電動(dòng)車充電器研究與設(shè)計(jì)
電動(dòng)車充電器研究與設(shè)計(jì),電動(dòng)車,充電器,研究,鉆研,設(shè)計(jì)
武漢理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
學(xué)生姓名 劉 旭 專業(yè)班級(jí) 班
指導(dǎo)教師 黃 亮 工作單位 自動(dòng)化學(xué)院
設(shè)計(jì)(論文)題目: 電動(dòng)車充電器研究與設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容：
設(shè)計(jì)一款電動(dòng)汽車車載充電器，充電機(jī)輸入源為220V@50Hz交流電網(wǎng)，充電機(jī)輸出端接蓄電池，蓄電池電壓范圍為200-380V，要求充電電壓由用戶通過(guò)CAN總線控制，標(biāo)稱電壓值320V，充電電壓紋波<1%，輸出功率7kw，也可通過(guò)CAN總線將充電機(jī)控制在電流模式下，輸出電流由用戶通過(guò)CAN總線控制，紋波電流<1%。對(duì)充電機(jī)電路架構(gòu)進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)電路參數(shù)，建立電路模型并仿真；設(shè)計(jì)PID控制器，通過(guò)仿真確定PID參數(shù)。
要求完成的主要任務(wù):
1. 完成不少于2萬(wàn)印刷符，且與選題相關(guān)的英文文獻(xiàn)翻譯工作。
2. 查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料（論文參考文獻(xiàn)不低于中文13篇，英文2篇）。
3. 撰寫開題報(bào)告。
4. 對(duì)多種電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型，完成電路參數(shù)設(shè)計(jì)及各主要器件的選型。
5. 根據(jù)電路設(shè)計(jì)，建立電路動(dòng)態(tài)仿真模型，并仿真。
6. 掌握PWM調(diào)制技術(shù)，設(shè)計(jì)PID控制器，MATLAB建模并完成系統(tǒng)仿真
7. 繪制圖紙3張
必讀參考資料：
[1]林飛,杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真.北京:中國(guó)電力出版社,2008
[2]林渭勛，現(xiàn)代電力電子電路.杭州:浙江大學(xué)出版社，2002
[3]陳堅(jiān)，電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù).北京:高等教育出版社，2002
[4] 王兆安 黃俊.電力電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000
指導(dǎo)教師簽名 系主任簽名
院長(zhǎng)簽名(章)
武漢理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
1、目的及意義（含國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）
1.1 設(shè)計(jì)的目的及意義
從世界第一輛汽車問(wèn)世，到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了百余年?？v觀這一百多年的發(fā)展歷程，汽車的發(fā)展可謂神速。到現(xiàn)在汽車已經(jīng)普及到了每家每戶，成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚拇焦ぞ?。但是，在為人類帶?lái)便利的同時(shí)，又發(fā)現(xiàn)了許多我們不可忽視的問(wèn)題。
近年來(lái)，呼吸道疾病、癌癥、頭痛等發(fā)病率迅速增加，均與環(huán)境惡化有關(guān)。所以環(huán)境保護(hù)問(wèn)題已經(jīng)受到人們?nèi)找娴年P(guān)注。而面對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車尾氣排放造成的污染及其對(duì)石油資源的過(guò)度消耗所引發(fā)的環(huán)境與能源問(wèn)題, 電動(dòng)汽車以其良好的環(huán)保、節(jié)能特性, 成為當(dāng)今國(guó)際汽車發(fā)展的潮流和熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車能夠通過(guò)改變汽車動(dòng)力能源來(lái)有效避免燃油對(duì)環(huán)境的污染及稀缺資源的損耗。目前世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、著名汽車廠商及相關(guān)行業(yè)科研機(jī)構(gòu)都在致力于電動(dòng)汽車技術(shù)的研究開發(fā)與應(yīng)用推廣。
電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。由于對(duì)環(huán)境影響相對(duì)傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛看好，但當(dāng)前技術(shù)尚不成熟。電動(dòng)汽車的種類包括純電動(dòng)汽車(BEV)、混合動(dòng)力汽車(HEV)、燃料電池汽車(FCEV)。
純電動(dòng)汽車（BEV）是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單成熟，只要有電力供應(yīng)的地方都能夠充電。 但是目前蓄電池單位重量?jī)?chǔ)存的能量太少，還因電動(dòng)車的電池較貴，又沒形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模，故購(gòu)買價(jià)格較貴，至于使用成本，有些使用價(jià)格比汽車貴，有些價(jià)格僅為汽車的三分之一，這主要取決于電池的壽命及當(dāng)?shù)氐挠?、電價(jià)格?；旌蟿?dòng)力汽車指能夠至少可從消耗的燃料和可再充電能/能量?jī)?chǔ)存裝置兩類車載儲(chǔ)存的能量中獲得動(dòng)力的汽車。而燃料電池汽車則是以燃料電池作為動(dòng)力電源的汽車。
電動(dòng)汽車的組成包括：電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)等機(jī)械系統(tǒng)、完成既定任務(wù)的工作裝置等。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電源和電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制裝置等組成。電動(dòng)汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機(jī)汽車相同。所以電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵。
因此電池及車載電池充電器成為電動(dòng)汽車發(fā)展的首要關(guān)鍵。車載電動(dòng)汽車充電器是電動(dòng)汽車大規(guī)模商業(yè)化后不可缺少的組成部分。而提高對(duì)蓄電池的充電速度, 減少充電損耗, 正確地監(jiān)控和測(cè)量蓄電池狀態(tài), 對(duì)充分發(fā)揮蓄電池的功效、確保蓄電池的正確使用、延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命起著重要的作用。所以，如何實(shí)現(xiàn)車載充電器對(duì)蓄電池快速無(wú)損傷充電是電動(dòng)汽車投入市場(chǎng)前必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文設(shè)計(jì)的充電器是一種加裝于電動(dòng)汽車上的車載充電設(shè)備,充電機(jī)輸入源為220V、50Hz交流電網(wǎng)，充電機(jī)輸出端接蓄電池，蓄電池電壓范圍為200-380V，由用戶通過(guò)CAN總線控制。通過(guò)設(shè)計(jì)使電動(dòng)汽車充電器滿足一下幾項(xiàng)基本性能要求：
1) 安全性：在電動(dòng)汽車充電時(shí)，必須保證人員的人身安全和電池的安全。
2) 易使用性：充電器應(yīng)具有較高的智能性，不需要操作人員過(guò)多干預(yù)充電過(guò)程。
3) 低成本：價(jià)格廉價(jià)的充電機(jī)有助于降低整個(gè)電動(dòng)汽車的成本，提高運(yùn)行效益，促進(jìn)電動(dòng)汽車的商業(yè)化推廣。
4) 高效率：高效率是對(duì)現(xiàn)代充電器最重要的要求之一，因?yàn)樗麑?duì)整個(gè)電動(dòng)汽車的能量效率有著巨大的影響。
5) 對(duì)供電電源污染?。翰捎秒娏﹄娮蛹夹g(shù)的充電器是一種高度非線性的設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生對(duì)供電網(wǎng)及其他設(shè)備有害的諧波污染。而且，如果充電器功率因數(shù)較低，在充電器負(fù)載增加時(shí)，其對(duì)供電網(wǎng)的影響也不容忽視。
6) 體積小、可靠性高。
1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析
