大功率非车载直流充电系统

一、项目概述

      发展电动汽车，是世界公认的缓解能源短缺和环境污染的有效策略，纯电动汽车（Electric Vehicle, EV）已成为各国政府鼓励、各汽车生产商大力发展的环保车型。作为EV主要的配套设施：EV充电设备也必然要跟随着电动汽车的发展。本项目主要针对EV充电设备，立足于现有的EV充电技术，研究适于EV充电设备的低谐波整流技术，实现单相/三相网侧低谐波电流和高效变换；研究适于EV充电设备的高频DC/DC变换及控制技术，实现宽输出电压场合的高效变换和可靠工作；研究智能化动力电池充电技术，适应不同电池种类，保证充电过程的高效、安全、可靠。相对目前我国已有的硬开关充电设备，本项目将：采用三相集成电感的多脉冲变压整流器技术，减小谐波干扰；提出基于隔离型Buck-Boost电路拓扑的优化控制策略降低变换器体积；提出高可靠全桥LLC谐振变换器的变频+PWM+轻载跳频的复合控制策略调高变换器效率；采用独特的内置铜管散热设计提高充电设备的功率密度；基于CAN总线通讯实现电池BMS系统对充电机的监控。该项目完成以后，将根据功率的等级应用于EV充电设备中。EV充电设备包括四类：集中式充电站、独立式小型充电站、便携式快速充电机以及车载充电机。集中式充电站又称为快速充电站，其额定充电功率高达100kW以上。独立式小型充电站又称慢速充电桩，配合电动汽车车载充电机，为电动汽车提供慢速充电。便携式充电机，在不影响电池使用寿命的前提下对电池进行快速充电，将被应用于EV汽车厂、维修点、便民服务点等地方为用户快速充电。

二、立项的必要性

随着油价高升、能源日益短缺，以节能环保为标志的新型汽车呼之欲出。各国纷纷加快发展新能源汽车的步伐，上至政府、下至企业，都在开足马力发展电动车型及其配套设施。日本政府方面表示，为普及电动汽车，政府将在三年内建千余座充电站；奥巴马明确表示，美国政府计划投入4亿美元支持充电站等基础设施建设。德国在今年年初通过500亿欧元的经济刺激电动汽车研发、“汽车充电站”网络建设和可再生能源开发；法国政府已经从国家政策层面准备采取配套措施，保证电动车等环保汽车的顺利运行；电动汽车在很多国家都已经形成了一定的规模，各国政府都在大力扶持大型汽车集团的同时，制定了环保和节能法规，采取投资税收优惠、政府补贴促进消费的政策，促进电动汽车充电站（桩）配套基础设施的建设。在我国，根据国家发改委的规划，预计到20##年，我国电动汽车年产量将占汽车产量的20％以上。EV的发展必然要求EV配套要跟上，而作为EV配套的主要技术：EV充电技术必然要随之进步。

目前，我国市场上现有的充电设备包括我公司上一代产品大多采用落后的硬开关功率变换技术或者采用的线性电源充电技术，效率大多在88%以下，在功率转换中将能源极大的浪费在中间环节，造成能源浪费。在谐波质量上多采用无源PFC技术，造成电网污染，对我国电网造成很大负担。而国外先进的电动汽车充电设备的转换效率已经达到94%，采用有源滤波技术，在一定程度上减小能源浪费。本项目将对现有充电技术进行改进，改进后，将使充电机功率转换环节达到国际先进水平，效率达到或超过94%。

