π，π］。最后通过模式判断，来进行恒压和恒流２种闭
环控制策略之间的切换。
图４ 充电机控制策略框图
仿真分析
根据上述分析的充电机所采用全桥隔离型ＤＣ／ＤＣ变换器电路的工作原理和控制策略，利用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块搭建了有轨电车充电机系统的仿真模型如图５所示，通过控制输出的电压和蓄电池充电电流的大小，验证全桥ＤＣ／ＤＣ电路控制策略的可行性和正确性，系统主要参数如表１
所示。
图５ 充电机系统仿真模型
０
１
技术与市场
创新与实践
２０２１年第２８卷第５期
表１ 系统仿真主要参数
参数名称数值超级电容电压ＤＣ６００Ｖ输出额定电压２７Ｖ蓄电池充电电流４４Ａ开关频率ｆ５ｋＨｚ输出滤波器Ｌｆ、Ｃｆ１ｍＨ、０．９ｍＦ电压ＰＩ调节器参数ｖＰ＝１，ｖＩ＝５电流ＰＩ调节器参数
ｉＰ＝０．１，ｉ
Ｉ＝
１ 整个仿真时长为４ｓ，由于时间较短，为了得到蓄电池电量
充满之后从恒流充电转换到恒流压浮充的模式企切换过程的充曲线，设置蓄电池ＳＯＣ为９９％。仿真结果如图所示，恒流充电阶段（０～２ｓ）蓄电池的电流为恒定的４４Ａ，蓄电池的电压缓慢上升，直到蓄电池电压达到２９Ｖ后切换大恒压浮充阶段（２～４ｓ），充电机输出电压下降到２７Ｖ，同时蓄电池的电流降到０Ａ左右，与前述理论一致。 结语
介绍新能源汽车车载充电机主电路的拓扑结构，对其使用全桥隔离型ＤＣ／ＤＣ电路工作原理进行了详细分析，根据车辆蓄电池的充电特性曲线，制定了充电机的控制流程和策略，最
后通过仿真验证了控制策略的合理性和可行性。
图６ 充电机输出端电压ｖｌｏａｄ波形 图７ 蓄电池电流ｉｂａｔｔｅｒ
波形参考文献：
［１］ 王兆安，黄俊．电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工业出版
社，２００４．
［２］ 阮新波，严仰光．脉宽调制ＤＣ／ＤＣ全桥变换器的软开关
技术［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９９．
［３］ 张谋先．移相全桥软开关ＤＣ／ＤＣ变换器的研究［Ｄ］．
北京：中国科学院研究生院，２００２．
［４］ 林萌宇．移相全桥零电压ＰＷＭ变换器的建模与仿真［Ｊ］．
重庆大学学报，２００２：４９－５２．［５］ 刘广林．铅酸序电池技术手册［Ｍ］．北京：宇航出版社，
１９９１（１）：１４３－１５２．
［６］ 刘朋．用于超级电容储能系统的三电平双向直流变换器
及其控制［Ｊ］．电工技术学报，２０１５（８）：８３－８９．
作者简介：
杨洁（
１９９４—），男，湖南张家界人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：轨道交通储能系统。
（上接第８页） 结语
本文在对分布式机载供电设备的原理框图、功能架构以及对外接口进行概述的基础上，结合供电设备自身特点，围绕其测试性展开详细分析和设计。从输入信号、输出信号、ＣＡＮ总线以及功率电路几个方面入手对分布式机载供电设备的测试点进行必要性分析，布置出了７个测试点，分别对７个测试点的设计和实现进行详细分析，给出可借鉴的测试电路原理图，并对其设计参数进行分析说明，最终的测试性数据通过ＣＡＮ总线上报系统，从系统层面进行健康管理和诊断。参考文献：
［１］ 田家柱，李岩，吴迪．航空高压直流供电系统多相整流控
制技术研究［Ｊ］．微电机，２０１８，５１（２）：４５－５０．［２］ 陈卫华．飞机２７０Ｖ高压直流供电系统结构及仿真技术
研究［Ｄ］．南京：南京航空航天大学，２０１０．
［３］ 李宁，雷洪利，韩建定．飞机供电系统的改进型ＰＨＭ
方案［Ｊ］．空军工程大学学报，２０１１，１２（１）：２０－２３．［４］ 王波，范敏．系统级测试性设计在舰船作战系统中的
应用［
Ｊ］．舰船电子工程，２０１９，３９（３）：１２９－１３２．［５］ 孔令宽，胡政，杨定新，等．基于多信号模型的卫星电源测
试性建模与分析［Ｊ］．华中科技大学学报，２００９，３７（１）：１９０－１９３．作者简介：
高唤梅（１９８４—），女，山西太原人，硕士，工程师，研究方向：飞机供电系统及机载用电设备供电兼容性研究、机载综合射频系统供电分配、用电设备电源设计等。
１
１
发布评论