電動(dòng)汽車以電代油,能夠?qū)崿F(xiàn)“零排放”和噪音低，是解決能源和環(huán)境問(wèn)題的重要手段。隨著石油資源的緊張和電池技術(shù)的發(fā)展,電動(dòng)汽車在性能和經(jīng)濟(jì)性方面已經(jīng)接近甚至優(yōu)于傳統(tǒng)燃油汽車,并開始在世界范圍內(nèi)逐漸推廣應(yīng)用。以電 動(dòng)汽車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)已經(jīng)成為普遍共識(shí)。充電系統(tǒng)為電動(dòng)汽車運(yùn)行提供能量補(bǔ)給，是電動(dòng)汽車的重要基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)，也是電動(dòng)汽車商業(yè)化，產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。在充電系統(tǒng)中，充電站的建設(shè)需要根據(jù)電動(dòng)汽車的充電需求，結(jié)合電動(dòng)汽車充電模式進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。
電動(dòng)汽車從動(dòng)力技術(shù)上來(lái)講主要包括混合動(dòng)力汽車，燃料電池汽車和純電動(dòng)汽車。近年來(lái)，隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的加劇，世界各國(guó)電動(dòng)汽車的研發(fā)方興未艾。在電動(dòng)汽車研發(fā)布局中，出現(xiàn)了純電動(dòng)車和燃料電池車，混合動(dòng)力車“三駕馬車”并行齊驅(qū)的局面，電動(dòng)汽車正在朝產(chǎn)業(yè)化方向一步步邁進(jìn)。
美國(guó)政府至今已出資數(shù)百億美元支持汽車廠商和相關(guān)廠商進(jìn)行電動(dòng)汽車技術(shù)的開發(fā)研究。美國(guó)三大汽車公司1991年聯(lián)合成立了美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合體，投入了415億美元，其中政府撥款2125億美元，共同開發(fā)鎳鎘、鎳氫、鋅空氣電池和燃科電池等各種高性能蓄電池。日、法、德等國(guó)各大公司也投入巨資研究開發(fā)高性能電池。
我國(guó)電動(dòng)汽車的研發(fā)與國(guó)外在技術(shù)水平與產(chǎn)業(yè)化方面差距較小?！笆濉逼陂g，在國(guó)家863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)連續(xù)兩期的滾動(dòng)支持下，我國(guó)在純電動(dòng)汽車的核心部件研發(fā)，總成集成以及整車系統(tǒng)設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新和跨越。自主研發(fā)的55輛純電動(dòng)鏗電池汽車，25輛混合動(dòng)力客車，75輛混合動(dòng)力轎車 ，20輛燃料電池轎車，以及41輛純電動(dòng)場(chǎng)地車等各種新能源汽車。
中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃正式發(fā)布，規(guī)劃中稱，將實(shí)施新能源汽車戰(zhàn)略。規(guī)劃中稱，推動(dòng)純電動(dòng)汽車、充電式混合動(dòng)力汽車及其關(guān)鍵零部件的產(chǎn)業(yè)化。掌握新能源汽車的專用發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力模塊(電機(jī)、電池及管理系統(tǒng)等)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，規(guī)模生產(chǎn)工藝和成本控制技術(shù)。建立動(dòng)力模塊生產(chǎn)體系，形成10 億安時(shí)(Ah)車用高性能單體動(dòng)力電池生產(chǎn)能力。發(fā)展普通型混合動(dòng)力汽車和新燃料汽車專用部件。另外，啟動(dòng)國(guó)家節(jié)能和新能源汽車示范工程，由中央財(cái)政安排資金給予補(bǔ)貼，支持大中城市示范推廣混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車等節(jié)能和新能源汽車。
我國(guó)電動(dòng)汽車發(fā)展所存在的問(wèn)題：
1) 制約電動(dòng)汽車發(fā)展的技術(shù)瓶頸尚待突破；
2) 電動(dòng)汽車的價(jià)格過(guò)高阻礙了電動(dòng)汽車的普及和產(chǎn)業(yè)化；
3) 我國(guó)發(fā)展電動(dòng)汽車的配套設(shè)施不夠完善。
電動(dòng)汽車的發(fā)展包括電動(dòng)汽車以及能源供給系統(tǒng)的研究和開發(fā)，其中能源供給系統(tǒng)是指充電基礎(chǔ)設(shè)施供電，充電和電池系統(tǒng)及能源供給模式。電動(dòng)汽車充電技術(shù)作為一個(gè)新的科技領(lǐng)域，世界各國(guó)都置身于充電技術(shù)的研究，并擬制作充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為未來(lái)企業(yè)發(fā)展占據(jù)先機(jī)。
因?yàn)槟壳半妱?dòng)汽車充電站建設(shè)的規(guī)模小，數(shù)量少，所以電動(dòng)汽車充電站相關(guān)技術(shù)大部分還處在實(shí)際應(yīng)用的初級(jí)階段。國(guó)際上電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)主要是IEC發(fā)布的IEC61851:2001，該標(biāo)準(zhǔn)包括三個(gè)部分，分別為：一般要求、電動(dòng)車輛與交流/直流電源的連接要求和電動(dòng)車輛與交流/直流充電站。
我國(guó)根據(jù)國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車的發(fā)展?fàn)顩r，于2001年制定了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這3個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分別等同(或等效)采用了IEC61851的3個(gè)部分。近年來(lái)，電動(dòng)汽車以及電力技術(shù)的快速發(fā)展，這些標(biāo)準(zhǔn)己不能完全滿足當(dāng)前的發(fā)展需求，而且這些標(biāo) 準(zhǔn)中缺乏通信協(xié)議，監(jiān)控系統(tǒng)等方面的內(nèi)容。目前國(guó)家電網(wǎng)公司為了規(guī)范內(nèi)部電動(dòng)汽車的應(yīng)用，已經(jīng)頒布了6項(xiàng)與電動(dòng)汽車充電站相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
目前供電、充電和電池系統(tǒng)應(yīng)用集成技術(shù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范研究的缺乏，仍然是電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的主要薄弱環(huán)節(jié)，給電動(dòng)汽車下一步的發(fā)展和充電設(shè)施的統(tǒng)一規(guī)劃帶來(lái)了很大的困難。能夠保證大規(guī)模充電站正常運(yùn)營(yíng)的充電站監(jiān)控系統(tǒng)尚無(wú)成熟產(chǎn)品，充電站監(jiān)控系統(tǒng)和充電機(jī)間的通信協(xié)議和通信接口尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以遵循，各充電站之間也無(wú)信息聯(lián)系。
以上就是對(duì)國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車及其充電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀的介紹，以及對(duì)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)進(jìn)行了初步分析。
2、基本內(nèi)容和技術(shù)方案
設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一款電動(dòng)汽車車載充電器，充電器輸入源為220V@50Hz交流電網(wǎng)，充電機(jī)輸出端接蓄電池，蓄電池電壓范圍為200-380V，要求充電電壓由用戶通過(guò)CAN總線控制，標(biāo)稱電壓值320V，充電電壓紋波<1%，輸出功率7kw，也可通過(guò)CAN總線將充電機(jī)控制在電流模式下，輸出電流由用戶通過(guò)CAN總線控制，紋波電流<1%。對(duì)充電機(jī)電路架構(gòu)進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)電路參數(shù)，建立電路模型并仿真；設(shè)計(jì)PID控制器，通過(guò)仿真確定PID參數(shù)。
2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.1.1 設(shè)計(jì)的基本原理
設(shè)計(jì)的第一步是要了解設(shè)計(jì)的基本原理。首先根據(jù)任務(wù)書的要求了解設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，然后通過(guò)翻閱資料對(duì)該設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入的了解和學(xué)習(xí)。在這個(gè)過(guò)程中得到一個(gè)基本的設(shè)計(jì)構(gòu)思，也就是接下來(lái)設(shè)計(jì)的一個(gè)雛形。
2.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)
通過(guò)閱讀任務(wù)書了解設(shè)計(jì)的參數(shù)要求。這些參數(shù)將決定接下來(lái)電路設(shè)計(jì)的元器件及其參數(shù)的選取。