   三、项目研究内容

下面结合本项目的四个大的技术研发内容进行详细说明：
（-）智能化动力电池充电技术

智能化电池充电技术需要保证两点，

1.多模式充电，有利于延长动力电池使用寿命，降低EV使用成本。

常规简单的恒流、恒压、涓流的三阶段充电模式已不能适应动力电池的需要，目前我公司已经研发成功智能五阶段充电模式。图1为智能五阶段充电曲线。

(a) 充电电流与充电时间                  (b) 充电电压与充电时间

表1智能五阶段充电模式

特点描述

预充模式：以2A（可调）对电池进行预充，充至280V（可调）。

恒流模式：以30A（可调）的电流恒流充电，充至405V（可调）。

恒压减流模式：充电电压恒定405V（可调），充电电流从30A（可调）逐渐减小。

涓流模式：以0.2A（可调）的电流恒流充电5（可调）分钟。

脉冲模式：以幅值410V（可调），一定周期（可调）的脉冲群，充电5分钟。

本项目将在已有的充电技术的基础上，对脉冲模式进一步优化，区分不同类型电池，优化脉冲模式设置，进一步延长动力电池使用寿命。

2.通过内置多种型号电池充电曲线，适应不同型号电池。

由于采用数字控制方法，很容易预先设置多种型号电池的充电曲线。既可按默认曲线充电也可根据用户需要进行设定。此外，充电方式分为常规和快速2种方式，常规为5小时充电方式，快速为1小时充电方式（针对不同电池类型选择，充电时间也有所不同）。

这部分工作基本完成，随着客户的增加，电池类型的增多，我们也会相应充实充电曲线。

（二）低谐波整流技术

我司已经开发完成了上一代的充电桩、充电站，但现有的充电桩采用的是效率较低的无源滤波技术或Boost-PFC技术，而充电站则采用常规感容无源滤波，输入功率因数和谐波抑制效果不佳。因此，大功率低谐波整流器和高效率单相PFC变换器的产品开发是本项目的研究重点，也是实现产品绿色、环保的关键。

要提高单相PFC-变换器的效率，我们将研究无桥单相PFC技术。单相无桥PFC变换器如下图所示。

 图2. 单相无桥PFC变换器

它由两个二极管VD₁和VD₂、两个开关管VS₁和VS₂及电感L₁和L₂等组成。单相无桥PFC变换器可等效为两个Boost 变换器的组合，其工作模态按输入电压的极性可分成两个阶段： ①在输入电压正半周，L₁、L₂、VS₁和VD₁组成Boost 电路。VS₁开通时，L₁和L₂储能，电感电流线性上升，电容C 给负载供电；VS₁关断时，电流通过VD₁向负载提供能量，电感电流线性下降。VS₂在该阶段中始终导通，流过反向电流，承担续流工作；②在输入电压负半周，L₁、L₂、VS₂和VD₂组成Boost电路。工作状态与正半周相同，VS₁流过反向电流，处于续流状态。与传统Boost PFC 相比，无桥PFC变换器少了一个开关管的压降，因此变换器的效率得以提高。

我们已经采用ICE2PCS01控制芯片完成了800W单相PFC变换器，由于需要检测交流侧电流，目前采用电流霍尔进行检测。对于中小功率的充电机，霍尔会明显增大产品的成本，我们将在项目中对此进行改善。

对于大功率三相低谐波整流器，我们研制两种方案满足不同的需求。一是多脉冲自耦变压整流器，二是三相PWM变换器。下面简要介绍其工作原理。

多脉冲整流器是通过移相变压器，用不同的匝比变换和绕组联结方式来构造得到相位不同的电压矢量。不同电压矢量经整流桥得到不同相位的电流矢量并在网侧叠加，使得网侧电流变为与对应电压同相的阶梯波电流，实现功率因数校正和谐波抑制的功能。与阶梯波合成逆变器的道理相同，根据阶梯波抵消原理，当合成电流波形的阶梯数越多，即相位不同的电压矢量数增加，网侧电流阶梯数增多，电流波形越趋于正弦化，THD越小。为了便于理解结合6脉冲整流器来讲述其原理。如图2所示，电路包括输入三相电源、三相隔离变压器、不控整流桥、滤波电感（感值足够大）和负载，其中三相隔离变压器的原边结构为D型，副边结构为Y型，原副边绕组匝数比为 1.7:1，因此原副边线电压和相电压有效值均相等。副边电路与三相不控整流电路相同，3个相电压矢量共合成6个线电压矢量，连接到一个三相桥上。如图3所示，每个二极管导通 。

