电动汽车充电柱研制毕业设计论文(编辑修改稿)

电动汽车充电柱研制毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

电流间歇式充电 变电流间歇式充电技术充电曲线如图 12 所示，在充电前期对电池输入大电流，使得电池获得绝大部分的充电电能，但同时，电池中的内部离子需要一定时间阶段来充分反应，所以在充电中期进行关断，在充电后期，对电池输入电流较小的电流，使得电池充电达到完全饱和状态。 I ( A )U ( V )uiT ( h ) 图 12 变电流间歇式充电技术 （ 3） 变电压间歇式充电 变电压间歇式充电与变电流间歇式充电有着很多相似的地方，只是将电池处于间歇式的充电阶段有变电流变成了变电压，变电压间歇式充电电压曲线图如图北京交通大学毕业设计（论文） 目录 11 13 所示。 观察变电压间歇式充电图，我们不难看出，随着充电时间的增加，电流呈函数式递减，同时这种过程，也更加吻合电充充电本身的最佳效果， 更加的提高了充电的效率，同时，对于设备控制电压比控制电流更容易，所以，这种方式更适用于生产实际。 图 13 变电压间歇式充电技术 课题研究主要内容 本次课题中，重点研究的问题是如何快速稳定的设计一个电动汽车充电柱模型，在利用所学的知识，建立主电路的拓扑结构，同时对电路部分各个参数进行设计研究，建立起仿真模型。 利用仿真软件对建立的电动汽车充电模型进行仿真并进行实验研究。 重点研究问题： （ 1） 研究当前电动汽车充电模式，并对各种充电方式进行比较探究 （ 2） 在各种拓扑结构的对比中 ， 尤其以全桥拓扑优异，它可以提供大功率的电流电压，同时电路的四开关管可以实现对电路电流电压的控制，所以移相全桥 ZVS 结构十分合适， 并且考虑到了由整流桥带来的震荡问题与副边占空比丢失等问题，研究了 相当多的使拓扑结构更完善的策略。 （ 3） 对于副边占空比丢失的问题，并在解决占空比丢失问题上，设计了额外的电路部分。 （ 4） 选择了 TMS320F28335 芯片作为控制电路的核心芯片，并以此为基础，进行了控制电路的硬件电路设计和调试，其中设计了检测、保护和驱动电路。 （ 5） 设计完成了电动汽车充电柱软件设计，产生了 PWM 波形，两组 PWM 波分别对移相全桥 ZVS 电路的四个桥臂进行控制，对输出电流、电压进行控制。 （ 6） 最后，我们将整个系统结构用 MATLAB 进行模拟仿真，分析并验证试验结果， 结果充分表明系统电路是可靠的，是可以实现电动汽车充电，至此，完成了本课题的要求。 北京交通大学毕业设计（论文） 目录 12 2 电动汽车充电柱 方案研究 电动汽车充电柱拓扑结构选择 直流转直流即 DC/DC 技术，是电动汽车充电中不可或缺的部分，电网中的交流电，经过一次滤波，变成低频直流，我们需要将低频直流经过高频变压器再通过二次整流，输出平滑的直流信号。 这种变换器是必须的，一般有带电气隔离或者不带电气隔离的。 带隔离的直流变压器很多，如下表所示。 表 21 带隔离的直流变换器 拓扑 比较 部分 单端反激式变换器 单端正激式变换器 全桥式变 换器 半桥式 变换器 推挽式 变换器 适合功率（ w） 150 150 不限 1000 1000 开关管数量 1 1 4 2 2 控制复杂度 容易 容易 复杂 较容易 较容易 我们在给电动汽车充电是用直流电源充电器，同时从人身安全考虑来看，我们需要选择的系统主拓扑结构一定是带隔离的直流变换器，所以我们对隔离直流变换器的工作原理作出相应的介绍。 （ 1） 单端反激式变换器（ Flyback Converter） 如图 21 所示，为单端反激式变换器， 图中 NP,NS 为原副边电压绕组， 当 VT导通时，续流二极管 VD 截止，电源不直接向负载传送能量，由变压器储能；当 VT 断开时，变压器线圈不再接受能量，需要泄放的能量经过电容电阻，传递给负载，能量通过这种方式转换的称作单端反激式变换器。 +TN pN sV DC oR LU i 图 21 单端反激式变换器 北京交通大学毕业设计（论文） 目录 13 （ 2） 单端正激式变换器（ Forward Converter） 由图 22 不难看出，晶体管 VT 与电感串联，二极管 VD2 与电容 C 并联，当VT 导通时，电流经过晶体管 VT，二极管 VD3，传递到变压线圈，这个时候 VD1有电流通过；当 VT 断开时，没有电流通过。 和 单端反激式变换器相比，正激式变换器是在晶体管 VT 导通时候能量从变压器传到了负载，并且变压器只能单方向变换磁通量，所以，这种单方面变换磁通量方向的变换器被称之为单端正激式变换器。 CV D 3V D 2V D 1V Tu++U iL 图 22 单端正激式变换器 （ 3） 推挽式变换器（ Pushpull converter） 如图 23 所示，变压器原边绕组 N1=N2，副边绕组 N2=N4。 CV T 1V T 2+U iV D 1V D 2U 0LN 1 .N 3 ..N 2.N 4 图 23 推挽式变换器 当 VT1 导通，电流经过晶体管 VT1 绕组 N1， N3，通过变压器传递到副边电路，二极管 VD1 有电流通过，此时，电流经过电感 L。 当晶体管 VT1 断开时候， VT2此时未导通，原边绕组没有电流，电感 L 通过副边二极管 VT VT2，将储存的能力释放出来； VT2 导通时候，与 VT1 有着相同的工作状态，这里就不再赘述了。 （ 4） 半桥式变换器 （ HalfBridge Converter Topology） 如图 24 半桥式变换器， 半桥变换中原边电路中有两个开关管， Q1=Q2，电容 C1=C2，二极管阻值 VD1=VD2，在变压器的原边副边匝数比 N2： N3=1:1，上文中的正激变换 器的负载输出波形为全波，但是由于半桥变换器有俩负载，所以它的输出波形只有正激的一半，波形一半的情况下，半桥的输出频率就比正激高出了一倍，所以负载电路中的 Cf 和 R0 要比正激电路中小很多，所以整个电路的北京交通大学毕业设计（论文） 目录 14 成本 与 正激变换 相比 也相对便宜很多，同时有着更高的输出频率。 C 1C 2V sQ 1 2V D 1V D 2.N 1.N 2.N 3D r 1D r 2D f wC f R 0+V 0L fBA 图 24 半桥式变换器 （ 5） 全桥式变换器 如图 25 所示，为全桥式变换器，全桥与半桥在功率上相差一倍 ；也就是说，如果半桥和全桥开关电流一样，给出相等的输入电压，全桥的输出功率将是半桥的 一倍。 所以我们可以得出，半桥电路适用于小功率的逆变电路，全桥电路适用于大功率电路，对于电动汽车而言，我们明显需要的是全桥电路。 而且，由于电路的输入电压和电流的不同，在设计变压器时，会存在较大的区别，全桥式电路变压器原边线径要相对细一点，半桥式电路的原边线圈匝数则要相对少一点。 跟大多的拓扑电路想比较，半桥式和全桥由于存在多个开关管和谐振电感，解决了由于能量过多而不能泄放的困扰，负载电路会直接吸收多余的存在与电感中的能量。 所以就有着相对较高的效率。 V sQ 3Q 1Q 2Q 4.N 1.N 2.N 3D R 1D R 2D f wL fC f+V 0D 3D 4D 1D 2 图 25 全桥式变换器 通过分析上述几 种拓扑结构，我们可以得出关于各个拓扑结构的性能比较表。 如表 21 所示。 表 21 拓扑结构性能表 拓扑结构 缺点 优点 适用范围 单端正激 式 不能适应大功率的电路环境，工作结构不复杂 、 适合各种复杂电路环中小功率场合 北京交通大学毕业设计（论文） 目录 15 状态下很容易出现饱和情况，大大减少了对于变压器的利用 境 ，不会产生俩桥臂开关管直通和单向偏磁现象， 经济花费低 双单端正激式 对变压器的要求数量较多，对变压器的利用率较低，同时占用体力较大 结构不是很复杂 、易于调整、且性能稳定，不会产生俩桥臂 开关管直通和单向偏磁现象， 大功率场合 半桥式 通过开关管的电流时全桥电路的两倍，没有避免直通短路、变压器直流偏磁的危险 经济成本较低、体积较小，半桥电路有着很强的抗不平衡能力 中小功率场合 全桥式 经济成本交大、有着变压器直流偏磁、直通短路等风险 主电路 结构不是很复杂 ，变压器工作状态好，可以在磁滞曲线两侧工作，同时体积较小，可以提供交大的功率 大功率场合 在电路中出现变压器功率开关管额定 电压和电压相同时，电路输出功率大小与开关管数量成正比，由于全桥式电路含有四个功率开关管，所以全桥电路的输出功率最大。 