2.1.3 設(shè)計(jì)方案與選擇
通過(guò)之前設(shè)計(jì)原理的了解與設(shè)計(jì)參數(shù)的確定，已對(duì)設(shè)計(jì)方案有了一個(gè)初步的構(gòu)思。當(dāng)然設(shè)計(jì)方案不一定是唯一的，這就要通過(guò)方案的比較進(jìn)行選擇。這個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)接下來(lái)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
在選擇之前，當(dāng)然要確定兩個(gè)以上的候選方案。這就要通過(guò)大量的翻閱資料來(lái)確定。在羅列出候選方案之后要對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行比較。當(dāng)然各種方案在安全的前提下是沒有絕對(duì)的好與壞的，這就要通過(guò)設(shè)計(jì)要求選取一個(gè)最適合的方案。在設(shè)計(jì)報(bào)告中要對(duì)各方案進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)的分析，然后縱向比較，說(shuō)明選取某一方案的原因。接下來(lái)的設(shè)計(jì)將圍繞此方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
將選定設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。具體將電路分成幾大部分，分別對(duì)各部分電路的工作原理及功能進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并且最后畫出總電路圖。
2.3 設(shè)計(jì)仿真
將設(shè)計(jì)電路在Matlab軟件中進(jìn)行繪制并且進(jìn)行仿真。
在該過(guò)程中確定PID控制的參數(shù)，最后得到所要波形。并且要將繪制的總電路圖及最終波形截圖，在報(bào)告中進(jìn)行說(shuō)明。
2.4 結(jié)論
該部分是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的一個(gè)總結(jié)，闡述整個(gè)設(shè)計(jì)的收獲與成果。
以上就是對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容及設(shè)計(jì)方案的說(shuō)明。
3、進(jìn)度安排
第1-2周：畢業(yè)實(shí)習(xí)，撰寫畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告；
第3-4周：翻譯外文資料，初步確定方案，完成開題報(bào)告；
第5周：確定最終方案，并進(jìn)行可行性分析；
第6-8周：硬件設(shè)計(jì)及程序代碼編制；
第9周：中期檢查；
第10-11周：綜合調(diào)試，根據(jù)結(jié)果完善系統(tǒng)；
第12-14周：完成論文撰寫；
第15周：論文答辯；
第16周：論文裝訂
4、指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
武漢理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
目錄
摘要 I
ABSTRACT II
緒論 1
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2
1.1 設(shè)計(jì)的基本原理 2
1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo) 2
1.3 設(shè)計(jì)方案與選型 2
1.3.1 濾波器 2
1.3.2 整流濾波 2
1.3.3 APFC電路 3
1.3.4 APFC控制電路 3
1.3.5 DC/DC電路 4
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11
2.1 EMI濾波器 11
2.2 Boost APFC電路 11
2.2.1 最大輸入功率和輸入電流計(jì)算 11
2.2.2 輸入電容的選取 11
2.2.3 Boost電感的選取 12
2.2.4 輸出電容的選取 13
2.2.5 開關(guān)器件的選擇 13
2.3 APFC控制電路 13
2.3.1 開關(guān)頻率的選擇 14
2.3.2 電壓反饋電路設(shè)計(jì) 14
2.3.3 電流采樣濾波設(shè)計(jì) 14
2.3.4 軟啟動(dòng)設(shè)計(jì) 14
2.3.5 過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì) 15
2.3.6 電流環(huán)和過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì) 15
2.3.7 電壓反饋環(huán)設(shè)計(jì) 16
2.4 DC/DC降壓電路 17
2.4.1 Buck變換器性能指標(biāo) 18
2.4.2 占空比D 18
2.4.3 濾波電感L 18
2.4.4 濾波電容C 18
2.5 DC/DC控制電路 19
2.5.1 傳遞函數(shù)的建立 19
2.5.2 校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 19
2.6 總電路圖 21
3 系統(tǒng)仿真 22
3.1 Boost APFC電路仿真 22
3.2 DC/DC降壓電路仿真 23
結(jié)束語(yǔ) 26
致謝 27
參考文獻(xiàn) 28
29
附錄 29
武漢理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
摘要
關(guān)于電動(dòng)汽車充電器的研究與設(shè)計(jì)是電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)研究中很重要的一環(huán)。針對(duì)這一領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)汽車車載充電器。
為滿足電動(dòng)汽車蓄電池?zé)o損傷快速充電的需求，將大功率開關(guān)電源變換技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車車載充電器中。將有源功率因數(shù)校正電路與DC/DC電路相結(jié)合，以達(dá)到預(yù)期效果。并結(jié)合實(shí)際充電要求，給出了電動(dòng)汽車車載充電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并就方案中涉及到的升壓式APFC電路、DC/DC電路及PID控制電路做了具體介紹。尤其是在DC/DC電路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在該環(huán)節(jié)中列舉了幾種設(shè)計(jì)方案，并且對(duì)各方案進(jìn)行了分析與比較。
最后，利用Matlab軟件中的Simulink模塊對(duì)該車載充電系統(tǒng)模型進(jìn)行建模與仿真。試驗(yàn)結(jié)果表明，該車載充電器設(shè)計(jì)方案滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，并且具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵字：電動(dòng)汽車 車載充電器 DC/DC電路 PID控制器
ABSTRACT
About the research and design of the electric vehicle charger is a very important part of the electric vehicle control system.For this field,I designed an charger of electric vehicle.
In order to fast charge without damage, the battery of electric vehicle use of High-power switching power conversion technology.In order to achieve the desired results,combined with active power factor correction circuit and DC / DC Converters.And combined with the actual charging requirements,design of electric vehicle charging system design,Specific introduction on the circuit involved in the program,such as the Boost-APFC circuit,DC / DC Converter and PID control circuit.Especially in the part of DC / DC converter design,listed several design plan.And a description and comparison of design plan.
Finally,Used the Simulink of the Matlab,to modeling and simulation for the charger of electric vehicle that designed.The results showed that the charger of electric vehicle for designed to meet all the design requirements,and has the value of the application.
