大功率電動汽車充電機的設計

純電動汽車以鋰電池為動力源，充滿電后，以電力做功推動汽車。不同于汽油發動機汽車需要添加汽油，純電動汽車在電力耗光后通過外置電源對其進行充電，通常單次行駛里程在100～200公里。與傳統汽車相比，純電動車在使用成本上有著無以比擬的優勢，百公里約消耗15度電，成本8元，僅相當于汽油發動機汽車成本1/10。目前，國家已著手進行電動汽車和新能源汽車的示范推廣，電動汽車充電站則是主要環節之一，必須與電動汽車其他領域實現共同協調發展。

充電模式
電動汽車能源供給系統主要由供電系統、充電系統和動力蓄電池構成。另外，還包括充電監控、電池管理和煙霧報警監控等。充電機是充電系統的重要組成部分。充電站給汽車充電一般分為三種方式：普通充電、快速充電、電池更換。普通充電多為交流充電，對于容量不超過5kW的交流充電機，輸入為額定電壓220V、50Hz的單相交流電，對于容量大于5kW的交流充電機，輸入為額定線電壓380V、50Hz的三相交流電。將交流插頭直接插在電動汽車充電接口，充電時間大約需要4～8小時。快速充電多為直流充電，直流充電機輸入為額定線電壓380V、50Hz的三相交流電，輸出電壓一般不超過700V，輸出電流一般不超過700A。交流輸入隔離型AC/DC充電機的輸出電壓為額定電壓的50%～100%，并且輸出電流為額定電流時，功率因數應大于0.85，效率應不小于90%。

充電機應能夠保證在充電過程中動力蓄電池單體電壓、溫度和電流不超過允許值。充電機應具備防輸出短路和防反接功能。充電機至少能為以下三種類型動力蓄電池中的一種充電：鋰離子蓄電池、鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池。

動力電池組充電模式采用“恒流D恒壓”兩階段充電模式。充電開始階段，一般采用最優充電倍率(鋰離子電池為0.3C)進行恒流充電。(C是電池的容量，如C=800mAh，1C充電率即充電電流為800mA）在這一階段，由于電池的電動勢較低，即使電池充電電壓不高，電池的充電流也會很大，必須對充電電流加以限制。所以，這一階段的充電叫“恒流”充電，充電電流保持在限流值。隨著充電的延續，電池電動勢不斷上升，充電壓也不斷上升。當電池電壓上升到允許的最高充電電壓時，保持恒壓充電。在這一階段，由于電池電動勢還在不斷上升，而充電電壓又保持不變，所以電池的充電流呈雙曲線趨勢不斷下降，一直下降到零。但在實際充電過程中，當充電電流減小到0.015C時，說明充電已滿就可停止充電。這一階段的充電叫“恒壓”充電，這一階段的充電電壓：U=E+IR為恒壓值。這是鋰離子動力電池組對充電模式的基本要求。此外，充電系統還必須具有自動調節充電參數、自動控制和自動保護功能。尤其在恒壓充電階段，如果單體電池的充電電壓超過允許的充電電壓時，充電機應能自動減小充電電壓和電流，使該電池的充電電壓不超過允許的充電電壓，防止該電池過壓充電。充電過程及充電電壓、電流的變化如圖1所示。

圖1 充電曲線（n為電池組中串聯的單體電池個數）

根據電池的充電特性和電動汽車動力電池組的充電要求，常用充電設備為充電機，可分為直流充電機和脈沖充電機兩類。直流充電機就是把電網電源經過整流濾波后隔離穩壓輸出直流電源，供給動力電池組進行充電。目前使用最多的直流充電機是高頻開關電源充電機。它具有體積小、重量輕、工作可靠、效率高、功率因數高、電網適應能力強、功率可小可大，容易實現智能化等優點。脈沖充電機可以減少電池在充電時產生的極化現象，從而提高電池的充電效率，減少充電時間，實現快速充電，但脈沖充電器技術有待進一步研究。

電動汽車充電時間長，充電難是電動汽車推廣應用的一個難題。以一輛大型鋰動力電動大巴為例，配置電池容量700Ah。最大充電電流210A（相當于700AH電池容量的0.3C充電率），最高充電電壓700V（相當于165只最高充電電壓4.2V左右的鋰電池單體串聯電壓），那么需要充電器的最大輸出功率為245kW。按最優充電要求對電動汽車充電的充電時間，至少需要3小時。因此，電動汽車的充電方式不能像燃油汽車在加油站加油那樣進行充電。如果20分鐘快速充滿電，至少要用3C的充電倍率進行充電，這對于磷酸鐵鋰鋰離子電池來說是可能的。

綜上所述，電動汽車的充電還是采用普通充電為主、快速補充充電為輔的充電方式。對于電動公交車而言，充電站設在公交車總站內。在晚間下班后利用低谷充電，時間5～6小時。全天運行的車輛，續駛里程不夠時，可利用中間休息待班時間進行補充充電。充電器的數量和容量根據車隊的規模而定，充電站由車隊管理。例如，12輛大型鋰動力電動大巴需要12臺充電機。快速充電時，可用6臺充電機并聯充電，最大輸出功率為1470kW，最大充電電流2100A（相當于700AH電池的3C充電率）。或者用8臺充電機平時為8輛電動車輛充電，每臺輸出最高充電電壓700V，最大充電電流500A（相當于700AH電池用量0.7C的充電率）。1C～3C的快速充電模式，已經在探討應用，但應確保在電池的安全和使用壽命的前提下進行。按照上述充電機的最大功率配置，電力變壓器有效總功率約為3000kW以上。

目前汽車各大廠商紛紛研制上產油電混合動力車和純電動汽車。以比亞迪E6純電動汽車為例，電池類型為磷酸鐵鈷鋰電池，配置電池容量200Ah，3C的充電電流為600A，標稱電壓316.8V（相當于96只充電電壓3.3V左右的磷酸鐵鈷鋰電池單體串聯電壓）。充電器的輸出功率為192kW。快速充電時間15分鐘充滿80%。百公里能耗為21.5度電左右，相當于燃油車1/3至1/4的消費價格。

系統結構
大功率電動汽車充電機的輸入為額定線電壓380V、50Hz的三相交流電，輸出額定電壓700V，額定電流600A。系統采用19標準機架，結構緊湊、布局合理、外型美觀大方。外型尺寸：高×寬×深為2200mm×600mm×600mm。采用60個模塊并聯，每個模塊10A/700V，模塊尺寸：高×寬×深為133mm×425mm×270mm，15層4列，分四個柜體安放，四個柜體可分開運輸，使用時緊湊左右排列。機架前門、后門均為雙開門，方便檢修。電源進線和匯流排輸出位置均在底部輸入。電源輸入斷路器及監控單元觸摸屏安裝在主機中間控制柜前部。充電機控制結構示意圖如圖2所示。