图2 脉冲变压整流器

图3 脉冲变压整流器整流波形图

  图4 脉冲变压整流器电压矢量图

图5脉冲变压整流器电流波形图

根据变压器绕组同名端得到变压器电压矢量图，如图4所示，副边相电压超前原边相电压 。根据图2中整流器各点电流参考方向，变压器磁势平衡原理以及基尔霍夫电流定律，可得输入电流 的表达式为：

                                                                  (1)

整流器输入电流 的波形如图5所示，一个周期内 共有6个阶梯波。将电流 过零点作为时间零点，对 傅立叶分解可得：

                                   (2)

由式(2)可以看出，输入电流中仅含 奇（ 为正整数）次谐波，且其有效值与基波有效值的比值为谐波次数的倒数，输入电流THD为 。

脉冲数越多，谐波越小。我们选择自耦型18脉冲变压整流器来完成变换器的设计，保证网侧低谐波。目前我们已经开发完成400HZ输入的大功率18脉冲变压整流器，项目中将完成50HZ输入的大功率18脉冲变压整流器，并解决其优化设计问题，尽量减小其体积重量。

多脉冲整流器具有高可靠、高效率的优势，但是无源的特点决定了其体积重量较大，为此我们开发三相PWM整流器，在保证输入电流低谐波的同时，维持输出电压稳定。这里我们是通过数字控制的手段，通过旋转坐标变换，将交流量变换到与电网同步的旋转坐标系下，则交流量变为直流量，保证了控制静态无差。同时，通过引入空间矢量调制方法，提高直流电压利用率，可降低输出直流电压，有利于效率的提高。

目前，已经完成了三相PWM变换器软件的编制、调试和小功率实验，将在项目中完成大功率实验测试，并考虑电网不对称，解决锁相误差问题。

（四）高效率DC/DC变换及控制技术

    这部分是保证动力电池可靠、高效充电的关键。同样分成小功率车载和大功率两种情形。这部分已有良好的基础，但是仍需要在高效率、高功率密度上继续优化，这样才能保持技术上的领先和核心竞争力。

对于车载充电机，高效、高功率密度的要求都很重要。一般车载充电机不超过3.5kW。现有产品采用变频控制LLC全桥电路来完成。尽管LLC全桥电路能同时实现变换器原边的零电压开关和副边二极管的零电流关断。但是变频控制却存在启动、限流困难的问题，为此，项目中将研究变频+ＰＷＭ的复合控制，实现高效变换。

     对于大功率变换，我们目前的产品是采用两个单相变换器原边串联、副边串联的方案。且开关管仍采用车载充电机所用的MOSFET，但是大功率场合MOSFET损耗较大，不利于高效，因此我们将在项目中研发高效率、大功率、宽输出电压、可均流的DC/DC变换器。LLC谐振变换器适合宽输出应用，但其原边实现ZVS适合于MOSFET，不适合于ＩＧＢＴ，我们考虑采用隔离型多管Buck-Boost器（不是反激变换器）作为大功率高效变换的方案。出于技术保密需要，这里我们不给出详细的电路图和控制方案。

     目前，小功率原理已经通过验证，本项目将完成大功率的样机，优化电路设计和控制策略。

基于项目成果研制的各变换器的主要技术指标列出如下：

20kW三相PWM整流器：PF>0.95；THD<10％;额定η>0.94;

20kWDC/DC变换器：额定η>0.92;

20kW多脉冲整流器：PF>0.99；THD<10％;额定η>0.97；

4kWPFC：PF>0.99；THD<10％;额定η>0.97；

3.5kWDC/DC:额定η>0.94
充电桩：PF>0.99，额定η>0.91；
车载充电机：PF>0.99，额定η>0.93；
充电站：PF>0.98，额定η>0.93（有源）或η>0.9（无源）；
项目适用标准