Key words: Electric vehicles The charger DC / DC Converter PID controller
武漢理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
緒論
面對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車尾氣排放造成的污染及其對(duì)石油資源的過(guò)度消耗所引發(fā)的環(huán)境與能源問(wèn)題, 電動(dòng)汽車以其良好的環(huán)保、節(jié)能特性, 成為當(dāng)今國(guó)際汽車發(fā)展的潮流和熱點(diǎn)。目前世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、著名汽車廠商及相關(guān)行業(yè)科研機(jī)構(gòu)都在致力于電動(dòng)汽車技術(shù)的研究開發(fā)與應(yīng)用推廣。
車載電動(dòng)汽車充電器是電動(dòng)汽車大規(guī)模商業(yè)化后不可缺少的組成部分, 如何實(shí)現(xiàn)車載充電器對(duì)蓄電池快速無(wú)損傷充電是電動(dòng)汽車投入市場(chǎng)前必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文設(shè)計(jì)的充電器是一種加裝于電動(dòng)汽車上的車載充電設(shè)備, 通過(guò)對(duì)目前車載蓄電池的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景進(jìn)行分析, 以目前使用廣泛的閥控密封鉛酸電池為研究對(duì)象, 在技術(shù)上采用目前較為先進(jìn)且成熟的逆變技術(shù), 具有體積小、重量輕、效率高、調(diào)節(jié)范圍大等特點(diǎn)。同時(shí)從功能角度, 它也適合鎳鎘、鎳氫, 鋰離子等類型的動(dòng)力蓄電池。因此, 具有較大的實(shí)用價(jià)值。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1.1 設(shè)計(jì)的基本原理
結(jié)合當(dāng)前電動(dòng)汽車電能供給的典型方式和充電電源的發(fā)展?fàn)顩r，文章設(shè)計(jì)的車載充電系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 充電系統(tǒng)基本原理圖
整個(gè)電路采用了目前較為先進(jìn)、成熟的逆變技術(shù)，AC/DC加DC/DC的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。首先是220V的交流市電經(jīng)EMI濾波輸送到APFC校正電路，經(jīng)APFC控制電路使輸出變?yōu)?00V的直流電，然后經(jīng)過(guò)DC/DC降壓電路及其控制電路，保證輸出的電流和電壓滿足充電需求。其中APFC電路及其控制電路主要由MOSFET 管、Boost升壓電感、控制芯片IR1150S以及直流濾波電容組成。DC/DC降壓電路則選擇Buck變換器，主要由MOSFET 管、Buck降壓電感、PID控制器以及直流濾波電容組成。各部分的具體工作原理將在之后詳細(xì)說(shuō)明。
1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)
設(shè)計(jì)一款電動(dòng)汽車車載充電器，充電機(jī)輸入源為220V@50Hz交流電網(wǎng)，充電機(jī)輸出端接蓄電池，蓄電池電壓范圍為200-380V，要求充電電壓由用戶通過(guò)CAN總線控制，標(biāo)稱電壓值320V，充電電壓紋波<1%，輸出功率7kw，也可通過(guò)CAN總線將充電機(jī)控制在電流模式下，輸出電流由用戶通過(guò)CAN總線控制，紋波電流<1%。對(duì)充電機(jī)電路架構(gòu)進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)電路參數(shù)，建立電路模型并仿真；設(shè)計(jì)PID控制器，通過(guò)仿真確定PID參數(shù)。
1.3 設(shè)計(jì)方案與選型
1.3.1 濾波器
電源線是干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備的主要途徑，通過(guò)電源線，電網(wǎng)的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作，同樣設(shè)備產(chǎn)生的干擾也可能通過(guò)電源線傳到電網(wǎng)上，干擾其他設(shè)備的正常工作。
為了得到平穩(wěn)的輸出，防止開關(guān)電源工作過(guò)程中產(chǎn)生的高次諧波對(duì)交流電源的“污染”，這里選用EMI濾波器。
1.3.2 整流濾波
整流電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。按組成器件可分為不可控電路、半控電路和全控電路三種。
1) 不可控整流電路
完全由不可控二極管組成，電路結(jié)構(gòu)一定之后其直流整流電壓和交流電源電壓值的比是固定不變的。
2) 半控整流電路
由可控元件和二極管混合組成，在這種電路中，負(fù)載電源極性不能改變，但平均值可以調(diào)節(jié)。
3) 全控整流電路
所有的整流元件都是可控的，其輸出直流電壓的平均值及極性可以通過(guò)控制元件的導(dǎo)通狀況而得到調(diào)節(jié)，在這種電路中，功率既可以由電源向負(fù)載傳送，也可以由負(fù)載反饋給電源，即所謂的有源逆變。
由于整流濾波部分在整個(gè)充電器設(shè)計(jì)中屬于開關(guān)電源的一部分，且在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，整流濾波部分只起到整流作用，不需要對(duì)波形進(jìn)行控制。所以本次設(shè)計(jì)的整流濾波部分選用不可控整流電路即可。
1.3.3 APFC電路
設(shè)計(jì)的整流、濾波、APFC電路以及其控制電路的部分都屬于開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。而開關(guān)電源是采用功率因數(shù)半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過(guò)周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓的電源變換裝置。它直接將電網(wǎng)工頻電壓經(jīng)整流濾波為直流電壓，再經(jīng)主變換電路處理后經(jīng)輸出整流濾波，反饋電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并把所采樣信號(hào)送到控制電路進(jìn)行比較放大處理，以此調(diào)節(jié)輸出的PWM脈沖占空比，最終輸出一個(gè)紋波電壓和穩(wěn)定性能均符合要求的直流電壓。
APFC電路屬于開關(guān)電源的功率因數(shù)校正部分。根據(jù)是否用有源器件，功率因數(shù)校正可分為無(wú)緣功率因數(shù)校正技術(shù)和有源功率因數(shù)校正技術(shù)兩大類。
1) 無(wú)緣功率因數(shù)校正（PPFC）技術(shù)
無(wú)緣功率因數(shù)校正技術(shù)是早期應(yīng)用的一種功率因數(shù)校正技術(shù)，通常是在電路的整流器和電容之間串聯(lián)一個(gè)濾波電感，或在交流側(cè)接入一個(gè)諧振濾波器，構(gòu)成無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)，采用無(wú)功功率補(bǔ)償、無(wú)功濾波等方法抑制電路中的諧波，從而提高電路功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：控制簡(jiǎn)單、效率高、可靠度高、EMI小、價(jià)格低廉。
缺點(diǎn)是：增加的無(wú)緣器件體積大，笨重且效果不好，功率因數(shù)低，對(duì)諧波的抑制效果不理想。所以很多場(chǎng)合無(wú)法滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2) 有緣功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)
