大功率直流快充充电桩关键技术及性能测试

吴 冬 王 兵 孙 木 张亚萍

（天津平高智能电气有限公司，河南 平顶山 467000）

统计数据显示，2020 年全球电动汽车销量超过300 万辆，同比增长43%。其中仅中国就达到了130 万辆，占比近2/5。在国家政策支持、财政补贴以及行业大环境等各种因素的影响下，电动汽车的发展前景广阔。充电桩是电动汽车能源供给的主要设施，目前主要有AC220V 交流充电桩和AC380 直流充电桩2 种类型，前者需要8h 左右充满，而后者最快仅需2h 即可充满。充电效率是充电桩技术创新的关键，本文提出一种将AC/DC 和DC/DC 两种变换电路相结合的思路，实现了两者的有机互补，最终满足直流充电的大功率、高效率和稳定性要求。

1 大功率直流快充充电桩的关键技术

1.1 直流充电模块AC/DC 变换电路

VIENNA 整流电路在实际应用中具有拓扑结构简单、有源功率器件电压应力较小等特点，因此在通信等领域有广泛使用，根据电路结构的不同，又可分为单相、三相两种型式。单相VIENNA 整流电路相比于传统电路具有诸多优势，例如可输出双极性直流电压，并且电压可以达到1kV 以上，而后者只能输出单极性电压，并且电压最高为380V。为了满足大功率充电需求，将3 个单相电路采用混连方式，组成三相VIENNA 整流电路，其结构如图1 所示。

图1 三相VIENNA 整流电路

图1 中，S1-3为全控型开关器件，C1-2为输出电容，R 为负载、M 为连接点，Dam等为二极管，La等为输入电感，Ua等为交流电源。分析电路结构可以发现，三相VIENNA 整流电路具有较好的对称性，A、B、C 三相在结构组成和工作原理上保持一致。

1.2 直流充电模块DC/DC 变换电路

上文介绍的AC/DC 变换电路虽然能够满足高频化、大功率的充电要求，但是由此也产生了一些新的问题，例如开关损耗增加、工作效率降低等。而基于全桥LLC 谐振变换原理的DC/DC 变换电路，则很好地解决了这一问题。其结构组成如图2所示。

图2 全桥LLC 谐振变换电路

1.3 直流充电模块的硬件技术

硬件部分的控制系统，采用TM2320 芯片作为终端控制单元，除了实现信息处理、指令下达等基本功能外，还具有故障自检和处理、系统状态监测等功能。除此之外，硬件部分还包括：（1）三相VIENNA 驱动电路。使用三端稳压元件，能够为电力中的光耦元件和驱动芯片提供稳定的电压，避免大功率快充时因为瞬时电压过高而对灵敏元件造成损害。（2）全桥LLC 谐振变换驱动电路。使用两台独立变压器，将主电路与控制电路隔离开来，同时每个电路上分别提供一个带有驱动芯片的开关管，保证电路控制响应的及时性。（3）电流、电压检测电路。同时提供输入电流和电压的检测功能。为降低干扰、保证检测的灵敏度，需要采取电流信号的隔离措施；为保证驱动能力，需要将输入电压通过A/D 转换模块进行调制。

1.4 直流充电模块的软件技术

为保证大功率直流快充功能的实现，整个系统的软件部分主要由以下几部分组成：（1）系统主程序。软件上电运行后，在主程序的控制下，首先完成各控制量的初始化。包括变量、常量初始化、A/D 转换模块初始化等，使系统处于待机状态。初始化结束后，开始进入主程序，根据A/D 中断信号的判断，决定是否进入A/D 中断服务程序。（2）A/D 中断服务程序。当该程序被启动后，系统首先利用A/D 采样模块，读取采集到的数字信号。同时，将实时信号与系统预设的保护值进行对照，从而判断是否存在过流、过压情况。如果采集信号超出保护值，则发出相应指令实现过流、过压保护。（3）数字PI 调节程序。该程序的功能是纠正系统运行时产生的偏差值，从而使系统的电压给定值与电压反馈值维持在较小范围。PI 调节的变量可由公式计算得出：

上式中，u（n）为第n 次采样时，PI 调节的输出量，e（n）为第n 次电压反馈值与电压给定值的差。通过该程序调节，将会使系统维持在额定电压范围内安全运行。

2 大功率直流快充充电桩的性能测试

2.1 测试结果

基于上述软、硬件设计，制作一台额定输出动力为15kW、输出电压500VDC 的样机，以25A 恒定电流运行。直流充电的测试结果为：当输出电压为500V 时，空载状态下输出两条相互独立的电压纹波，随着负载的增加，两条电压波纹的间隔距离缩小，在满载时两者相互交叉，变化过程如图3 所示。

图3 AC/DC 电路输出电压纹波

另外，结合实验中检测数据，在额定电压范围内，通过调整电压，在不同电压下，直流充电模块波形频率虽然保持相同，但是峰值变化明显。电压越大，则波峰、波谷之间的差值相应增加。另外，在达到额定电压500V，在电路满载之后继续增加负载时，会出现直流充电模块突然短路的情况，电压波纹波形消失。这说明该系统具有较好的过载保护能力，对保证系统运行安全有积极帮助。

2.2 直流充电模块的效率

以380V 恒定电压作为该直流充电模块的输入电压，从空载状态按照相同幅度持续加载直到满载，分别记录电压、电流和功率因数的变化。根据测得数据绘制输出电流（A）和系统效率（η）的二维坐标图，如图4 所示。

图4 输出电流与效率的关系图

结合上图中的变化曲线可以发现，随着直流充电模块的输出电流不断增加，其运行效率在1-6A 区间内，上升速度较快；当输出电流达到10A 之后，其运行效率维持在一个相对恒定的状态，甚至在20A 以后有小幅度的下降。判断在空载、轻载状态下，系统运行效率较低的原因可能有两种：其一是输入功率较小，此时输出电压、输出电流都会受到影响，进而导致功率因数不高；其二是存在较高的功率损耗，特别是开关管和驱动电机，都是比较容易发生功率严重损耗的部位。

2.3 直流充电模块的输出外特性

在直流充电模块输出、输入功率不变的状态下，从空载状态下持续加载，直到满载，记录其输出电压、电流的变化情况。观察数据表明，随着输出电流的不断增加，输出电压呈现出稳定下降趋势。两者之间表现出较为良好的线性关系，说明直流充电模块的输出外特性良好，整体性能稳定。

3 结论

在能源紧张和产业升级的大背景下，电动汽车的发展前景广阔。而普及电动汽车的关键之一，就在于修建更多数量的大功率直流快速充电桩，缩短车主停车充电的等待时间，提高充电效率。本文设计的一种大功率直流快速充电系统，将前级AC/DC 变换电路和后级DC/DC 变换电路的优势结合起来，通过仿真验证，表明该系统能够兼顾大功率和高效率的充电需求，且系统运行稳定性好，具有较好的应用前景。