電動汽車充電柱研制畢設論文

1、本科畢業(yè)設計（論文）電動汽車充電柱研制Development of electric vehicle charging column學 院： 電子信息工程學院 專 業(yè)： 自動化 學生姓名： 孫文強 學 號： 11212068 指導教師： 魏學業(yè) 北京交通大學2021年11月學士論文版權(quán)使用授權(quán)書本學士論文作者完全了解北京交通大學有關保留、使用學士論文的規(guī)定。特授權(quán)北京交通大學可以將學士論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，提供閱覽服務，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。（保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學位論文作者簽名： 指導教師簽名：簽字日期： 年 月 日

2、 簽字日期： 年 月 日中文摘要摘要：作為電動汽車充電系統(tǒng)的核心部件，充電柱拓撲結(jié)構(gòu)一直是研究的熱點。目前，國內(nèi)外很多企業(yè)和單位都開始對電動汽車充電系統(tǒng)進行研究。本文主要圍繞著全橋變換器進行電動汽車充電柱系統(tǒng)的設計工作。首先，本文對現(xiàn)今國內(nèi)外充電技術(shù)有了一個比較詳細的介紹。在此基礎上，針對電動汽車充電系統(tǒng)的特點，最終設計了基于移相全橋ZVS變換器的主電路方案，研究了該變換器存在的占空比丟失、副邊整流二極管振蕩等缺點，并以此為基礎進行了參數(shù)設計。隨后，對移相全橋ZVS變換器進行建模，得出了系統(tǒng)開環(huán)函數(shù)。設計了以TMS320F28335為基礎的控制電路，包括檢測電路、IGBT管驅(qū)動電路以及保護電路

3、等，并對參數(shù)進行了計算。最后，以MATLAB/Simulink軟件對設計的電路系統(tǒng)進行了仿真。對各部分輸出波形進行了相關數(shù)據(jù)分析和驗證。關鍵詞：電動汽車充電；移相全橋；MATLAB;DSPABSTRACTABSTRACT:As the core component of electric vehicle charging system, charging column topology has always been a research hot spot. At present, many enterprises and units are for electric vehicle char

4、ging system were studied. This paper mainly revolves around the full bridge converter for electric vehicle charging column system design work.First of all, in this paper, the current charging technology at home and abroad have a more detailed introduction. On this basis, according to the characteris

5、tics of the electric vehicle charging system, final design based on phase-shift full bridge ZVS converter main circuit scheme, study the duty ratio of the existence of converter lost, deputy shortcomings, such as edge rectifier diode oscillations and based on the parameter design.Based on this, the

6、phase-shift full bridge ZVS converter modeling, it is concluded that the open loop system function. Design the control circuit based on TMS320F28335, including the detection circuit, IGBT driving circuit and protection circuit, etc., and the parameters are calculated.Finally, using MATLAB/Simulink s

7、oftware to design the circuit of system are simulated. On the part of the output waveform data analysis and verification.KEYWORDS :The electric car charging; Phase-shift full bridge; MATLAB; DSP 目 錄中文摘要3ABSTRACT41 引言71.1電動汽車充電柱研制的研究背景與意義71.2電動汽車國內(nèi)外研究狀況71.2.1國內(nèi)電動汽車研究71.2.2國外電動汽車研究現(xiàn)狀81.3 電動汽車充電技術(shù)介紹91.

8、4課題研究主要內(nèi)容112 電動汽車充電柱方案研究122.1 電動汽車充電柱拓撲結(jié)構(gòu)選擇122.2 電動汽車充電柱方案選擇152.3 本章小結(jié)163 移相全橋ZVS變換器的工作原理及相關問題163.1 移相全橋ZVS變換器的基本工作原理163.2 移相全橋ZVS變換器的工作過程173.3 移相全橋ZVS變換器相關問題的分析183.3.1 零電壓開通實現(xiàn)183.3.2 副邊占空比的丟失193.3.3 副邊整流二極管振蕩203.4 本章小結(jié)204 變換器參數(shù)設計204.1 主電路高頻變壓器設計214.2 開關管的選擇224.3 電感和電容的選擇234.3.1 輸出濾波電感和電容參數(shù)的設計234.4

9、諧振電感和電容的設計234.5 本章小結(jié)245 電動汽車充電柱電源系統(tǒng)設計245.1充電柱控制系統(tǒng)硬件設計255.1.1 TMS320F28355最小系統(tǒng)255.1.2 檢測電路設計275.1.3 IGBT管驅(qū)動電路設計295.1.4 保護電路設計305.2 充電柱控制系統(tǒng)軟件設計325.2.1 主電路信號模型建立325.2.2 全橋電路數(shù)字控制策略335.2.3 設計PWM信號345.2.4 AD采樣345.2.5 整體控制流程345.3 本章小結(jié)356 主電路MATLAB仿真與結(jié)果分析356.1 主電路MATLAB仿真356.2 本章小結(jié)387 結(jié)論38參考文獻38致 謝391 引言1.1

10、電動汽車充電柱研制的研究背景與意義隨著人類生活水平的提高，人類對于代步工具的選擇，越來越趨向于私家車，而汽車在燃油方面極度需求，在對石油需求的同時，大量汽車排放的尾氣對周圍生活換環(huán)境的勿擾也是不可避免的，所以，發(fā)展電動汽車將是一個解決先進燃油汽車劇增的方案。人類對于能源的恐懼，造成了先進發(fā)展電動汽車的潛力，隨著各種工業(yè)的發(fā)展，人類對于石油能源的需求已經(jīng)遠超過我們的想象，所以發(fā)展電動汽車已經(jīng)成為一種趨勢。隨著汽車誕生以來，汽車數(shù)量每年都在劇增，以前，你幾乎看不到汽車，更沒有停車困難這件事情，而隨著生活水平提高，汽車擁有者變多，大家出門，開始擔憂的不是能不能找到一個自己想去的地方，而是擔心自己能不