有緣功率因數(shù)校正是直接采用有緣開關(guān)或AC/DC變換技術(shù)，在整流器和負(fù)載之間接入一個(gè)DC/DC開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流的波形跟蹤交流輸入正弦電壓的波形，從而使電網(wǎng)輸入端的電流波形逼近正弦波，并與輸入的電網(wǎng)電壓同相位。有緣功率因數(shù)校正可得到較高的功率因數(shù)，總諧波畸變小，可在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)和寬帶下工作，體積小，重量輕，輸出電壓也可保持恒定。
90年代以來(lái)，有源功率因數(shù)校正技術(shù)取得了更多進(jìn)展，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)都提出了一些功率因數(shù)校正的軟開關(guān)技術(shù)和新的控制方法；由于變換器工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，有源功率因數(shù)校正技術(shù)具有體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)可接近1等優(yōu)點(diǎn)。
因此，在現(xiàn)階段，有源功率因數(shù)校正技術(shù)已具備高性能、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。
由于需要將220V市電轉(zhuǎn)換成400V直流電，為了實(shí)現(xiàn)升壓的效果，DC/DC轉(zhuǎn)換部分選用Boost變換器來(lái)達(dá)到升壓的作用。這也就是Boost APFC電路。
1.3.4 APFC控制電路
一般Boost APFC電路的控制電路采用單周期控制技術(shù)。
單周期控制技術(shù)是90年代初發(fā)展起來(lái)的一種非線性大信號(hào)PWM控制理論，也是一種模擬PWM控制技術(shù)。它通過(guò)控制開關(guān)的占空比，使每個(gè)開關(guān)周期中開關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參考量。平均輸入電流跟蹤參考電流且不受負(fù)載電流的約束，即使負(fù)載電流具有很大的諧波也不會(huì)使輸入電流發(fā)生畸變。因而將單周期控制技術(shù)應(yīng)用于三相整流器中可以實(shí)現(xiàn)低電流畸變和高功率因數(shù)，這種控制方法取消了傳統(tǒng)控制方法中的乘法器，使整個(gè)控制電路的復(fù)雜程度降低，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，是一種很好的控制方法。
單周期控制Boost變換器原理圖如圖2所示。
圖2 單周期控制Boost變換器原理圖
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以選擇單周期控制技術(shù)的芯片來(lái)代替控制電路，比如英飛凌的ICE2PCS01和IR的IR1150S芯片等。在設(shè)計(jì)中選用的是IR的IR1150S芯片。
1.3.5 DC/DC電路
DC/DC變換器是指能將一定幅值的直流輸入電壓（或電流）變換成一定幅值的直流輸出電壓（或電流）的電力電子裝置，主要應(yīng)用于直流電壓變換（升壓、降壓、升降壓等）、開關(guān)穩(wěn)壓電源、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)合。DC/DC變換是將原直流電通過(guò)調(diào)整其PWM（占空比）來(lái)控制輸出的有效電壓的大小。
DC/DC轉(zhuǎn)換器又可以分為硬開關(guān)和軟開關(guān)兩種。
1) 硬開關(guān)（Hard Switching）
硬開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)器件是在承受電壓或流過(guò)電流的情況下，開通或關(guān)斷電路的，因此在開通或關(guān)斷過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生較大的交疊損耗，即所謂的開關(guān)損耗。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)一定時(shí)開關(guān)損耗也是一定的，而且開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大，同時(shí)在開關(guān)過(guò)程中還會(huì)激起電路分布電感和寄生電容的振蕩，帶來(lái)附加損耗，因此，硬開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率不能太高。
2) 軟開關(guān)（Soft Switching）
軟開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)管，在開通或關(guān)斷過(guò)程中，或是加于其上的電壓為零，即零電壓開關(guān)（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通過(guò)開關(guān)管的電流為零，即零電流開關(guān)（Zero-Current·Switching，ZCS）。這種軟開關(guān)方式可以顯著地減小開關(guān)損耗，以及開關(guān)過(guò)程中激起的振蕩，使開關(guān)頻率可以大幅度提高，為轉(zhuǎn)換器的小型化和模塊化創(chuàng)造了條件。
所以在車載充電器的設(shè)計(jì)中選用軟開關(guān)。
理論上，按其變換功能可將DC/DC變換器分為降壓型DC/DC變換器（Buck變換器）、升壓型DC/DC變換器（Boost變換器）、升-降壓型DC/DC變換器（Boost-Buck變換器）和降-升壓型DC/DC變換器（Buck-Boost變換器）四種基本類型。然而在工程上，依據(jù)DC/DC變換器是否需要電器隔離，又可將其分為有變壓器的隔離型DC/DC變換器和無(wú)變壓器的非隔離性DC/DC變換器。下面將對(duì)各種變換器做詳細(xì)介紹。
1) Buck變換器
Buck變換器電路輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓。電路圖如圖3所示。
圖3 Buck變換器電路圖
該電路使用一個(gè)全控型器件T，圖中為IGBT，也可使用其他器件。
根據(jù)電感電流是否連續(xù)，Buck變換器有三種工作模式，分別為連續(xù)導(dǎo)電模式、不連續(xù)導(dǎo)電模式和臨界狀態(tài)。電感電流連續(xù)是指輸出濾波電感L的電流總大于零，電感電流斷續(xù)是指在開關(guān)管關(guān)斷期間有一段時(shí)間流過(guò)電感的電流為零。在這兩種工作模式之間有一個(gè)工作邊界，稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)，即在開關(guān)管關(guān)斷期末，濾波電感的電流剛好降為零。他們工作波形有較大差異。
由此可見，T一周期中導(dǎo)通時(shí)間愈長(zhǎng)，向電感轉(zhuǎn)移的能量愈多，向負(fù)載轉(zhuǎn)移的能量也愈多，即輸出電壓愈高。所以控制開關(guān)管導(dǎo)通占空比可控制輸出電壓。
其工作波形如圖4所示。
圖4 Buck變換器工作波形
T導(dǎo)通時(shí)，電感電壓，在該電壓的作用下，電感電流線性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加。
T關(guān)斷且電流連續(xù)時(shí)，電感電壓，在該電壓的作用下，電感電流線性下降，電感儲(chǔ)能減少。
T關(guān)斷且電流斷續(xù)時(shí)，電感電壓，電容向負(fù)載供電。
Buck變換器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單；控制特性好；負(fù)載側(cè)電流波動(dòng)小。
缺點(diǎn)是電源側(cè)電流波動(dòng)大；只能降壓，不能升壓。
2) Boost變換器
Boost變換器電路如圖5所示。
圖5 Boost變換器電路圖
與Buck變換器相似，根據(jù)電感電流是否連續(xù)，也可分為連續(xù)導(dǎo)電模式、不連續(xù)導(dǎo)電模式和臨界狀態(tài)三種。通過(guò)控制開關(guān)管導(dǎo)通占空比可控制輸出電壓。
其工作波形如圖6所示。
圖6 Boost變換器工作波形
T導(dǎo)通時(shí)，，電感電流線性增加,電感儲(chǔ)能增加，電源向電感轉(zhuǎn)移電能。
T斷開時(shí)，，電感電流減少，電感儲(chǔ)能減少，電感儲(chǔ)能向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。
Boost變換器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單；電源側(cè)電流波動(dòng)小。
