電動汽車充電器電路拓撲的設計考慮

摘要：對電動汽車車載電池的充電器進行了討論。根據(jù)SAE J1773對感應耦合器設計標準的規(guī)定，及不同的充電模式，給出了多種備選設計方案，并針對不同的充電模式、充電等級，給出了最適合的電路拓撲方案。

關鍵詞：電動汽車；充電器；拓撲選擇

0 引言

早在20世紀初期，在歐洲和美國的轎車驅動系統(tǒng)上，曾使用過電力驅動系統(tǒng)，當時的電動車已取代了昔日的馬車和自行車成為主要交通工具。電動汽車所具有的舒適、干凈、無噪聲，污染很小等優(yōu)點曾一度使人們認為這將是交通工具的一個巨大革新。但由于當時電池等關鍵技術的困擾，以及燃油車的發(fā)展，100年來電動汽車的開發(fā)一直受到限制。

隨著現(xiàn)代高新技術的發(fā)展和當今世界環(huán)境、能源兩大難題的日益突出，電力驅動車輛又成為汽車工業(yè)研究、開發(fā)和使用的熱點。世界各國從20世紀80年代開始，掀起了大規(guī)模的開發(fā)電動汽車的高潮。但電動汽車的市場化一直受到一些關鍵技術的困擾。其中，比較突出的一個問題就是確保電動汽車電池組安全、高效、用戶友好、牢固、性價比高的充電技術[1][2]。

1 充電技術

電動汽車電池充電是電動汽車投入市場前，必須解決的關鍵技術之一。電動汽車電池充電一般采用兩種基本方法：接觸式充電和感應耦合式充電。

1.1 接觸式充電

接觸式充電方式采用傳統(tǒng)的接觸器，使用者把充電源接頭連接到汽車上。其典型示例如圖1所示。這種方式的缺陷是：導體裸露在外面，不安全。而且會因多次插拔操作，引起機械磨損，導致接觸松動，不能有效傳輸電能。

圖1 接觸式充電示意圖

1.2 感應耦合式充電

感應耦合式充電方式，即充電源和汽車接受裝置之間不采用直接電接觸的方式，而采用由分離的高頻變壓器組合而成，通過感應耦合，無接觸式地傳輸能量。采用感應耦合式充電方式，可以解決接觸式充電方式的缺陷[3][4]。

圖2給出電動汽車感應耦合充電系統(tǒng)的簡化功率流圖。圖中，輸入電網交流電經過整流后，通過高頻逆變環(huán)節(jié)，經電纜傳輸通過感應耦合器后，傳送到電動汽車輸入端，再經過整流濾波環(huán)節(jié)，給電動汽車車載蓄電池充電。

圖2 EV感應耦合充電系統(tǒng)簡化功率流圖

感應耦合充電方式還可進一步設計成無須人員介入的全自動充電方式。即感應耦合器的磁耦合裝置原副邊之間分開更大距離，充電源安裝在某一固定地點，一旦汽車停靠在這一固定區(qū)域位置上，就可以無接觸式地接受充電源的能量，實現(xiàn)感應充電，從而無須汽車用戶或充電站工作人員的介入，實現(xiàn)了全自動充電。

2 感應耦合充電標準—SAE J-1773

為實現(xiàn)電動汽車市場化，美國汽車工程協(xié)會根據(jù)系統(tǒng)要求，制定了相應的標準。其中，針對電動汽車的充電器，制定了SAE J-1772和SAE J-1773兩種充電標準，分別對應于接觸式充電方式和感應耦合充電方式。電動汽車充電系統(tǒng)制造商在設計研制及生產電動汽車充電器中，必須符合這些標準。

SAE J-1773標準給出了對美國境內電動汽車感應充電耦合器最小實際尺寸及電氣性能的要求。

充電耦合器由兩部分組成：耦合器和汽車插座。其組合相當于工作在80～300kHz頻率之間的原副邊分離的變壓器。

對于感應耦合式電動汽車充電，SAEJ-1773推薦采用三種充電方式，如表1所示。對于不同的充電方式，充電器的設計也會相應地不同。其中，最常用的方式是家用充電方式，充電器功率為6.6kW，更高功率級的充電器一般用于充電站等場合。

表1 SAEJ-1773推薦采用的三種充電模式

根據(jù)SAE J-1773標準，感應耦合器可以用圖3所示的等效電路模型來表示。對應的元件值列于表2中。

圖3 感應耦合器等效電路模型