GB/T 18487.1-2001《电动车辆传导充电系统一般要求》

GB/T 18487.2-2001《电动车辆传导充电系统电动车辆与交流/直流电源的连接要求》

GB/T 18487.3-2001《电动车辆传导充电系统电动车辆与交流/直流充电机（站）》

GB/T 20234-2006《电动汽车传导充电用插头、插座、车辆耦合器和车辆插孔通用要求》

电气技术标准：

GB/T 17215.322-2008《静止式有功电能表 0.2S 级和 0.5S 级》
GB 17625.2-2007《电磁兼容 限值 对每相额定电流≤16A且无条件接入的设备在公用低压供电系统中产生的电压变化、电压波动和闪烁的限制》

GB 17625.3-2000《电磁兼容 限值 对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制》

DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》
DL/T 621-1997《交流电气装置的接地》
GJB 3855-1999《智能充电机通用规范》

国家电网公司标准：    

Q/GDW 399-2009《电动汽车交流供电装置电气接口规范》

Q/GDW 400-2009《电动汽车充放电计费装置技术规范》

以及其他相关标准（以上标准均执行最新版本）

四、项目实施技术方案

1、技术方案内容

技术方案已在项目内容中作出描述，这里不再赘述

2、技术方案的可行性论述

（-）智能化动力电池充电技术

目前，国内外对于动力电池充电技术均以从简单的三阶段模式转变为多阶段模式，其中5阶段模式是公认的简单并有利于延长动力电池使用寿命的充电方法。对于脉冲模式如何优化来给动力电池去极化则依赖不同类型电池而变化。

本项目将在已有的充电技术的基础上，对脉冲模式进一步优化，区分不同类型电池，优化脉冲模式设置，进一步延长动力电池使用寿命。

显然，项目这方面的内容有良好基础、采用的技术符合先进性要求、不存在技术风险。

 （二）低谐波整流技术

单相PFC，我们采用无桥PFC技术，无桥PFC技术是当前公认的高效PFC的技术方案。已经采用ICE2PCS01控制芯片完成了800W单相PFC变换器（发表论文）。项目中将对交流电流的检测方法进行研究和改进。考虑利用分流器结合精密整流电路和差分运放电路进行解决。

     大功率低谐波整流器，两种技术得到了大家的关注并有实际应用。一是无源方案，即多脉冲整流器，由于其极高的可靠性，在工业、交通、航空都有相当的范例。本项目中将完成50HZ输入的大功率18脉冲变压整流器，并解决其优化设计问题，尽量减小其体积重量。初步考虑将网侧电感用三磁柱磁芯集成，减小体积，已通过仿真验证。

三相PWM整理器是另一种大功率整流方案。由于器件的电流可双向流通，三相PWM整理器的电流可以双向流通，还可以做有源逆变。目前，三相在民用50HZ场合已有应用。目前，项目组已经完成了三相PWM变换器软件的编制、调试和小功率实验，将在项目中完成大功率实验测试，并考虑电网不对称，解决锁相误差问题.

（三）高效率DC/DC变换及控制技术

      对于小功率DC/DC变换，项目中将研究变频+ＰＷＭ的复合控制，实现高效变换，保证启动、限流、动态高可靠。

      对于大功率变换，考虑采用隔离型多管Buck-Boost器（不是反激变换器）作为大功率高效变换的方案。通过零电流或者小电流关断适应IGBT的关断特性，通过引入耦合电感，减小二极管反向恢复，实现高效变换。

目前，小功率原理已经通过验证，本项目将完成大功率的样机，优化电路设计和控制策略。
（四）高效散热技术
    这是保证功率变换器可靠工作的关键，申请者焦玉华先生为工程热物理硕士研究生，对换热器设计精通。通过散热翅中植入铜管，利用卡诺循环原理，在铜管中注入低沸点介质酒精，来实现散热能力的提升。
    通过简要的叙述，可以看出本项目的研究内容符合技术先进性的发展趋势，项目组拥有良好的技术基础，可以顺利完成项目研究内容。