缺點(diǎn)是負(fù)載側(cè)電流波動(dòng)大；只能升壓，不能降壓。
3) Buck-Boost變換器
Buck-Boost變換器電路如圖7所示。
圖7 Buck-Boost變換器電路圖
通過(guò)控制T通斷來(lái)控制電源向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。
T導(dǎo)通時(shí)，，電感電流線性增加，電感儲(chǔ)能增加，電源向電感轉(zhuǎn)移電能。
T斷開時(shí)，，電感電流減少，電感儲(chǔ)能減少，電感儲(chǔ)能向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。
其工作波形如圖8所示。
圖8 Buck-Boost變換器工作波形
Buck-Boost變換器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單；既能升壓，也能降壓。
缺點(diǎn)是電源側(cè)、負(fù)載側(cè)電流波動(dòng)大。
4) Cuk變換器
Cuk變換器電路如圖9所示。
圖9 Cuk變換器電路圖
通過(guò)控制T通斷來(lái)控制電源向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。T長(zhǎng)期斷開時(shí)，輸出電壓。
T導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，電感電流將趨于無(wú)限大，此時(shí)斷開T，將有無(wú)窮大能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載，輸出電壓也將趨于無(wú)限大。
其工作波形如圖10所示。
圖10 Cuk變換器工作波形
Cuk變換器的優(yōu)點(diǎn)是既能升壓，也能降壓；電源側(cè)、負(fù)載側(cè)電流波動(dòng)小。
缺點(diǎn)是電路稍復(fù)雜；電容充放電電流波動(dòng)大。
5) 單端正激變換器
正激變換器電路如圖10所示。
圖10 正激變換器電路圖
單端正激變換器由Buck變換器派生而來(lái)。在Buck變換器上插入一個(gè)隔離變壓器，即得到如圖10所示的單端正激變壓器。
單端正激變壓器電壓增益與開關(guān)導(dǎo)通占空比成正比，這與Buck變換器類似，不同的是比后者多了一個(gè)變壓器變比。在實(shí)際的正激變換器中，必須考慮隔離變壓器激磁電流的影響，否則鐵心中存儲(chǔ)的能量將使變壓器不能正常工作。
單端正激電路的優(yōu)點(diǎn)：增大了電壓的輸出范圍；加大了電路抗干擾的能力。
缺點(diǎn)是：變壓器有漏感；磁芯利用率不高，且很容易飽和。
6) 單端反激變換器
反激變換器電路如圖11所示。
圖11 反激變換器電路圖
單端反激變換器由Buck-Boost變換器派生而來(lái)。和Buck-Boost變換器相比較可知，反激變換器用變壓器代替了升降壓變換器中的儲(chǔ)能電感。因此，這里的變壓器除了起輸入電隔離作用外，還起儲(chǔ)能電感的作用。
反激變換器在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲(chǔ)存在變壓器中，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截?fù)載。
單端反激電路的優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)移到負(fù)載側(cè)的能量由原邊電壓、等效電感、IGBT開通時(shí)間決定，與負(fù)載無(wú)關(guān)。很適合于高壓小功率變換電路。
缺點(diǎn)是：變壓器有漏感；磁芯利用率不高，且很容易飽和。
7) 橋式變換器
橋式變換器由四個(gè)功率晶體管組成。相對(duì)于半橋而言，功率晶體管及驅(qū)動(dòng)裝置個(gè)數(shù)要增加1倍，成本較高，但可用在要求功率較大的場(chǎng)合。
橋式變換器主回路如圖12所示。橋?qū)堑膬蓚€(gè)功率晶體管作為一組，每組同時(shí)接通或斷開（也可其他方式），兩組開關(guān)輪流工作，在一周期中的短時(shí)間內(nèi)，四個(gè)開關(guān)管將均處于斷開狀態(tài)。四個(gè)開關(guān)導(dǎo)通（或關(guān)斷）占空比值均相等。
圖12 橋式變換器電路圖
橋式變換器的優(yōu)點(diǎn)：主變壓器只需要一個(gè)原邊繞組，通過(guò)正、反向的電壓得到正、反向磁通，副邊有一個(gè)中心抽頭繞組采用全波整流輸出。因此，變壓器鐵心和繞組的最佳利用，使效率、功率密度得到提高。功率開關(guān)在非常安全的情況下運(yùn)作。在一般情況下，最大的反向電壓不會(huì)超過(guò)電源電壓Vs，四個(gè)能量恢復(fù)（再生）二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬間電壓。這樣無(wú)須設(shè)置能量恢復(fù)繞組，反激能量便得到恢復(fù)利用。
缺點(diǎn)：需要功率元件較多。在導(dǎo)通的回路上，至少有兩個(gè)管壓降，因此功率損耗也比雙晶體管推挽式變換器1倍。但是在高壓離線開關(guān)電源系統(tǒng)中，這些損耗還是可接受的。另外，能量恢復(fù)（再生）方式，由于有四個(gè)二極管，損耗略有增加。
以上是對(duì)DC/DC變換器的分析。基本可以分為不帶隔離變壓器和帶隔離變壓器兩大類。后者可以將電源和負(fù)載隔離，加大了安全性，但是隔離型損耗比較大。由于設(shè)計(jì)的車載充電器輸出與輸入都屬于高電壓，所以不用采用效率較低的隔離型DC/DC。而在非隔離性DC/DC中，雖然有即可升壓也可降壓的DC/DC，但是電路較復(fù)雜。而設(shè)計(jì)的車載充電器只需要降壓，所以選用電路簡(jiǎn)單的Buck變換器即可。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 EMI濾波器
選用一般的電源EMI濾波器即可。在電子設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)安裝EMI 濾波器時(shí)要注意的是，在捆扎設(shè)備電纜時(shí)，千萬(wàn)不能把濾波器（電源）端和（負(fù)載）端的電線捆扎在一起， 因?yàn)檫@無(wú)疑加劇了濾波器輸入輸出端之間的電磁耦合。嚴(yán)重破壞了濾波器和設(shè)備屏蔽對(duì)EMI 信號(hào)的抑制能力。另外，要求濾波器的外殼與系統(tǒng)地之間有良好的電氣連接，也就是說(shuō)，要處理好濾波器的接地。最好不要把濾波器安裝在塑料板上和其他絕緣物體上，亦不要安裝在金屬托架上。要盡量避免使用長(zhǎng)接地線。因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的接地線意味著大大增加接地電感和電阻，它會(huì)嚴(yán)重破壞濾波器的共模抑制能力。
2.2 Boost APFC電路
Boost APFC電路主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖13所示。
圖13 Boost APFC電路主電路圖
2.2.1 最大輸入功率和輸入電流計(jì)算
在正常的工作效率下，變換器的最大輸入功率為：
當(dāng)輸入電壓最低時(shí)，輸入電流的最大有效值為：
輸入電流最大峰值為：
輸入電流的最大平均值為：
2.2.2 輸入電容的選取
輸入端的高頻電容主要來(lái)濾除輸入的高頻噪音和改善輸入紋波，計(jì)算如下：
其中是電流紋波系數(shù)（取20%），r是最大高頻電壓紋波系數(shù)，取6%。
所以選取、630的薄膜電容。
2.2.3 Boost電感的選取
1) 電感量大小的選取
在輸入電壓最低，輸入電流峰值的時(shí)候占空比有最大值：
電流紋波為20%峰值電流：
電感電流峰峰值為：
升壓電感：
2) 選磁芯形狀和尺寸
根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，選EE形鐵氧體3C90磁芯材料。，單線圈。
其中為窗口面積，為磁芯有效截面積，L為Boost電感，為最大峰值電流，為最大有效值電流。
根據(jù)手冊(cè)，我們最后選取EE85B，，可以滿足要求。
3) 電感線圈匝數(shù)的計(jì)算
取氣隙，由公式可以計(jì)算匝數(shù)：
取N=34匝。
4) 導(dǎo)線截面積的選取
導(dǎo)線的電流速度一般300-500，這里去電流密度按有效值，最大電流有效值為19.4，故導(dǎo)線截面積為：
我們選取的銅導(dǎo)線。
2.2.4 輸出電容的選取
在功率因數(shù)校正變換器中，輸出電容設(shè)計(jì)主要考慮維持時(shí)間，一般取30ms。那么輸出電容為：