11、能為汽車找到一個停放的地方，同時，某些地方為了應對汽車增長，開始了限號措施，對于牌照的發(fā)放，也實現(xiàn)了搖號的方式，這種情況更確定的需要發(fā)展代替燃油汽車的電動汽車。 在1990年之前，單純的以電力為能源的電動汽車已經(jīng)被開發(fā)應用，但是由于當時電池性能的低下，導致電動汽車并沒有被推廣。隨著電力電機技術(shù)的發(fā)展，歐美國家率先得到技術(shù)的支持下發(fā)展了電動汽車。與此同時，電力與燃油同時驅(qū)動的混合動力汽車也被各個公司開發(fā)研究。在這方面，日本最早開始生產(chǎn)和開發(fā)混合動力汽車，并逐漸將其產(chǎn)業(yè)化，世界上最早被大批生產(chǎn)并應用的便是1997年豐田生產(chǎn)的混合動力汽車，到現(xiàn)在為止，已經(jīng)售出了超過200輛。在國際汽車市場上，奔馳，

12、沃爾沃等眾多知名汽車廠商也都前后開發(fā)了燃油電力兩用汽車。同時，我國在第十二個五年計劃中，也重點的提出了要加強中國的電動汽車行業(yè)，將其做大，做強。過年知名汽車廠商，一汽、東風、比亞迪等都響應號召，爭相研發(fā)電動汽車，并將其在市場上得到應用。 在電動汽車大發(fā)展的背景下，確立了對電動汽車充電柱進行設計研究。一輛汽車不管是靠燃油還是電力，都必須有驅(qū)動它前進的動力，因此，對汽車充電柱的研究，更是顯得十分重要。以電力為唯一能源的純電動汽車，其電力儲存在車載蓄電池中，那么，能否快速的將高壓電以直流形式?jīng)_進汽車蓄電池中，便成為了研究的重點，同時，也決定了電動汽車能否在市場上走的更遠，未來的電動汽車充電技術(shù)的發(fā)展

13、勢頭一定是以快速、清潔、智能的充電方式為主。一個高效率的蓄電池充電系統(tǒng)，是一個汽車系統(tǒng)中重要的一個系統(tǒng)之一，同時它也是汽車能夠走得更遠，行駛的更遠的重點所在。1.2電動汽車國內(nèi)外研究狀況1.2.1國內(nèi)電動汽車研究 從20世紀70年代開始，我國開始對電動汽車技術(shù)進行了研究，到了90年代逐步發(fā)展。在國內(nèi)各個知名汽車公司的努力研究下，經(jīng)過“八五”、“九五”、“十五”三個五年計劃取得了相當做的科技研究成果，電動汽車充電技術(shù)也得到了最快的提高。尤其是“863”計劃對于電動汽車的支持和 2008 年奧運會對電動汽車提出了20個億的訂單合同，奧運會期間，只有中國國內(nèi)制造的電動汽車才可以被

14、應用，這對于我國電動汽車研發(fā)者和研發(fā)公司而言，是一個比任何鼓勵都來的實際的催化劑。  在國家發(fā)展計劃中，制定了專門發(fā)展電動汽車的專項，致力于發(fā)展電動汽車，大家不分官、產(chǎn)、學、研，統(tǒng)一起來，大家眾志成城聯(lián)合起來對電動汽車進行攻關。2001年9月正式啟動了專項計劃，國家加撥了8.8億專項經(jīng)費。這8，8億科研經(jīng)費用來支持企業(yè)發(fā)展電動汽車，使企業(yè)有更好的科研經(jīng)費，實現(xiàn)我國對于電動汽車的一個長遠的發(fā)展。在應對電動汽車的政策、法規(guī)、技術(shù)標同時不能放下步研究的步調(diào)，對電動汽車發(fā)展將會帶來的基礎設施增加作出相應的策略。 在不斷努力的6 年中，在國際先進行列汽車生產(chǎn)中，已

15、然出現(xiàn)了中國自主研發(fā)的電動汽車產(chǎn)品：在燃料電池汽車研發(fā)中取得了非常重要的進展；實現(xiàn)了載客運行燃油與電力雙動力混合汽車，具備批量小部分生產(chǎn)能力；單純的以電力為核心的電動汽車開始批量生產(chǎn)，已經(jīng)在市場出售運營并已經(jīng)相繼出口。在此期間，燃料電池發(fā)動機也取得了相當大的進步，已經(jīng)屬于全球領先技術(shù)；發(fā)展了相當多的蓄電池產(chǎn)業(yè)，這些產(chǎn)業(yè)的蓄電池多達幾千瓦，功率巨大，蓄電池的性能與以往相比，大大延長了蓄電池的供電時間，同時，供電的穩(wěn)定性也有了很大的提高；電動汽車關鍵的底盤制造，也有了很大的提高，從以前依賴進口，到可以自主研發(fā)電動汽車的底盤?？偠灾覈妱悠囌诔粋€向上的趨勢，并且這種趨勢帶動了傳統(tǒng)汽車工

16、業(yè)的發(fā)展。 1.2.2國外電動汽車研究現(xiàn)狀到二十世紀初，已經(jīng)有超過100萬輛的混合動力汽車在全球銷售，這個數(shù)字，預計到2015年將會有期望突破450萬輛，而且這個數(shù)字還在上升，全球市場對電動汽車的需求正在不斷增加。在各國汽車擁有數(shù)目上，美國最多，同時，美國對于石油的需求與消耗也是巨大的。美國也為此制定了嚴格的尾氣排放標準，為了減少對于石油的需求，美國出臺了一系列鼓勵電動汽車發(fā)展的政策，加大對電動汽車產(chǎn)業(yè)的支持，在政策的鼓勵下，美國汽車生產(chǎn)廠商相繼推出了自己的電動汽車與混合型動力汽車。我們所知道的便是，通用公司設計開發(fā)了世界上第一輛電動汽車；雪佛蘭和FUSION也在這一年被推出，這是第一輛混合汽

