引言
我国新能源汽车发展前景广阔,主要体现在消费市场规模大、整车制造能力强、政策支持等方面;与此同时,我国新能源车企掌握诸多核心科技,能够引领中国新能源汽车迈入更广阔的领域。
随着政府给予新能源领域更多的扶持政策、更开放的市场竞争机制,我国新能源汽车制造业将进一步向高质量发展。然而,随着新能源汽车的不断普及,相应的配套设施亟需建设,首当其冲的就是新能源汽车充电设施。当前,我国新能源汽车产业发展目标趋稳且坚持纯电驱动的战略方向不会改变,同时我国新能源汽车保有量大且逐年递增,这就导致充电设施与市场需求有一定差距。因此,研究并发展大功率充电桩有广阔的市场前景,更是推动新能源汽车发展的重要基石。
本文基于三相维也纳整流器设计了汽车充电桩,采用两级电路,为避免在充电过程中给电网造成谐波污染,前级整流电路采用三相维也纳整流器,后级DC—DC变换器采用全桥LLC谐振变换器,最后使用MATLAB对基于三相维也纳整流器的汽车充电桩进行仿真验证。
1、 三相维也纳整流器工作原理
本设计采用的三相维也纳整流器拓扑结构图如图1所示,该拓扑结构具有系统效率高、功率因数高、功率密度高、所需开关器件相对较少、总谐波失真低、拓扑结构简单等优点能够在实践中广泛应用。
图1中,va、vb、vc为三相交流输入电源,L1、L2、L3为等值滤波电感,D1、D2、D3、D4、D5、D6为6个起钳位作用的低频二极管,S1、S2、S3为双向开关管,通过导通、关断控制电流的双向流通,C1、C2为等值电容。
三相维也纳整流器拓扑结构对称,且三相交流输入电源与输入电流在理想情况下具有相同相位,因此可以将一个工频周期以相同间隔等分为6个扇区,每个扇区分别用 I~Ⅵ表示,如图2所示。I扇区内电压、电流极性为Ua >0、Ub<0、Uc>0,ia>0、ib<0、ic>0。I扇区内双向开关管S1、S2、S3 的导通、关断状态组合如表1所示。
根据上述分析可知I扇区内三相维也纳整流器的工作特性,三相电感L1/L2/L3、电容C1/C2 的工作状态跟随双向开关管S1/S2/S3的导通、关断而发生变化;三相维也纳整流器交流侧到直流侧中点的电压在0、+U0/2、—U0/2三种电平之间切换。本文仅以I扇区工作特性为例进行分析,Ⅱ~Ⅵ扇区工作特性与I扇区类似,本文不再赘述。
2、全桥LLC谐振变换器工作原理
全桥LLC谐振变换器能够实现零电流关断、零电压开通,且具有高性能、高效率、高功率密度的优点,电路拓扑结构采用全桥设计,无须复杂驱动拓扑即可正常工作。如图3所示,T1为变压器,S4、S5、S6、S7构成输入全桥,D13、D14、D15、D16构成输出整流全桥,Lm为励磁电感,Lr为谐振电感,cr为谐振电容。
电路中谐振电容cr与谐振电感Lr构成谐振腔,Lm为励磁电感;谐振电容cr与励磁电感Lm、谐振电感Lr能够发生谐振,因此电路可以产生两个谐振频率,分别为⨍r和⨍m。谐振频率⨍r和⨍m能够通过公式(1)和公式(2)计算得出:
若LLC谐振变换器的工作频率为⨍s,通过分析,可以得出LLC谐振变换器的工作区域可以划分为三个区域,分别为容性区域⨍s<⨍m,弱感性区域⨍m≤⨍s≤⨍
r,强感性区域⨍s>⨍r。为确保LLC谐振变换器能够实现零电流关断、零电压开通,LLC谐振变换器的理想工作区域为弱感性区域,此时LLC谐振变换器的工作频率⨍s的取值范围为⨍m≤⨍s≤⨍r。
LLC谐振变换器通过开关管S4、S7和S5、S6交替开关来保持输出电压恒定。如图4所示,当处于t0—t1时刻,全桥LLC谐振变换器的功率器件关断,进入死区,此时间很短,谐振电流Ir使S4、S7零电压关断;当处于t1—t2 时刻,S4、S7导通,整流二极管D13、D16导通,变压器T1原边向副边提供电能,同时变压器T1副边向负载提供电能;当处于t2—t3时刻,谐振电流Ir与励磁电流Im相等,整流二极管D13、D16关断,仅由滤波电容C1 向负载供电;当处于t3、t4、t5、t6 时刻,其工作状态与t0、t1、t2、t3时刻相似,本文不再赘述。
3 、20 kw充电桩参数设计
20 kw充电桩设计参数如表2所示。
根据设计参数,需要对三相维也纳整流器、全桥LLC谐振变换器中的主要元件参数进行计算,基于各元件参数进行器件选型,以此满足设计要求。
