摘要：对电动汽车车载电池的充电器进行了讨论。根据SAE J1773对感应耦合器设计标准的规定，及不同的充电模式，给出了多种备选设计方案，并针对不同的充电模式、充电等级，给出了最适合的电路拓扑方案。
关键词：电动汽车；充电器；拓扑选择
0 引言
早在20世纪初期，在欧洲和美国的轿车驱动系统上，曾使用过电力驱动系统，当时的电动车已取代了昔日的马车和自行车成为主要交通工具。电动汽车所具有的舒适、干净、无噪声，污染很小等优点曾一度使人们认为这将是交通工具的一个巨大革新。但由于当时电池等关键技术的困扰，以及燃油车的发展，100年来电动汽车的开发一直受到限制。
随着现代高新技术的发展和当今世界环境、能源两大难题的日益突出，电力驱动车辆又成为汽车工业研究、开发和使用的热点。世界各国从20世纪80年代开始，掀起了大规模的开发电动汽车的高潮。但电动汽车的市场化一直受到一些关键技术的困扰。其中，比较突出的一个问题就是确保电动汽车电池组安全、高效、用户友好、牢固、性价比高的充电技术[1][2]。
1 充电技术
电动汽车电池充电是电动汽车投入市场前，必须解决的关键技术之一。电动汽车电池充电一般采用两种基本方法：接触式充电和感应耦合式充电。
1.1 接触式充电
接触式充电方式采用传统的接触器，使用者把充电源接头连接到汽车上。其典型示例如图1所示。这种方式的缺陷是：导体裸露在外面，不安全。而且会因多次插拔操作，引起机械磨损，导致接触松动，不能有效传输电能。
图1 接触式充电示意图
1.2 感应耦合式充电
感应耦合式充电方式，即充电源和汽车接受装置之间不采用直接电接触的方式，而采用由分离的高频变压器组合而成，通过感应耦合，无接触式地传输能量。采用感应耦合式充电方式，可以解决接触式充电方式的缺陷[3][4]。
图2给出电动汽车感应耦合充电系统的简化功率流图。图中，输入电网交流电经过整流后，通过高频逆变环节，经电缆传输通过感应耦合器后，传送到电动汽车输入端，再经过整流滤波环节，给电动汽车车载蓄电池充电。
图2 EV感应耦合充电系统简化功率流图
感应耦合充电方式还可进一步设计成无须人员介入的全自动充电方式。即感应耦合器的磁耦合装置原副边之间分开更大距离，充电源安装在某一固定地点，一旦汽车停靠在这一固定区域位置上，就可以无接触式地接受充电源的能量，实现感应充电，从而无须汽车用户或充电站工作人员的介入，实现了全自动充电。
2 感应耦合充电标准—SAE J-1773
为实现电动汽车市场化，美国汽车工程协会根据系统要求，制定了相应的标准。其中，针对电动汽车的充电器，制定了SAE J-1772和SAE J-1773两种充电标准，分别对应于接触式充电方式和感应耦合充电方式。电动汽车充电系统制造商在设计研制及生产电动汽车充电器中，必须符合这些标准。
SAE J-1773标准给出了对美国境内电动汽车感应充电耦合器最小实际尺寸及电气性能的要求。
充电耦合器由两部分组成：耦合器和汽车插座。其组合相当于工作在80～300kHz频率之间的原副边分离的变压器。
对于感应耦合式电动汽车充电，SAEJ-1773推荐采用三种充电方式，如表1所示。对于不同的充电方式，充电器的设计也会相应地不同。其中，最常用的方式是家用充电方式，充电器功率为6.6kW，更高功率级的充电器一般用于充电站等场合。
表1 SAEJ-1773推荐采用的三种充电模式 充电模式 充电方式 功率等级 电网输入 模式1 应急充电 1.5kW AC120V,15A单相 模式2 家用充电 6.6kW AC230V,40A单相 模式3 充电站充电 25～160kW AC208～600V三相
根据SAE J-1773标准，感应耦合器可以用图3所示的等效电路模型来表示。对应的元件值列于表2中。
图3 感应耦合器等效电路模型
表2 充电用感应耦合器等效电路模型元件值 fmin(100kHz) fmax(350kHz) Rpmax/mΩ 20 40 Lp±10％/μH 0.8 0.5 Rsmax/kΩ 1.6 1.3 Ls±10％/μH 45 55 Rmmin/mΩ 20 40 Lm±10％/μΗ 0.8 0.5 Cs/μF 0.02 0.02 匝比 4:4 4:4 每匝电压/V 100 100 耦合效率/％ ≮99.5 ≮99.5 绝缘电阻/MΩ 100 100 最大充电电流/A 400 400 最大充电电压/V 474 474