17、車；同時在2013年，克萊勒斯公司也推出了多款單純以電力和驅(qū)動能源的電動汽車。不僅僅是美國在發(fā)展，歐洲也在發(fā)展電動汽車上面有著自己的技術(shù)提高。德國知名汽車生產(chǎn)寶馬公司了研究設計了7系氫動力雙模式的電動汽車；標志J5、雪鐵龍C25也在法國相繼都到了推廣。情況最為特殊的當屬日本，日本能源問題一直是其國內(nèi)關注的重點，所在早在70年代，日本汽車生產(chǎn)公司就已經(jīng)開始對電動汽車電池進行了研究。日本的豐田公司開發(fā)并研制了第一輛國內(nèi)燃料電池電動汽車。同時，豐田生產(chǎn)的普銳系列混合型動力汽車在全球的銷售數(shù)量達到了125萬。1.3 電動汽車充電技術(shù)介紹電動汽車最主要的核心系統(tǒng)便是發(fā)動機，發(fā)動機的能量來源便是電動汽車上

18、的車載蓄電池，也就是，用戶將充電柱上的電能直接通過接線傳送到電動汽車蓄電池上，充電柱的電能，來來自直接與電網(wǎng)相連的380V交流電，交流電經(jīng)過充電柱的一次濾波，將高頻交流轉(zhuǎn)換成了低頻直流，直流電在變換器中經(jīng)過高壓變頻，產(chǎn)生了直接供給蓄電池的直流電，這時候的直流電便可以起到給電動汽車蓄電池充電的功能。這類大多是簡單、便攜、控制簡單的接觸式充電器。不同的車型對應于不同的車載充電機，因此它的普遍性不是很高。非車載充電機獨立在電動汽車之外的普遍性充電設備，包括專用充電機、公共場所充電站等等?？梢赃m用于各種車型適配的蓄電池。它的功率、占地很大。國內(nèi)外普遍采用的便是大功率的傳導式充電機，功率至少是幾千瓦，最

19、大可以到幾百千瓦。具體分類如表2-1所示。表2-1 充電機分類分類標準充電機類型連接方式傳導充電機感應充電機輸入電源單相充電機三相充電機安裝位置車載充電機地面充電機功能普通充電機智能充電機不管是哪種電動汽車充電方式，目的是為了更加快速安全的給電動汽車進行充電。這是一種新的技術(shù)，誰掌握了便引領了下一個科技的核心，在利益與環(huán)境的雙重趨勢下，各國都對電動汽車充電技術(shù)有了一定程度的研究，而這其中，尤其以美日法為帶頭作用。以通用電氣、西門子、施耐德為首的著名電氣公司為牽頭，陸陸續(xù)續(xù)推出了不同類型的充電機。國內(nèi)，投入大量資金在研發(fā)電動汽車充電機的有北京交通大學、華北電力大學和南瑞公司以及比亞迪公司。他們都

20、在攻克這個世界性的充電問題。那就是更快、更準確、更安全的完成電動汽車的充電。快速的充電，簡而言之，就是輸入電流大、電壓十分大，充電機的輸出功率很高，這也對充電機有了更高的要求。同時，電力電子技術(shù)、微處理器和自動控制技術(shù)飛速發(fā)展，電動汽車充電技術(shù)也越來越智能化。為了讓充電機工作更加穩(wěn)定，對能量的損耗越來越少，同時降低充電機大功率充電對于電網(wǎng)的波動，研發(fā)過程中，逐漸的采用了越來越先進的拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略。同時，隨著通信行業(yè)和人機交互技術(shù)的飛速發(fā)展，充電機的管理也不再是單一的，實現(xiàn)了更加人性化的充電機管理和更加讓人易操作的交互界面。跟電腦的發(fā)展相似，人們也將很大的充電站變成越來越小、越來越智能的充電

21、樁充電柱。這其中具有代表性的便是GE Watt Station，這款充電機有著體積小、人機界面操作簡單的優(yōu)良特性，更重要的是，他可以實現(xiàn)電動汽車的快速充電。電動汽車充電有兩種方式，最常規(guī)的沖電方式有恒壓、恒流、恒流恒壓充電，快速充電則有脈沖式充電、變電流間歇式充電、變壓電間歇式充電，由于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及大家對于快速充電的要求，越來越多的難題便是如何快速充電，所以，對快速充電作出簡單介紹。（1） 脈沖式充電如圖1-1所示為脈沖式充電方式曲線圖，通過對開關管的循環(huán)開通控制，控制充電過程中的關斷。蓄電池的接受率有限，如果一直對蓄電池充電，蓄電池的內(nèi)部離子沒有充足的時間反應，那么即使充電一

22、直繼續(xù)，電池充電不會達到飽和。但是如果我們通過控制開關管，使它在充電過程中斷開一定的時間，然后再開通，那么就可以讓蓄電池的中的內(nèi)部離子有一個擴散的階段，也可以更好的使電池充電，離子的擴散時間有了，充電池的充電量便有了一個更大的提升，蓄電量提升，同時更快的充電，也使得充電效果更顯著。 圖1-1 脈沖式充電技術(shù)（2） 變電流間歇式充電變電流間歇式充電技術(shù)充電曲線如圖1-2所示，在充電前期對電池輸入大電流，使得電池獲得絕大部分的充電電能，但同時，電池中的內(nèi)部離子需要一定時間階段來充分反應，所以在充電中期進行關斷，在充電后期，對電池輸入電流較小的電流，使得電池充電達到完全飽和狀態(tài) 。圖1-2 變電流間