這里為輸出電壓最小值，一般取300。故輸出電容選用3400，500的電解電容。
2.2.5 開關(guān)器件的選擇
主開關(guān)管的選擇，主開關(guān)管的選擇應(yīng)考慮電流有效值的1.5-2倍的裕量，電壓應(yīng)為輸出電壓的1.5-2倍的裕量。經(jīng)前面的計(jì)算，功率管采用APT5010LFLL，耐壓500，最大正向通態(tài)電流46。續(xù)流二極管選用RURG5060超快恢復(fù)二極管，耐壓600，正向額定電流50。整流橋選用KBPC5010F。
2.3 APFC控制電路
典型的單周期控制原理電路圖如圖14所示。
圖14 IR1150S典型應(yīng)用電路
其中，為采樣電阻，為開關(guān)頻率設(shè)置電阻，為反饋電阻，為過(guò)壓檢測(cè)電阻。控制芯片采用IR公司生產(chǎn)的基于單調(diào)周期控制技術(shù)的功率因數(shù)校正的控制芯片IR1150S，其管腳排列如圖15所示。
圖15 IR1150S管腳圖
2.3.1 開關(guān)頻率的選擇
IR1150S控制的開關(guān)頻率是可調(diào)的，通過(guò)一個(gè)外接電阻R來(lái)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。由于冊(cè)中頻率電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線可知取165-37時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出開關(guān)頻率為50-200，這里取外接電阻165。
2.3.2 電壓反饋電路設(shè)計(jì)
反饋采樣電阻要足夠高，以減少主電路在采樣電阻上的功率損耗，并滿足主電路的設(shè)計(jì)要求。我們?nèi)∵h(yuǎn)大于輸出電阻，，那么根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)：
其中為芯片內(nèi)部參考電壓。
2.3.3 電流采樣濾波設(shè)計(jì)
采樣電流要經(jīng)過(guò)濾波以濾除開關(guān)噪音，ISNS腳采用的是簡(jiǎn)單的RC濾波器，它的截止頻率為：
（2-1）
常用的截止頻率一般為1-1.5，這里選用RC濾波器：，。
2.3.4 軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)
軟啟動(dòng)時(shí)間由下面的公式?jīng)Q定：
（2-2）
其中，為電壓誤差放大器的最大輸出電流，查資料為40；芯片內(nèi)部設(shè)定電壓為6.05。選取軟啟動(dòng)時(shí)間為50，計(jì)算得到為0.33。
2.3.5 過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)
IR1150S內(nèi)部過(guò)壓比較器提供專用的參考電壓，設(shè)計(jì)450為過(guò)壓保護(hù)的門限電壓，當(dāng)輸出電壓高于450時(shí)將啟動(dòng)過(guò)壓保護(hù)。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)有：
2.3.6 電流環(huán)和過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)
IR1150S內(nèi)部提供的門限，采樣電流經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，當(dāng)電壓達(dá)到，過(guò)流保護(hù)立即啟動(dòng)。電流放大器的DC增益。單周期控制的集成芯片IR1150S工作基于峰值電流模式，因此開關(guān)電流能取代電感電流作為采樣電流輸入到ISNS腳。
最大占空比的計(jì)算：
由單周期控制Boost APFC變換器的控制目標(biāo)公式：
（2-3）
其中為電流檢測(cè)腳ISNS的輸入電壓，可以得到：
其中，為IR1150S內(nèi)部設(shè)定電壓為6.05，當(dāng)考慮過(guò)載5%時(shí)，電感電流的峰峰值為：
采樣電阻的功率為：
2.3.7 電壓反饋環(huán)設(shè)計(jì)
電壓反饋環(huán)示意圖如圖16所示。
圖16 電壓反饋環(huán)示意圖
開環(huán)增益為：
（2-4）
輸出分壓傳遞函數(shù)：
（2-5）
對(duì)于恒定的功率負(fù)載時(shí)，傳遞函數(shù)為：
（2-6）
誤差放大器的傳遞函數(shù)：
（2-7）
其中為跨導(dǎo)常數(shù)。在上面的函數(shù)中電壓環(huán)補(bǔ)償腳接的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在傳遞函數(shù)中增加了一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)：
（2-8）
（2-9）
電壓環(huán)補(bǔ)償：
為了避免電壓環(huán)節(jié)導(dǎo)致的線電流在輸出上引起的失真，引入電流環(huán)補(bǔ)償，電壓環(huán)補(bǔ)償?shù)哪康氖窍敵鲭妷荷?00的紋波。
輸出電容上的二次紋波為：
100的紋波通常要衰減100倍，即取其典型值的1%，有：
輸出電壓采樣環(huán)節(jié)衰減為：
在100時(shí)誤差放大器的增益為：
第二個(gè)極點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于100，所以誤差放大器的傳遞函數(shù)可以近似認(rèn)為：
（2-10）
根據(jù)公式：
（2-11）
這里為跨導(dǎo)常數(shù)，500。
計(jì)算得到。
第二個(gè)極點(diǎn)的選擇頻率，取典型值為開關(guān)頻率的1/6或者1/10之間，取16。
（2-12）
計(jì)算得到。
2.4 DC/DC降壓電路
車載充電器的DC/DC降壓電路采用Buck變換器，Buck變換器原理圖如圖17所示。
圖17 Buck變換器原理圖
2.4.1 Buck變換器性能指標(biāo)
1) 輸入直流電壓（）：380
2) 輸出直流電壓（）：320
3) 輸出功率（）：7
4) 輸出電壓紋波（）：3.2
5) 開關(guān)頻率（）：20
6) 蓄電池電壓范圍（）：（200-380）
2.4.2 占空比D
根據(jù)Buck變換器的輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系求出占空比。
263
421
2.4.3 濾波電感L
根據(jù)Buck變換器的性能指標(biāo)求出電感：
2.4.4 濾波電容C
根據(jù)Buck變換器的性能指標(biāo)求出電容：
2.5 DC/DC控制電路
2.5.1 傳遞函數(shù)的建立
對(duì)于類似于BUCK變換器的直流功率變換器，目前工程界采用的主要分析與設(shè)計(jì)方法是狀態(tài)空間平均法。此方法的功能是，只要給出電路在2種開關(guān)狀態(tài)下狀態(tài)方程的系數(shù)矩陣，，，，，，即可得到描述其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)小信號(hào)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而得到其統(tǒng)一的低頻小信號(hào)等效電路模型，再通過(guò)加擾動(dòng)，線性化等步驟，進(jìn)一步得到描述變換器動(dòng)態(tài)低頻小信號(hào)行為的狀態(tài)空間平均方程：
（2-13）
（2-14）
由式(2-13)與式（2-14）進(jìn)行拉普拉斯變換可以求得變換器的動(dòng)態(tài)低頻小信號(hào)特性，如輸出對(duì)輸入和輸出對(duì)導(dǎo)通比控制的傳遞函數(shù)。由式(2-13)與式（2-14）推導(dǎo)輸出電壓對(duì)導(dǎo)通比控制的傳遞函數(shù)如下。
（2-15）
由式（2-15）可得傳遞函數(shù)：
（2-16）
2.5.2 校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
加入了補(bǔ)償傳感器之后的Buck變換器系統(tǒng)框圖和系統(tǒng)主電路圖如圖19所示。
圖19 Buck變換器系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)要求的指標(biāo)為：輸入電壓，輸出電壓，開關(guān)頻率為20。
整個(gè)Buck電路包括補(bǔ)償器，PWM補(bǔ)償器，開環(huán)傳遞函數(shù)和反饋電路。采樣電壓與參考電壓比較產(chǎn)生的偏差通過(guò)補(bǔ)償器校正后來(lái)調(diào)節(jié)PWM控制器的波形的占空比，當(dāng)占空比發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓作出相應(yīng)的調(diào)整，來(lái)消除偏差。