四个管子所承受的电压为电路原边电压，流进开关管的电流是平均输入电流的大小，因此全桥电路十分适合电动汽车充电柱的这种大功率充电。 所以，采用全桥式变换器作为电动汽车充电柱的拓扑结构十分合适。 同时，在全桥变换器中，为了提高对电源的利用率，同时降低电路本身的损耗，近年来，对于全桥软开关技术有了很多的研究。 软开关技术是医用在开关管开通之前是的开关管两端电压降低至零，或者将两端电流降低至零的一种技术，通过降低电压或者电流， 这样不会出现电流电压彼此重合在一起，这对于电路是一种大大的不稳定，同时，实现零电压开关，也是对于电路能量的利用，提高了电路对于各个元器件功能的利用，大大的提高了电路的能量利用。 电动汽车充电柱方案选择 由前文可以了解到，在设计电动汽车充电柱的过程中，对于这次设计有了更明确的要求，首先，电动汽车充电要满足 功率大、效率高、电气隔离，其次输出可控、安全可靠。 由于电动汽车使用的电源为 220v 交流电源，所以在充电过程中，电流较大，所以必须在电源与电动汽车之间加上隔离器，全桥 ZVS 软开 关拓扑结构自带隔离变压器，可以起到保护作用，便达到了安全目的；同时，由于充电的大功率，单端正激式、反激式、推挽式 等都由于适合功率较小的场合，所以全桥变换更适合这次方案的设计；同时，由于对汽车充电频繁带来的充电器件的损耗，必须考虑在内，移相全桥 ZVS 电路本身就具有减少了开关损耗等问题，所北京交通大学毕业设计（论文） 目录 16 以也更加适合本次方案选择。 由图 26 我们可以更清楚的了解设计方案。 功 率 大 效 率 高电 气 隔 离 输 出 可 控 安 全 可 靠全 桥 电 路软 开 关 技术带 隔 离 变压 器电 动 汽 车 充 电 柱方 案 设 计移 相 全 桥 Z V S 变 换 器参 数 设 计仿 真 验 证控 制 策 略故 障 保护两 段 式 智能 充 电 、双 闭 环 控制各 类 保 护电 路实 验 验 证设 计 正 确可 靠 性是否 图 26 电动汽车充电柱设计思路 本章小结 本章介绍了电动汽车充电电路中的几种常见的拓扑结构 ，同时，按照对于电动汽车充电柱的要求，选择出了全桥移相 ZVS 拓扑结构，并对接下来的工作有了明确的分步。 3 移相全桥 ZVS 变换器的工作原理及相关问题 移相全桥 ZVS 变换器的基本工作原理 如图所示，我们给出了全桥变换器的拓扑结构。 其中 Q1， Q2， Q3， Q4 位电路的晶体开关管， C1， C2， C3， C4 位电容，其中 C1=C2， C3=C4， D1， D2， D3，D4 为二极管， 可以看到电路中的电感电容，电路输出电流电压的大小收到了四个桥臂的影响，前两个桥臂组成超前桥臂，后两个桥臂组成了滞后桥臂，电路产生的 PWM 波信号传递到桥臂中，通过控制俩桥臂相位角，可以起到控制输出电流电压的作用。 与第二章中的全桥电路相比，每个开关管都并联了一个谐振 电容，在变压器与 Q1,Q3 中间串联了一个谐振电感 Lr 和一个谐振电容 Cb，在开关管断开时刻由于谐振电容 Cb 的存在，开关管两端的电压可以从零开始慢慢上升，这北京交通大学毕业设计（论文） 目录 17 样就可以避免开关的直接断开与闭合，实现软开关， 这样电路中多余的能量，不用通过泄放电阻，反而直接利用电路中的能量起到了对于电路的开关作用，这里多余的能量是指存在于电感 Lr 中的多余能量，这种工作方式，既减少了开关的开关次数，也有效的利用了 电路中能量，大大提高了对于电路的利用率，整体上提高。