23、歇式充電技術(shù)（3） 變電壓間歇式充電變電壓間歇式充電與變電流間歇式充電有著很多相似的地方，只是將電池處于間歇式的充電階段有變電流變成了變電壓，變電壓間歇式充電電壓曲線圖如圖1-3所示。觀察變電壓間歇式充電圖，我們不難看出，隨著充電時間的增加，電流呈函數(shù)式遞減，同時這種過程，也更加吻合電充充電本身的最佳效果，更加的提高了充電的效率，同時，對于設備控制電壓比控制電流更容易，所以，這種方式更適用于生產(chǎn)實際。圖1-3 變電壓間歇式充電技術(shù)1.4課題研究主要內(nèi)容本次課題中，重點研究的問題是如何快速穩(wěn)定的設計一個電動汽車充電柱模型，在利用所學的知識，建立主電路的拓撲結(jié)構(gòu)，同時對電路部分各個參數(shù)進行設計研究

24、，建立起仿真模型。利用仿真軟件對建立的電動汽車充電模型進行仿真并進行實驗研究。重點研究問題：（1） 研究當前電動汽車充電模式，并對各種充電方式進行比較探究（2） 在各種拓撲結(jié)構(gòu)的對比中，尤其以全橋拓撲優(yōu)異，它可以提供大功率的電流電壓，同時電路的四開關管可以實現(xiàn)對電路電流電壓的控制，所以移相全橋ZVS結(jié)構(gòu)十分合適，并且考慮到了由整流橋帶來的震蕩問題與副邊占空比丟失等問題，研究了相當多的使拓撲結(jié)構(gòu)更完善的策略。（3） 對于副邊占空比丟失的問題，并在解決占空比丟失問題上，設計了額外的電路部分。（4） 選擇了TMS320F28335芯片作為控制電路的核心芯片，并以此為基礎，進行了控制電路的硬件電路設計

25、和調(diào)試，其中設計了檢測、保護和驅(qū)動電路。（5） 設計完成了電動汽車充電柱軟件設計，產(chǎn)生了PWM波形，兩組PWM波分別對移相全橋ZVS電路的四個橋臂進行控制，對輸出電流、電壓進行控制。（6） 最后，我們將整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用MATLAB進行模擬仿真，分析并驗證試驗結(jié)果，結(jié)果充分表明系統(tǒng)電路是可靠的，是可以實現(xiàn)電動汽車充電，至此，完成了本課題的要求。2 電動汽車充電柱方案研究2.1 電動汽車充電柱拓撲結(jié)構(gòu)選擇直流轉(zhuǎn)直流即DC/DC技術(shù)，是電動汽車充電中不可或缺的部分，電網(wǎng)中的交流電，經(jīng)過一次濾波，變成低頻直流，我們需要將低頻直流經(jīng)過高頻變壓器再通過二次整流，輸出平滑的直流信號。這種變換器是必須的，一般有

26、帶電氣隔離或者不帶電氣隔離的。帶隔離的直流變壓器很多，如下表所示。表2-1帶隔離的直流變換器 拓撲比較部分單端反激式變換器單端正激式變換器全橋式變換器半橋式變換器推挽式變換器適合功率（w）<150<150不限<1000<1000開關管數(shù)量11422控制復雜度容易容易復雜較容易較容易我們在給電動汽車充電是用直流電源充電器，同時從人身安全考慮來看，我們需要選擇的系統(tǒng)主拓撲結(jié)構(gòu)一定是帶隔離的直流變換器，所以我們對隔離直流變換器的工作原理作出相應的介紹。（1） 單端反激式變換器（Flyback Converter）如圖2-1所示，為單端反激式變換器，圖中NP,NS為原副邊電壓繞

27、組，當VT導通時，續(xù)流二極管VD截止，電源不直接向負載傳送能量，由變壓器儲能；當VT斷開時，變壓器線圈不再接受能量，需要泄放的能量經(jīng)過電容電阻，傳遞給負載，能量通過這種方式轉(zhuǎn)換的稱作單端反激式變換器。 圖2-1 單端反激式變換器（2） 單端正激式變換器（Forward Converter）由圖2-2不難看出，晶體管VT與電感串聯(lián)，二極管VD2與電容C并聯(lián)，當VT導通時，電流經(jīng)過晶體管VT，二極管VD3，傳遞到變壓線圈，這個時候VD1有電流通過；當VT斷開時，沒有電流通過。和單端反激式變換器相比，正激式變換器是在晶體管VT導通時候能量從變壓器傳到了負載，并且變壓器只能單方向變換磁通量，所以，這種

28、單方面變換磁通量方向的變換器被稱之為單端正激式變換器。圖2-2 單端正激式變換器（3） 推挽式變換器（Push-pull converter）如圖2-3所示，變壓器原邊繞組N1=N2，副邊繞組N2=N4。圖2-3 推挽式變換器當VT1導通，電流經(jīng)過晶體管VT1繞組N1，N3，通過變壓器傳遞到副邊電路，二極管VD1有電流通過，此時，電流經(jīng)過電感L。;當晶體管VT1斷開時候，VT2此時未導通，原邊繞組沒有電流，電感L通過副邊二極管VT1、VT2，將儲存的能力釋放出來；VT2導通時候，與VT1有著相同的工作狀態(tài)，這里就不再贅述了。（4） 半橋式變換器（Half-Bridge Converter To

