车载充电机拓扑结构对比
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摘 要
面对传统燃油汽车因尾气排放造成的污染及其对石油等自然资源的过渡消耗，电动汽车成为各国发展的热点。目前许多国家的政府、各大汽车生产厂商以及各个科研机构都在从事电动汽车技术的研究。而电动汽车车载充电机是电动汽车中的一个重要部件，对电动汽车的发展及推广应用都有很重要的作用。
【关键词】车载充电机 拓扑 PFC DCDC
电动汽车从供电电源处获取电能，并将电能转换为蓄电池的化学能，当汽车运行时提供给电动汽车行驶的动能。其充电技术是电动汽车的一项重要的技术，目前充电机根据应用环境，主要有地面式充电机和车载充电机。地面式充电机一般安装在地面，可适应不同的充电需求进行大功率地快充或者小电流地慢充。而车载充电机安装在电动汽车上，一般设计为能与普通的民用交流电源插座连接，用以对电动汽车进行小功率慢速充电，而车载充电机与地面式充电机不同，其除了要考虑充电对蓄电池的影响，还需要对整个充电机的体积、重量、环境因素、车内布局等因素进行考虑，同时由于其大部分采用民用电力进行充电，还需要考虑充电机对电网的影响。
1 车载充电机总体结构
国内外都针对电动汽车车载充电机进行了研究，目前采用的结构分为两大类，一种是不控整流加高频隔离直流变换器。这种结构一般来说对功率有很大限制且功率因数较低，对电网造成的污染较大，因而其大量接入电网可能会对电网的稳定产生影响，但是这种结构满足安全的要求，且一般成本较低，其体积和重量也较容易控制。该结构中，不控整流模块将电网的交流电能转换为直流电能，并进行稳压滤波后，再通过DC/DC变换器将电能变换为可以对蓄电池进行充电的电能。
另一种是前级功率因数校正，后级隔离直流变换器的结构。这种结构也可以满足安全的要求，且对电网污染小，能实现低谐波和高功率因数的要求，但是由于其两级结构导致其装置一般体积会较大，成本较高。该两级结构中的第一级为PFC电路，其可提高输入的功率因数并抑制高次谐波；而第二级为DC/DC变换器，其将电能变换为可以对蓄电池进行充电的电能。而这种两级结构中也有串联的并联两种连接方式，而串联型结构应用最多。其总体结构如图1所示。
2 车载充电机电路设计
由前级PFC和后级DCDC构成的两级结构由于其对电网污染小，能满足效率和功率因数的要求，因而应用最多。
2.1 前级PFC结构
前级PFC电路用于输出稳定的电压，同时使输入具有较高的功率因数。其典型的前级PFC电路结构由BOOST型升压电路、交错并联型PFC等。
2.1.1 BOOST型升压电路
Boost型升旱缏纷魑前级功率因数校正的应用由于其结构简单，控制结构简单，工作性能稳定等优点，因而应用很广，其拓扑结构如图2所示。
该电路的优点是输入电流连续，EMI和RFI较低，其输入电感可以降低对输入滤波的要求，功率因数较高，其缺电是随着输出功率的增加，其导通损耗增大，效率降低同时对散热也有较高要求，其电感体积较大，输出纹波电流也较大。
2.1.2 交错并联型PFC
随着功率等级的不断提高，BOOST型PFC的使用受到限制，而交错并联技术能够有效降低功率器件的电流应力，减小电流纹波和磁性元件的体积并提升设备的功率等级，因而交错并联型PFC在车载充电机中的引用也非常常见。其拓扑结构图如图3所示。
典型的交错并联Boost PFC电路采用两路Boost电路并联，相互互补工作。其电路的优点是工作时由于电路纹波电流的抵消使得输入和输出的纹波电流较低，其相应的滤波电路尺寸可以减小，相比Boost型升压电路，其损耗降低，但是其器件数目增加带来的控制电路使得其成本升高，其对散热也有较高要求。
2.1.3 其他PFC结构
除上述Boost型和交错并联PFC外，其他PFC电路，如全桥PFC、Buck、Buck/Boost、反激式、Cuk式、Zeta式，也在一些设计中有其应用。
2.2 后级DCDC结构
后级DCDC一般受控于电池管理系统，根据电池组反馈的电量信息和所需的充电模式，即使调整输出，以实现智能充电。
2.2.1 移相全桥DCDC变换器
其可以达到最大的输出功率，因而其适用于大功率的场合，但是由于其结构及其控制电路复杂导致其陈本较高，可靠性相对较低。其结构如图4所示。
2.2.2 LLC谐振变换
LLC谐振电路具有开关损耗低、输入电压输出电压调节范围宽的优点，由于其谐振元件都集中到一个磁性元件上因而减小了变换器的体积。然而由于其参数众多，因而导致其工作过程复杂，调试难度大。其结构如图5所示。
2.2.3 其他DCDC电路
除上述移相全桥型和LLC谐振外，还有推挽式电路，其通态损耗较小，驱动简单，这适用于低电压、大电流的工作场合，全桥DCDC电路适合一些大功率应用的场合，其他如有源钳位正激式电路等也在一些设计中有其应用。
3 总结
随着电动汽车在世界范围内受到越来越多的关注，其市场潜力十分大，而电池及其充电技术仍然是一个限制电动汽车普及的因素，其中的车载充电技术也是亟待发展的，电动汽车恶劣的车载条件对其效率、功率因数、功率密度和温度等提出了更高的要求。在现有市场中，其各种拓扑结构各有其优缺点，根据功率需求、输出电压、电流等级要求、成本等具体要求的不同，其车载充电机的具体拓扑结构是多种多样
参考文献
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