变压器原副边分离，具有较大的气隙，属于松耦合磁件，磁化电感相对较小，在设计变换器时，必须充分考虑这一较小磁化电感对电路设计的影响[5]。
在设计中仍须考虑功率传输电缆。虽然SAE J-1773标准中没有列入这一项，但在实际设计中必须考虑功率传输电缆的体积、重量和等效电路。由于传输电缆的尺寸主要与传输电流的等级有关，因而，减小充电电流可以相应地减小电缆尺寸。为了使电缆功率损耗最小，可以采用同轴电缆，在工作频率段进行优化。此外，电缆会引入附加阻抗，增大变压器的等效漏感，在功率级的设计中，必须考虑其影响。对于5m长的同轴电缆，典型的电阻和电感值为：Rcable=30mΩ；Lcable=0.5～1μH。
3 对感应耦合充电变换器的要求
根据SAE J-1773标准给出的感应耦合器等效电路，连接电缆和电池负载的特性，可以得出感应耦合充电变换器应当满足以下设计标准。
3.1 电流源高频链
感应耦合充电变换器的副边滤波电路安装在电动汽车上，因而，滤波环节采用容性滤波电路将简化车载电路，从而减轻整个电动汽车的重量。对于容性滤波环节，变换器应当为高频电流源特性。此外，这种电流源型电路对变换器工作频率变化和功率等级变化的敏感程度相对较小，因而，比较容易同时考虑三种充电模式进行电路设计。而且，副边采用容性滤波电路，副边二极管无须采用过压箝位措施。
3.2 主开关器件的软开关
感应耦合充电变换器的高频化可以减小感应耦合器及车载滤波元件的体积重量，实现电源系统的小型化。但随着频率的不断增高，采用硬开关工作方式的变换器，其开关损耗将大大增高，降低了变换器效率。因而，为了实现更高频率、更高功率级的充电，必须保证主开关器件的软开关，减小开关损耗。
3.3 恒频或窄频率变化范围工作
感应耦合充电变换器工作于恒频或窄频率变化范围有利于磁性元件及滤波电容的优化设计，同时，必须避免工作在无线电带宽，严格控制这个区域的电磁干扰。对于变频工作，轻载对应高频工作，重载对应低频工作，有利于不同负载情况下的效率一致。
3.4 宽负载范围工作
感应耦合充电变换器应当能够在宽负载范围内安全工作，包括开路和短路的极限情况。此外，变换器也应当能够工作在涓流充电或均衡充电等模式下。在这些模式下，变换器都应当能保证较高的效率。
3.5 感应耦合器的匝比
原副边匝比大可以使得原边电流小，从而可采用更细线径的功率传输电缆，更低电流定额的功率器件，效率获得提升。
3.6 输入单位功率因数
感应耦合充电变换器工作在高频，会对电网造成谐波污染。感应充电技术要得到公众认可，获得广泛使用，必须采取有效措施，如功率因数校正或无功补偿等技术，限制电动汽车感应耦合充电变换器进入电网的总谐波量。就目前而言，充电变换器必须满足IEEE5191992标准或类似的标准。要满足这些标准，加大了感应耦合充电变换器输入部分及整机的复杂程度，增加了成本。而且，根据不同充电等级要求，感应耦合充电变换器可以选择两级结构（前级为PFC＋后级为充电器电路）或PFC功能与充电功能一体化的单级电路。
4 变换器拓扑选择
根据SAE J-1773给出的感应耦合器等效电路元件值，及上述的设计考虑，这里对适用于三种不同充电模式的变换器拓扑进行了考察。
如图2所示，电动汽车车载部分包括感应耦合器的插孔部分及AC/DC整流及容性滤波电路。首先，对直接连接电容滤波的整流电路进行考察。适合采用的整流方式有半波整流，中心抽头全波整流及全桥整流。其中，半波整流对变压器的利用率低；全波整流需要副边为中心抽头连接的两个绕组，增加了车载电路的重量和体积；全桥整流对变压器利用率高，比较适合用于这种场合。
图4给出基于以上考虑的感应耦合充电变换器原理框图。图中，输出整流采用全桥整流电路，输出滤波器采用电容滤波，输入端采用了PFC电路以限制进入电网的总谐波量不会超标，这里采用的是单独设计的PFC级。低功率时，PFC也可与主充电变换器合为带PFC功能的一体化充电电路。