29、pology）如圖2-4半橋式變換器，半橋變換中原邊電路中有兩個開關管，Q1=Q2，電容C1=C2，二極管阻值VD1=VD2，在變壓器的原邊副邊匝數(shù)比N2：N3=1:1，上文中的正激變換器的負載輸出波形為全波，但是由于半橋變換器有倆負載，所以它的輸出波形只有正激的一半，波形一半的情況下，半橋的輸出頻率就比正激高出了一倍，所以負載電路中的Cf和R0要比正激電路中小很多，所以整個電路的成本與正激變換相比也相對便宜很多，同時有著更高的輸出頻率。 圖2-4 半橋式變換器（5） 全橋式變換器如圖2-5所示，為全橋式變換器，全橋與半橋在功率上相差一倍；也就是說，如果半橋和全橋開關電流一樣，給出相等的輸入電

30、壓，全橋的輸出功率將是半橋的一倍。所以我們可以得出，半橋電路適用于小功率的逆變電路，全橋電路適用于大功率電路，對于電動汽車而言，我們明顯需要的是全橋電路。而且，由于電路的輸入電壓和電流的不同，在設計變壓器時，會存在較大的區(qū)別，全橋式電路變壓器原邊線徑要相對細一點，半橋式電路的原邊線圈匝數(shù)則要相對少一點。跟大多的拓撲電路想比較，半橋式和全橋由于存在多個開關管和諧振電感，解決了由于能量過多而不能泄放的困擾，負載電路會直接吸收多余的存在與電感中的能量。所以就有著相對較高的效率。圖2-5 全橋式變換器通過分析上述幾種拓撲結(jié)構(gòu)，我們可以得出關于各個拓撲結(jié)構(gòu)的性能比較表。如表2-1所示。表2-1 拓撲結(jié)構(gòu)

31、性能表拓撲結(jié)構(gòu)缺點優(yōu)點適用范圍單端正激式不能適應大功率的電路環(huán)境，工作狀態(tài)下很容易出現(xiàn)飽和情況，大大減少了對于變壓器的利用結(jié)構(gòu)不復雜、適合各種復雜電路環(huán)境，不會產(chǎn)生倆橋臂開關管直通和單向偏磁現(xiàn)象，經(jīng)濟花費低中小功率場合雙單端正激式對變壓器的要求數(shù)量較多，對變壓器的利用率較低，同時占用體力較大結(jié)構(gòu)不是很復雜、易于調(diào)整、且性能穩(wěn)定，不會產(chǎn)生倆橋臂開關管直通和單向偏磁現(xiàn)象，大功率場合半橋式通過開關管的電流時全橋電路的兩倍，沒有避免直通短路、變壓器直流偏磁的危險經(jīng)濟成本較低、體積較小，半橋電路有著很強的抗不平衡能力中小功率場合全橋式經(jīng)濟成本交大、有著變壓器直流偏磁、直通短路等風險主電路結(jié)構(gòu)不是很復雜，

32、變壓器工作狀態(tài)好，可以在磁滯曲線兩側(cè)工作，同時體積較小，可以提供交大的功率大功率場合在電路中出現(xiàn)變壓器功率開關管額定 電壓和電壓相同時，電路輸出功率大小與開關管數(shù)量成正比，由于全橋式電路含有四個功率開關管，所以全橋電路的輸出功率最大。四個管子所承受的電壓為電路原邊電壓，流進開關管的電流是平均輸入電流的大小，因此全橋電路十分適合電動汽車充電柱的這種大功率充電。所以，采用全橋式變換器作為電動汽車充電柱的拓撲結(jié)構(gòu)十分合適。同時，在全橋變換器中，為了提高對電源的利用率，同時降低電路本身的損耗，近年來，對于全橋軟開關技術(shù)有了很多的研究。軟開關技術(shù)是醫(yī)用在開關管開通之前是的開關管兩端電壓降低至零，或者將兩

33、端電流降低至零的一種技術(shù)，通過降低電壓或者電流，這樣不會出現(xiàn)電流電壓彼此重合在一起，這對于電路是一種大大的不穩(wěn)定，同時，實現(xiàn)零電壓開關，也是對于電路能量的利用，提高了電路對于各個元器件功能的利用，大大的提高了電路的能量利用。 2.2 電動汽車充電柱方案選擇 由前文可以了解到，在設計電動汽車充電柱的過程中，對于這次設計有了更明確的要求，首先，電動汽車充電要滿足功率大、效率高、電氣隔離，其次輸出可控、安全可靠。由于電動汽車使用的電源為220v交流電源，所以在充電過程中，電流較大，所以必須在電源與電動汽車之間加上隔離器，全橋ZVS軟開關拓撲結(jié)構(gòu)自帶隔離變壓器，可以起到保護作用，便達到了安全目的；同時

34、，由于充電的大功率，單端正激式、反激式、推挽式等都由于適合功率較小的場合，所以全橋變換更適合這次方案的設計；同時，由于對汽車充電頻繁帶來的充電器件的損耗，必須考慮在內(nèi)，移相全橋ZVS電路本身就具有減少了開關損耗等問題，所以也更加適合本次方案選擇。由圖2-6我們可以更清楚的了解設計方案。圖2-6 電動汽車充電柱設計思路2.3 本章小結(jié)本章介紹了電動汽車充電電路中的幾種常見的拓撲結(jié)構(gòu)，同時，按照對于電動汽車充電柱的要求，選擇出了全橋移相ZVS拓撲結(jié)構(gòu)，并對接下來的工作有了明確的分步。3 移相全橋ZVS變換器的工作原理及相關問題3.1 移相全橋ZVS變換器的基本工作原理如圖所示，我們給出了全橋變換器

35、的拓撲結(jié)構(gòu)。其中Q1，Q2，Q3，Q4位電路的晶體開關管，C1，C2，C3，C4位電容，其中C1=C2，C3=C4，D1，D2，D3，D4為二極管，可以看到電路中的電感電容，電路輸出電流電壓的大小收到了四個橋臂的影響，前兩個橋臂組成超前橋臂，后兩個橋臂組成了滯后橋臂，電路產(chǎn)生的PWM波信號傳遞到橋臂中，通過控制倆橋臂相位角，可以起到控制輸出電流電壓的作用。與第二章中的全橋電路相比，每個開關管都并聯(lián)了一個諧振電容，在變壓器與Q1,Q3中間串聯(lián)了一個諧振電感Lr和一個諧振電容Cb，在開關管斷開時刻由于諧振電容Cb的存在，開關管兩端的電壓可以從零開始慢慢上升，這樣就可以避免開關的直接斷開與閉合，實現(xiàn)