3.1 三相维也纳整流器主要元件参数计算
三相维也纳整流器主要计算交流侧输入电感、直流侧输出电容的大小。通过查阅相关文献,可知交流侧输入电感、直流侧输出电容的计算公式,即公式(3)(4)。
式中:L为交流侧输入电感;uo 为直流侧输出基准电压;um为交流侧三相电源的输入峰值相电压;Ts为一个控制开关周期;Δimax为输入的纹波电流最大值;Im为输入的相电流峰值;w为输入三相电源的角频率。
式中:C为直流侧输出电容;Δpmax为三相维也纳整流器直流侧输出电压受到的最大扰动功率;Tr为三相维也纳整流器控制运行过程中电压外环的响应时间;Δumax为直流侧输出电压中纹波的最大值;tr为直流侧输出电压从控制运行开始时的初始值至额定值的时间;RLe为直流输出侧负载的等效电阻值。
故根据公式(3),代入相关数值可得出本设计交流侧输入电感L的范围,本设计取470μH。
故根据公式(4),代入相关数值可得出本设计直流侧输出电容C的范围,本设计取680μF。
3.2 全桥LLC谐振变换器主要元件参数计算
全桥LLC谐振变换器主要计算谐振腔的谐振电容Cr、谐振电感Lr、励磁电感Lm、变压器的匝数比N。
三相维也纳整流器直流侧电压为0、400、—400V,因此能够得到800 V的直流输出电压,作为全桥LLC谐振变换器的直流输入电压。
变压器匝数比N由公式(5)确定,vin为直流母线电压800V,vo为额定输出电压650V,可以计算出N=0.62,取N=1。
为满足宽范围输出,且考虑开关管的零电压导通和导通损耗,死区时间td取200 ns,Coss为MOSFET的结电容,根据公式(6)计算变压器励磁电感Lm=74 μH。
式中:T0为一个周期内导通时间。
本设计确定谐振频率⨍s为100 KHz,品质因数Q取0.55,RL为负载电阻,由励磁电感Lm、电感比Ln、品质因数Q之间的关系,可根据公式(7)推出电感比Ln,Ln=4.7。
由公式(8)可计算谐振电感Lr,Lr=15.7 μH。
根据工作频率⨍s确认谐振电容cr,可由公式(1)计算出cr=162 nF。
4、仿真与结果
利用仿真实验来验证理论的可行性,及早发现设计中可能存在的缺陷,能够通过不断完善设计,从而节省后续研发费用。本设计采用MATLAB/simulinK对三相维也纳整流电路、全桥LLC谐振电路进行仿真验证。
根据本设计的具体设计参数计算三相维也纳整流器主要元器件参数,然后将图5所示仿真模型中参数调整至所需,能够得到图6所示三相维也纳整流器输出电压仿真波形;通过分析直流电压仿真波形可以得出,三相维也纳整流器直流输出电压能够稳定在800 V。
计算全桥LLC谐振变换器主要元器件的参数,将图7所示仿真模型的参数调整至所需,能够得到图8所示全桥LLC谐振变换器输出电压仿真波形;通过分析输出电压仿真波形可以得出,直流电压能够稳定在650 V。
本设计采用三相维也纳整流电路与全桥LLC谐振变换器的拓扑结构,理论上三相维也纳整流电路能够将输入的三相交流电经整流后稳定输出所需直流电,且输出电压稳定,如图6所示;再利用全桥LLC谐振变换器将800 V直流电调整至所需直流电,如图8所示,输出电压稳定。本设计也可以加入相应的检测电路,能够随时根据实际负荷调整所需的电压大小,不仅能提高设备的安全性、可靠性,同时还能降低电能的不必要损耗。
5、 总结与展望
本设计以三相维也纳整流器为核心,重点介绍三相维也纳整流器的工作原理以及主要元器件参数的计算,全桥LLC谐振变换器的工作原理以及主要元器件参数的计算。通过MATLAB进行仿真实验,在理论上验证基于三相维也纳整流器的20 kw充电桩的理论可行性,证明基于三相维也纳整流器的汽车充电桩能够将输入的三相交流电整流为所需的直流电,且输出的直流电压稳定在650 V。
我国新能源板块的蓬勃发展,得益于相关政策的扶持,得益于新能源汽车的大量普及。而新能源汽车的快速发展取决于两个支撑面,其一是电池,其二是汽车快充桩。储能设备的不断迭代,如当下应用较为广泛的磷酸铁锂电池,以及逐步量产的固态电池,为新能源汽车的快速发展提供了可靠的基石;快充桩作为新能源板块必备的配套设施也应紧随其后,为新能源广泛应用提供支持。
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