1) 的推到
由圖19可以看出，輸出電壓為380，而參考電壓為320，將參考電壓與輸出電壓相對(duì)比，可得。
2) 的推導(dǎo)
PWM控制技術(shù)就是對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其它所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。要生成PWM波，的推導(dǎo)如下。
在時(shí)，可得：
（2-17）
加上擾動(dòng)：
（2-18）
（2-19）
帶入式（2-17）得：
（2-20）
（2-21）
（2-22）
從而得出：
（2-23）
具體的取值要在系統(tǒng)仿真中多次試取得出，在仿真過(guò)程中選出最適合系統(tǒng)的取值。
3) 串聯(lián)校正裝置
通過(guò)所加的無(wú)源RC超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的相位超前特性來(lái)增大系統(tǒng)的相位裕量，改變系統(tǒng)開環(huán)頻率特性，并要求校正網(wǎng)絡(luò)最大的相位超前角。出現(xiàn)在系統(tǒng)新的剪切頻率處，使校正后系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：低頻段的增益滿足穩(wěn)態(tài)精度的要求，中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性的斜率為，并具有較寬的頻帶，使系統(tǒng)具有滿意的動(dòng)態(tài)性能，高頻段要求幅值迅速衰減，以減少噪聲的影響。超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：
（2-24）
由于計(jì)算存在誤差，具體參數(shù)要在仿真過(guò)程中不斷調(diào)制來(lái)得到。
2.6 總電路圖
總電路圖見附錄。
3 系統(tǒng)仿真
3.1 Boost APFC電路仿真
使用Matlab/Simulink建立仿真模型，如圖21所示。
圖21 Boost APFC電路仿真模型
仿真輸入電壓源為220@50，輸入電容，輸入升壓電感，輸出電容，電壓反饋電路電阻為：，過(guò)壓保護(hù)分壓電阻為：，電流檢測(cè)電阻。由于Matlab/Simulink中沒有芯片IR1150S，所以控制電路根據(jù)單周期控制技術(shù)的原理搭建。帶入仿真參數(shù)，選用ode23tb算法。
仿真結(jié)果如下：
1) 輸入電壓波形：
圖22 Boost APFC電路輸入電壓波形
2) 輸出電壓波形：
圖23 Boost APFC電路輸出電壓波形
仿真結(jié)果分析：從示波器的波形圖可以看出，通過(guò)Boost APFC電路能夠有效的將220交流電變?yōu)?80直流電。通過(guò)控制電路的校正，輸出電壓能夠有效的在經(jīng)過(guò)小幅震蕩后慢慢接近380。
3.2 DC/DC降壓電路仿真
使用Matlab/Simulink建立仿真模型，如圖24所示。
圖24 DC/DC降壓電路仿真模型
仿真輸入電壓源為Boost APFC電路的輸出電壓，為380直流電，輸入降壓電感，輸出電容，電壓反饋電路電阻為：，比例放大器設(shè)為32/28。帶入仿真參數(shù)，選用ode23tb算法。
仿真結(jié)果如圖25所示。
圖25 DC/DC降壓電路輸出電流及電壓
無(wú)論在理論數(shù)據(jù)上，還是仿真結(jié)果上，閉環(huán)BUCK變換器都符合系統(tǒng)的性能指標(biāo)，表現(xiàn)出良好的性能，達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。
結(jié)束語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車車載充電器的研究，設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)汽車的車載充電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中運(yùn)用了有源功率因數(shù)校正技術(shù)及DC/DC技術(shù)，并且運(yùn)用了電壓回路閉環(huán)控制，可以提供恒壓充電的功能。并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)建模與仿真。
通過(guò)本次設(shè)計(jì)，使我對(duì)有源功率因數(shù)校正技術(shù)和DC/DC技術(shù)有了更加深刻的理解，并且加深了Matlab軟件的使用技巧。并且在整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，讓我明白了理論與實(shí)際還是有一定的差距的，理論值與實(shí)際值總是存在一定偏差，從而影響設(shè)計(jì)結(jié)果，克服這些困難的過(guò)程也是我在這次設(shè)計(jì)中的一個(gè)很大的收獲。
畢竟能力有限，在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中還是存在一些問(wèn)題，并且與實(shí)際還是有一定的距離。由于設(shè)計(jì)中只采用了電壓回路閉環(huán)控制，所以只能保證恒壓充電的功能。而實(shí)際的車載充電系統(tǒng)應(yīng)該具備恒流充點(diǎn)、恒壓充電、慢脈沖快速充電以及它們之間的快速轉(zhuǎn)換等功能。由于設(shè)計(jì)要求的充電系統(tǒng)從輸入到輸出都是高壓，但是本文所設(shè)計(jì)的車載充電器并沒有設(shè)計(jì)保護(hù)電路以及防干擾保護(hù)，所以距離實(shí)際應(yīng)用還是有很大的距離。當(dāng)然，這些都將在今后的學(xué)習(xí)與實(shí)踐中不斷不足。
通過(guò)本文的研究，希望在此基礎(chǔ)上取得迸一步的進(jìn)展。要對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)做進(jìn)一步的補(bǔ)足。同時(shí)由于DC/DC變換器是燃料電池電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)的重要組成部分，如何進(jìn)一步優(yōu)化主電路參數(shù)，改進(jìn)控制電路；降低其損耗，提高效率，是今后需要繼續(xù)進(jìn)行的工作。
致謝
論文的完成標(biāo)志著我的大學(xué)四年即將結(jié)束，也意味著，新的生活又將開始了。最近的半年則并行著找工作和寫論文。其間的起起伏伏、悲喜得失，今天想來(lái)仍舊唏噓不已。所幸我沒有被失敗擊垮。自信、堅(jiān)強(qiáng)、樂觀的態(tài)度讓我堅(jiān)持到了最后，并且爭(zhēng)取了最好的結(jié)局。
本文研究工作從選題到完成，無(wú)不傾注了導(dǎo)師于繼來(lái)教授誨人不倦的關(guān)懷、指導(dǎo)和教誨。在此衷心感謝我的導(dǎo)師黃亮老師對(duì)我的指導(dǎo)和教誨。您開闊的思維、敏銳的洞察力以及詳細(xì)的修改意見一直給我很大的啟發(fā)。您嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識(shí)、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益求精的工作態(tài)度、積極進(jìn)取的科研精神以及誨人不倦的師者風(fēng)范是我終生學(xué)習(xí)的楷模。唯一的遺憾是我自己不夠主動(dòng)，錯(cuò)過(guò)了許多與您交流的機(jī)會(huì)。
還要感謝輔導(dǎo)員以及這四年來(lái)給我上課的每一位老師，您們每一位的言行無(wú)不感染著我，讓我在這四年的有限時(shí)間里得到最大的成長(zhǎng)。
還要感謝我的室友們，無(wú)論是在生活還是學(xué)習(xí)上，都對(duì)我有很大的幫助。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的期間，通過(guò)和你們的討論，讓我能過(guò)順利攻破設(shè)計(jì)中的一個(gè)個(gè)難點(diǎn)。
此外，要感謝我的父親母親，多年來(lái)一直給予我鼎力支持和無(wú)私奉獻(xiàn)。
最后，謹(jǐn)向所有在我大學(xué)期間曾經(jīng)關(guān)心和幫助過(guò)我的老師和同學(xué)表示最誠(chéng)摯的謝意！
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