36、軟開關，這樣電路中多余的能量，不用通過泄放電阻，反而直接利用電路中的能量起到了對于電路的開關作用，這里多余的能量是指存在于電感Lr中的多余能量，這種工作方式，既減少了開關的開關次數(shù)，也有效的利用了電路中能量，大大提高了對于電路的利用率，整體上提高了系統(tǒng)的效率。 圖3-1 移相全橋ZVS拓撲結(jié)構(gòu)3.2 移相全橋ZVS變換器的工作過程在一個開關周期中，移相全橋ZVS變換器有12中開關模式，所以這里只對他半個周期的六個工作模式進行分析。電路中不存在理想元件，但是我們在這里考慮變換器的工作過程，把它當做理想狀態(tài)。我們這里假定Lf，K是變壓器的原副線圈匝數(shù)比。為了對移相全橋ZVS變壓器工作工程有一個更好

37、的理解，給出了一個周期的電壓、電流波形圖，如圖3-2所示。圖3-2 一個周期內(nèi)的ZVS變換器的電流、電壓波形初始時刻：從圖3-2中我們可以看到，電流經(jīng)過Q1，Q2，電流經(jīng)過變壓器被放大。副邊電路中有電流通過。（1） 第一階段, ,此時，Q1斷開，Q4導通。Q1關斷后，電感Lr與Lf的阻值加起來很大，可以認為原邊電流幾乎不變，電壓逐漸呈線性上升，此時處于斷開狀態(tài)。等到時候，C2的電壓慢慢下降到零，D5和D8導通，輸出電壓呈線性下降。 （2） 第二階段，此時Q4導通，當t= 時候，Q4關斷。（3） 第三階段，此時Q2導通，Q4關斷，A點電壓為零，因為濾波電感電流只能緩慢上升或下降，所以此時副邊的四

38、個二極管都處于導通狀態(tài)，=0。（4） 第四階段，此時Q3導通，在時刻，原邊電流將能量反饋給電源Vdc，所以副邊電路的所有二極管都處于導通狀態(tài)，輸出電壓仍然為零。（5） 第五階段，此時Q2，Q3處于導通狀態(tài)，與第四階段相同，副邊電路所有的二極管都處于導通狀態(tài)，輸出電壓為零。（6） 第六階段，此時Q2，Q3導通，當t=時，Q2斷開。所以C1開始放點，C2處于充電狀態(tài)，導致Q2斷開，實現(xiàn)了Q2的軟關斷。下半個周期類似。 3.3 移相全橋ZVS變換器相關問題的分析由2.2可以知道，移相全橋ZVS變換器性能優(yōu)良，兩個橋臂的開關在理想條件下可以實現(xiàn)零電壓軟開關控制開斷，而且由于軟開關的實現(xiàn)，減少了對于開關

39、開斷的損耗，效率變高，這與當今社會科技發(fā)展要求的更快，更小，更簡便相吻合，但是，不可否認的，在研究移相全橋ZVS過程中，發(fā)現(xiàn)了一系列問題，這其中包括開關管ZVS的實現(xiàn)條件，整流橋二極管反向恢復的產(chǎn)生震蕩以及開關管的諧振緩沖等。下面將具體帶來介紹及解決方法。3.3.1 零電壓開通實現(xiàn)有前面分析ZVS變換器工作過程我們可以得到，為了實現(xiàn)ZVS零電壓開通，需要有足夠能能量用來：1、 給同一個橋臂要關斷的開關管的結(jié)電容或者是外加電容進行充電；2、 結(jié)電容上的電荷會影響開關管的性能，所以必須減少結(jié)電容上的電荷；3、 寄生電容會影響變壓器的性能，所以必須減少電荷。當電路負載較小時，原邊電流較小，使得諧振電

40、感上不能儲存太多的能量，在實現(xiàn)零電壓開通上面存在一定的難度，由于電路負載較小時，消耗能量較少，所以，只需要適當加大負載便可以實現(xiàn)零電壓開通。3.3.2 副邊占空比的丟失參考文獻【1】知道，由于諧振電感的存在，原邊電流從負值到正值需要一定的時間，在這段時間內(nèi)，雖然原邊存在或負或正的電壓方波，但是由于負載電量大于原邊電流，導致，副邊電路的所有二極管處于導通狀態(tài)，因此導致了部分方波電壓的丟失。副邊占空比丟失可以由公式3-1表示： -2nLrVDC1T-1- （3-1）其中是副邊輸出電感電流；n是高頻電壓器原副線圈匝數(shù)比；是輸出濾波電感； 是該電路的輸入電壓； 是輸出電壓；是諧振電感。有公式我們可以得

41、出當越小、負載越小、輸入電壓越大時，副邊占空比丟失情況將會減少，這跟我們之前說的適當增加負載可以提高ZVS變換器效率的結(jié)論是矛盾的。為了解決兩者的問題，可以將諧振電感用飽和電感來替代或者滯后橋臂增加輔助電路實現(xiàn)ZVS。 （1） 將諧振電感用飽和電感來替換如圖3-1所示，。把原來的變換器中的諧振電感換成了飽和電感，本來電流大小很低的時候，電感值很大，這時候的電路相當于開路，當我們用飽和電感來代替的時候，原邊繞組的電流就很小了，從而降低了電路的副邊占空比。只是這時候電路的消耗可能過大，對電路損耗較大。（2） 滯后橋臂增加輔助電路來實現(xiàn)ZVS圖3-3 滯后橋臂增加輔助電路和圖3-1相比對，原來電路中