项目技术实现主要面临的风险来自于三相PWM变换器在电网不对称的准确锁相，若准确锁相在不对称度较大时存在困难，实际可通过保护动作来回避这一难题。

五、综合效益分析

1、经济效益分析

根据国家发改委的规划，预计到20##年，我国电动汽车年产量将占汽车产量的20％以上，按照这个要求预测，未来电动汽车的年产量将达到500万辆，车载充电机按照平均价格1万元每台计算，每年总产值将达到500亿。如果把现在的加油站改造成加电站，或者是综合服务站，目前全国约有12万加油站，按照设备改造费用300万每站计算，市场份额将达到3600亿，如果在超市、地下室、路边停车场、家庭内安装交流充电桩，预计将会有500万个充电桩，市场份额将至少500亿的规模。EV充电行业已成为大家公认的具有良好发展前景和较高利润的行业。

项目研究成果能提高电动汽车充电设备技术水平。项目开发的多种EV充电设备可实现智能化控制，便于推广应用，同时具有高效、节能、网侧电流低谐波的环保特点。除去项目成果转化所创造的价值，项目成果得到应用后节省的能源也会给社会间接带来价值。该项目有利于推动EV充电设施的建设，推进EV的产业化。而EV的应用也会因节省使用费用给社会带来明显的经济效益。按民用电计算,1公里行驶里程所耗电费仅0.1元左右,而同样里程按百公里油耗8升计算,1公里需耗油费0.5元。应用EV，每百里电费只是传统油费的1/5-1/3，经济效益大大提高。

     项目不仅能提高经济效益，还能提升环境效益和社会效益。项目成果有助于推动新能源产业的发展，推动EV的普及。可有效降低城市汽车尾气污染和二氧化碳的排量,改善环境质量，使产业走可持续发展之路，社会效益突出。

此外，本项目成果转化并达到一定规模后，还会带动相关产业的发展和其技术进步，带动相关电子信息、机械加工、仪器仪表、系统集成，软件开发等企业的发展，促进电动汽车行业链的完善，推动当地经济发展，解决部分就业问题，这一切都会促使地区的产值和效益得到跳越式的提高。

六、现有条件和工作基础

1、单位团队建设

⑴申报单位负责人的基本情况、能力（技术、管理、社会活动）。

焦玉华先生（以下称本人）自1989年南京航空学院毕业以后，分配至南京煤气总公司工作，后担任煤气公司修造厂技术科长，独立负责新产品的设计、开发和制造任务，所开发的家用燃气灶、中餐灶、大锅灶、燃气热水器系列产品填补了当时南京煤气公司的空白，多次获得奖励。

      1996年从南京煤气总公司辞职，进入南京航空航天大学热能工程系进修研究生。

      1998年，担任上海浦东溴化锂制冷机厂南京办事处主任，为该单位开拓江苏市场；第一年完成700万销售业绩，第二年完成1700万销售。成为当时江苏中央空调行业里的个人销售冠军。后短期担任该厂销售厂长。

      1999年，投资并组建盐城阜宁林海国际饭店(四星级)，担任副董事长兼总经理。该项目总投资8000万元，本人和大股东自筹了1000多万元，主要由本人全面负责基建、融资、人员组织和酒店运营等方面的工作，克服了一个又一个的困难，顺利在20##年2月18号顺利开业，承担了中央电视台同一首歌等节目和大型活动的组织和接待任务。

      20##年中期，酒店由于种种原因转让。20##年，担任南京山水置业有限公司副总经理，成立集团后，担任集团董事兼副总经理，负责公司的投融资业务。先后为公司融资数亿元，为山水华门别墅楼盘项目的顺利实施奠定了很好的基础。

