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800V平台车载充电系统PFC兼容设计可行性分析

2025-05-18 101 上传者：管理员

摘要：电动汽车产业进入规模化快速发展新阶段，充电基础设施匮乏及充电速度慢等问题日益突出，提升充电功率，兼容充电设施成为焦点。文章对800V电压平台三相车载充电系统功率因数校正电路（Power Factor Correction,PFC）进行设计分析，旨在提升慢充功率及兼容性，并对充电模式和放电模式进行仿真分析，在某车型上制作样机验证，最终得出一种适合车载单相/三相大功率双向变换PFC电路设计方案，为后续量产设计提供参考。

关键词：
800V高压系统
单相/三相PFC电路
双向功率变换
电动汽车
车载充电系统
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电动汽车车载充电电源电路中,功率因数校正电路(PowerFactorCorrection,PFC)是重要组成部分｡现有的功率因数校正电路的外接电源多为交流民用电,其功率受限制,最大功率为6.6kW｡随着电动汽车产业进入规模化快速发展新阶段,充电基础设施匮乏､充电速度慢等问题日益突出,急需提升车载充电功率及兼容性｡本文基于某车型800V平台的车载充电系统,以其交流AC-DC电路中的功率校正因数电路作为主要技术要点进行设计分析,以求提供一种提升车载充电功率及兼容性的有效方案｡

1、车载充电系统PFC设计

1.1车载充电机模块指标

本文以某车型项目中的车载充电机的指标为依据进行方案论证分析,该车载充电机的具体指标如表1所示｡

表111kW车载充电机模块指标

1.2技术方案及原理

交流车载充电机是电动车和电网进行电能交换的主要装置｡交流充电功率变换系统原理如图1所示,主要由双向PFC滤波器､双向AC/DC变换拓扑､双向DC/DC变换拓扑以及控制电路等模块串并联组成｡充电方向从电网到电动车,放电方向从电动车到电网流动,本文主要对其中的双向PFC电路进行分析｡

图1交流充电功率变换系统原理

有桥式PFC主要由4个开关管桥臂和Boost电路构成,其功率器件数量少,结构及控制简单,但是开关电流应力和损耗很大,畸变和谐波含量高,无法实现反向放电｡如图2所示｡

图2有桥式PFC

有桥交错并联PFC在有桥PFC电路基础上多一组Boost桥臂,可通过两路开关桥臂,实现交错工作和软启动,纹波低,效率高,但无放电功能,适合应用在中型功率场合｡如图3所示｡

图3有桥交错并联PFC

无桥式PFC由两组对称的传统Boost电路组成,由于去掉了整流桥,减少了开关应力和损耗｡该形式电路效率较高,谐波较低,适合中高功率场合｡如图4所示｡

图4无桥式PFC

无桥交错并联PFC与无桥电路结构类似,在无桥型的基础上,在桥臂上多并联一个开关管和一个升压电感,分担单路功率需求,增加功率等级｡通过两路交错工作,纹波电流较少,效率高,但电路复杂,器件数量多｡因此,该拓扑在大功率场合比较合适｡如图5所示｡

图5无桥交错并联PFC

结合以上分析,各三相双向PFC电路拓扑特点对比如表2所示｡

表2几种PFC电路特点对比

基于表2结果分析,为实现该车型指标要求,选定无桥交错并联PFC电路拓扑为基础较为合适｡因此,如图6所示,将拓扑中的二极管换成MOS,提高每一路的MOS耐压耐流能力,即可实现11kW的三相PFC电路大功率交流充电和反向放电｡

图6三相交流大功率PFC电路

2、PFC电路兼容性分析

通过上文选定PFC电路拓扑后,考虑目前三相充电设施配置较少,单相充电设施占大多数,但现有三相方案在单相充电设施中无法使用,因此,需要考虑一种在提升慢充功率的同时保证随时单相设施能兼容使用的方案｡对三相PFC电路的分析,该电路在缺相时,会出现相位不平衡而无法工作｡因此,本文提出一种方案,通过相位检测,提前识别单相和三相电,增加一路单相PFC桥臂组合,通过MOS的开关控制,实现单相/三相交流识别切换和兼容｡

如图7所示,增加一组桥式MOS电路,通过8开关式的PFC电路,L-1至L-4节点分别接入三相交流的A､B､C､N相,通过三组MOS开关桥臂工作,将充电功率提升至11kW｡当接入单相电时,前三组桥臂任意一组通电,和第四组桥臂组成单相PFC电路,实现单相PFC的功能,在单相充电时满足最大6.6kW充电功率交流输入｡

MOS控制方式采用空间矢量脉宽调制(SpaceVectorPulseWidthModulation,SVPWM)方式,通过对GAHPFC和SAHPFC驱动端口实现空间矢量脉宽调制,具有更好母线电压利用率,畸变和纹波含量低,很大程度上提升兼容电压范围和充电功率｡

图7单/三相兼容PFC电路设

3、PFC电路仿真测试

图8､图9是基于单相/三相交流输入充电模式下,通过MATLAB搭建电路仿真后的输入输出波形｡图中显示了该电路方案单相输出母线波形和交流线电压对应关系,可以看到,经过本文电路作用,实现了平滑的直流母线电压,且搭载方案的零件在整车正常工作,完成测试｡仿真结果验证了本文提出的电路方案和控制策略的充电模式兼容的可行性｡

图8单相交流6.6kWPFC电路充电模式直流母线输入输出波形

图9三相交流11kWPFC电路充电模式直流母线输入输出波形

图10是基于单相/三相交流输入放电模式下,通硫酸浓度与硫酸密度关系较大｡鉴于此,对不同酸密度对电池充电接受能力的影响进行了验证｡

图10三相交流及单相交流PFC电路反向放电模式输入输出波形

根据以上机理,试制装配了样品蓄电池,电池型号为LN3(H6),并按照BMW95001-4:2013标准中9.7章节进行动态接受能力验证,电池不同酸密度的充电接受能力试验结果见表7｡

表7电池不同酸密度的充电接受能力试验结果

根据以上试验可以看出,随着电池SOC的增加,充电电流降低;同时,随着电池密度的增加,充电接受能力下降,酸密度较高时会阻碍充电接受能力｡酸密度的提高不仅会导致充电接受能力下降,也会降低电池的循环寿命,特别是高温循环寿命｡综合考虑初期容量及寿命,电池的酸密度建议在1.29~1.30g/cm3左右为最佳｡

4、总结

通过对启停电池超充电接受机理分析,以及对板栅合金､负极添加剂及电池酸密度的优化与试验验证,得出以下结论｡

1)Sn对板栅和铅膏的结合力有较大影响,对电池储存一段时间后再充电的接受能力有一定的提升作用｡

2)木素､腐殖酸对低温充电接受有一定影响,木素和腐殖酸混合使用综合性能最优,特别是电池在0℃时的充电接受能力相对提升较高｡

3)石墨在提升充电接受能力方面优于炭材料,但失水相对较多,需根据电池需求进行优化调整｡

4)随着电池酸密度的提高,充电接受能力下降｡综合来看,酸密度在1.29~1.30g/cm3之间最优｡

参考文献:

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[2]柴树松.汽车免维护蓄电池充电接受能力的分析[J].蓄电池,2003(2):55-59.

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基金资助:广西重点研发计划(桂科AB22362);柳州市科技计划项目(2022ABA0103);