42、沒有的諧振電感Lk被夾在了開關管Q2與Q4之間，我們這么做的目的是為了利用好諧振電路的作用，多添加的諧振電感Lk可以讓Q4的開關管得到零電壓開關的功能。當我們把輸入電壓和負載的大小在任意范圍內(nèi)都可以使用的時候，C1、C2、C3、C4的充放電時間被大大減小了，這樣我們可以大大的使橋臂滯后，從而減小了占空比。3.3.3 副邊整流二極管振蕩就我們目前所了解的，在抑制副邊整流二極管電壓振蕩的結(jié)對方案中，有以下一種方案：（1） 副邊添加RC緩沖電路（2） 副邊添加RCD緩沖電路（3） 副邊并聯(lián)主動箝位緩沖電路（4） 原邊添加箝位二極管緩沖電路在參照文獻【2】我們可以知道，目前而言大多數(shù)采用的都是方案（4

43、），所以我們在這里對方案（4）作出具體的解釋。圖3-4 原邊添加箝位二極管緩沖電路由圖可以看出，當電流源Vs沒有提供電源時，原邊電路中存在閉合環(huán)路，所以電流會從Vs到開關管D2經(jīng)過諧振電感Lr最后通過二極管DR1，此時電感l(wèi)r中的能量并沒有通過電壓器傳遞到原邊電路添加的電路中，減少了電流對于電路的影響，將能量合適的泄放，從而抑制了副邊整流橋臂電壓振蕩尖峰。3.4 本章小結(jié)在本章中，我們具體的對電動汽車充電柱所選用的拓撲結(jié)構(gòu)即移相全橋ZVS變換器進行了具體的分析，了解了ZVS變換器的工作原理，它在工作過程中所產(chǎn)生的一些問題，并對工作過程中產(chǎn)生的問題有了具體的解決方案，這對于我們理解并做好電動汽車

44、充電柱有很大的幫助。4 變換器參數(shù)設計由前三章我們對電動汽車充電柱組成有了具體的了解，本章將對具體的電路主拓撲結(jié)構(gòu)移相全橋ZVS變換器具體參數(shù)給出設計。由前文我們可以了解到，主電路拓撲結(jié)構(gòu)電路中由一次濾波后的直流電源，對電路起到開關作用的晶體開關管，釋放電路能量起到抑制副邊整流二極管振蕩電壓的諧振電感，對一次濾波后的直流電壓進行降壓的主電路變壓器，以及其他控制電路。下面對各個部分參數(shù)設計進行一一介紹。4.1 主電路高頻變壓器設計變壓器是整個電路的核心，這部分電路功能便是通過變壓器實現(xiàn)功率降低的做作用，所以變壓器的選擇和設計十分重要。我們知道電網(wǎng)中的高頻電壓經(jīng)過一次整流濾波成直流電壓，我們在移相

45、全橋變換器中，將直流電壓通過橋路變成交流電壓，通過高頻變壓器變換成高頻交流。交流電壓輸入值在Vmin Vmax，交流電網(wǎng)頻率為50HZ，所以輸入點電流大小Vmin Vmax=380±10%=340420v。有效值在V有效*=480.76593.88V。交流電壓通過整流橋變成直流電壓VPP =V有效*90%=430v593.88v。其中變壓器匝數(shù)比K=原邊匝數(shù)：副邊匝數(shù)=N1：N2,變壓器增益=K*D，D為移相全橋ZVS變換器電路占空比，電路變換中，對于整流二極管經(jīng)過電流要求很高，為了降低通過的電流，提高電路效率，我們盡可能的使K值變的小一點，K值變小，可以降低通過整流二極管的電壓，減

46、小了電路損耗，考慮到占空比丟失，我們假設D的取值最大是0.85.我們假設二極管VD的導通壓降為1.5v，Lr的壓降為2v。那么我們便可以得到副邊輸出電壓最小值V2，V2= =265v （4-1）所以原副線圈匝數(shù)比K=V1/V2=380/265=0.69 (4-2)我們需要的功率在10kw左右,表4-1為市面上磁芯規(guī)格和功率大小。4-1 鐵芯規(guī)格及功率大小產(chǎn)品規(guī)格鐵芯尺寸(mm)護和尺寸（mm）截面積(cm2)磁路長度（cm）質(zhì)量（g）適用功率（kw）通用電流（A）ODRDHTODRDHTJSONL-1206030120603012557356.7528.27138415315JSONL-120

47、7025120702512567304.6929.85101412200/250JSONL-1207030130703012567355.6329.85121715315/400JSONL-1308040130804013676457.532.99179325400/500JSONL-1308050130805013676559.3832.9922.4230500/630綜合多方面，選擇了功率在12kw，電流大小在200A250A的JSONL-120*70*25的磁芯。所以根據(jù)以上我們可以得出原邊匝數(shù)N1N1=Vimin×DpmaxKffsBwAe=17.2（4-3）我們這里對N1取

48、整數(shù)，所以N1=18。根據(jù)公式（4-2），我們可以得到副邊匝數(shù)N2=26.1。我們對副邊匝數(shù)取整，得到副邊匝數(shù)N2=27。我們假設變壓器原邊工作功率在10KW，所以原邊電流I1max，I1max=PU=23.3A （4-4）副邊電流I2max，I2max=PU=37.7A（4-5）我們假定流經(jīng)副極線圈的電流密度J=3Amm2，那么我們可以得到原副線圈的電流截面積時20 mm2和13 mm2。考慮到電流相互之間的干擾，我們可以多股繞制。其中導線線徑L要保持在一定的范圍之內(nèi)。其中L<2 =2 (4-6)根據(jù)查表，我們知道=4pi*10-7H/m，（銅導率）=58*106/*m，我們設定開關頻