    20##年年底，离开江苏华门集团，着手新能源汽车充电技术的研究。

    本人具有丰富的项目运营管理经验，有很强的投融资能力，精通机电产品的制造技术，对市场有很好的开拓能力。

⑵申报单位人才队伍建设情况，包括人员素质、人员结构及团队的合作精神（主要人员须列表介绍其姓名、单位、性别、年龄、专业、学位、职称、项目中承担的工作）。

2、单位管理情况（试验发展类项目为合作关系）

根据2年发展和研究产需要，我公司目前分为：研发部、生产部、销售部、采购部、质量检测部、行政部和人事部

而大功率电动汽车直流充电系统是由我公司研发部门根据市场需要和未来公司发展对我公司上一代直流充电产品升级而形成的项目，其主要技术基于南京航空航天大学陈乾宏教授的研究成果，实行产学结合的策略，将部分实验室技术应用于产品，陈乾宏教授负责技术指导工作。

3、单位现有条件

从公司成立至今目前设备包括：精密示波器一台，转接头两套，电流探头一套，有源差分探头两套，万用表三台，功率分析仪器一台，大型AC SOURCE一台，高压电子负载一台， KX智能电源检测设备一套，电脑24台。 材料应经部分购买，主要包括各种规格的电阻、磁性元件、继电器、交流接触器、漏电保护器等。

已经研制成功的产品包括：上一代车载充电机，便携式充电机和新一代的立式交流充电桩

目前公司已经投资建成交流充电桩生产线一条、直流组装线一条，老化实验室1个，安规检测实验室1个，质量检测实验室1个，具有大功率直流充电设备的开发能力和交流充电桩的生产能力。

七、计划进度与经费预算

1、计划进度

2、经费预算

该项目预计投入364万元

其中设备购置费预计 190万元。主要用来试验设备包括：示波器两台预计15万元、可编程AC电源2台预计18万元、差分探头2套预计5万元、电子负载2套预计15万元、动力电池组4组预计20万元、绝缘耐压测试仪器2台预计10万元、功率分析仪2台预计16万元、开发板多个预计1万元，精密万用表3台预计3万元。已购买设备包括波器一台，62240元；X智能电源检测设备，88元万；转接头两套，7120*2元；电流探头一套，29480元；有源差分探头两套，20224*2元；万用表一台，3045元；电脑24台，3000*24元。

材料费20万元。主要包括各种规格的电阻、磁性元件、继电器、交流接触器、漏电保护器等。已购买种规格的电阻、磁性元件、继电器、交流接触器、漏电保护器等7万元

测试化验加工费20万元，已经使用4万元。

燃料动力费3万。

差旅费5万。

会议费3万。

出版费3万。

劳务费100万。

管理费10万。

其他费用10万

八、风险分析

由于EV充电站所需电力较大，最好要求单独的供电线路，避免影响其它设备。因此国家电网和南方电网具有建站的先天优势。但是拥有电力并不意味着拥有充电技术的先机，电动汽车充电技术的研究不是电网公司原有的业务方向，其核心的电能变换装置也是由专门EV充电设备研发公司提供。就目前市场反馈来看，充电桩的需求较大、车载和充电站的需求也很好。考虑到市场的发展，其中的发展空间巨大。在南京，绿展科技是专业从事EV充电设备的公司，专业性是其优点。技术优势、市场先行，将使得绿展能够在这片广阔的市场空间占有自己的席位。
    当然，绿展科技同样面临巨大的挑战，很多公司会因为其中的商机而迅速涉足EV充电行业，我们只有保持领先、快速成长，占领市场，才能做捞到第一桶金的先行者。机遇与竞争并存，快速稳妥发展是我公司当前的主要任务，申请该项目，也是希望政府能够给予一定扶持，有利于我们保持技术先进的核心竞争力，快速发展！

九、其他需要说明的事项

无

十、有关附件