49、率f在20KHZ，所以得到，=0.434mm，2=0.868。所以導線的線徑L在0.868范圍之內(nèi)。所以取原邊線圈漆包線內(nèi)直徑0.80mm，外直徑0.9mm，導線截面積在0.55 mm2，原邊線圈漆包線數(shù)量37.7/3/0.55=22.8,取整得到17。副邊線圈漆包線內(nèi)直徑0.70mm，外直徑0.8mm，導線截面積在0.45 mm2，原邊線圈漆包線數(shù)量23.3/3/0.45=16.5,取整得到17。4.2 開關管的選擇（1）IGBT開關管選擇開關管的關斷一定要保證即使通過的電流電壓很大，也可以保證關斷，這也就要求了開關管的耐壓值要比起額定電壓要大，由4.1我們可以了解到流經(jīng)原邊電路的直流電壓大

50、小最大值是593.88v，這也就要求了開關管的最低承受電壓不得小于1187.76。我們?nèi)≈瞪源笠稽c，這樣就可以在特殊情況滿足要求，我們?nèi)∽钚≈挡坏玫陀?300v。其次，由4.1我們可以知道流經(jīng)原副線圈的電流大小為23.3A和37.7A所以，設定IGBT管最小電流值不得低于180A。通過查找IGBT管的相關廠商，我們選擇了西門康IGBT模塊，型號為SKM300GAR123D/300A/1200V/2U作為移相全橋ZVS變換器的晶體管。它的最大電流通過考驗達到300A，限制電壓有1200V，符合我們對于IGBT管的要求。（2）副邊整流二極管的選擇選取副邊二極管上要求二極管在電路工作工程中，可以承受

51、最大的反向電壓。我們可以由4.1計算出整流二極管的反向電壓為265V*1.5=397.5V。在二極管工作時候，由于電壓關斷的不穩(wěn)定，在電路中會產(chǎn)生電壓振蕩，這當介入RC振蕩環(huán)節(jié)時候，我們可以不考慮這種振蕩，但是，如果RC環(huán)節(jié)沒有，就需要考慮，我們這里假定沒有RC環(huán)節(jié)，那么我們設定的耐壓值就要大于397.5V,這里我們?nèi)杀兜哪蛪褐?，所以大小?95V。副邊輸出電流大小由式（4-5）可以得I=37.7A，所以二極管承受得電流大小為37.7A*2=75.4A,電源開關頻率在20KHZ，二次側(cè)頻率40HHZ。在查找相關廠商的二極管供貨上面，我選取了APT公司的APT60D60B型快恢復二極管作為副邊

52、整流二極管，它可以承受的最大電壓值為600V，最大承受電流值為60A，符合要求。4.3 電感和電容的選擇4.3.1 輸出濾波電感和電容參數(shù)的設計在直流變換中，不同的輸出濾波電感值會產(chǎn)生不同大小的濾波電感電流波紋，不同的電容同樣會產(chǎn)生不同大小的輸出電壓。所以，我們在設計濾波電感和電容大小的時候，需要根據(jù)需要的輸出電壓和電流大小來確定我們所需要的濾波電容和電感的大小。當選擇不恰當?shù)碾姼泻碗娙荩瑫е螺敵鲭妷汉艽蠡蛘吆苄?。極大的影響了電路的功能。（1）濾波電容的設計濾波電容在電路中起到的作用便是將負載的能量吸收或者釋放。用UC表示輸出電容的波紋大小。 UC=I0CTS2 (4-7)其中，I0表示負載

53、電流的大小。有公式可以看出電容和電流影響了波形大小。根據(jù)設計要求，代入數(shù)值，輸出電壓波紋不大于100mv，我們可以得出濾波電容C。C=I0UCTS2=6250F （4-8）所以我們可以把13個470F 450V的電解電容并聯(lián)起來，電容大小為6500F。（2）濾波電感的設計在設計過程中我們已經(jīng)知道輸出電壓VPP，假設輸出電壓大小不變，那么我們可以得到關于濾波電感電流波形的表達式： IL=VPP-VPPDLDTS2 (4-9)VPP是電感輸出電壓方波最大值；D是占空比。當VPP=593.88,得出L=1.34mH。當L大小為1.5時，LC濾波器截止頻率大小為46.3HZ。4.4 諧振電感和電容的設

54、計(1)超前橋臂諧振電容的參數(shù)設計由前文我們可以了解到，當超前臂開關工作時候，諧振電感會吸收與釋放能量，輸出濾波電感也會吸收和釋放能量，兩者之間，能量會發(fā)生傳遞，起到傳輸電路能量的作用。我們知道，超前橋臂存在死去時間，我們這里設定它為TDead，TDead=1.2s，要想實現(xiàn)電路的關斷，必須保證前橋臂的電流在大于變壓器的原邊電流的10%，也就要求IP>6A。在超前橋臂工作工程中，原邊電流不發(fā)生改變。所以，我們可以得到公式： TDead>VPP(C1+C2)IP (4-10)由公式我們可以得到超前橋臂電容 CLead=C1+C22<5.90nF （4-11）C1=C2，所以我們

55、去電容大小為5.9nF。（2）滯后橋臂諧振電容和諧振電感的參數(shù)設計 與超前橋臂電容設計相同，得出CLag=C3+C42<5.90nF (4-12)C3=C4，大小為4.9nF。所以我們可以得到關于串聯(lián)后的諧振電感的大小 Lr2Clag×Vpp2IP2=99.5h （4-13）為了使電路更加穩(wěn)定，我們適當?shù)脑龃笾C振電感的大小，取值為120h。4.5 本章小結(jié)在本章中，重點的給出了移相全橋ZVS變換器每部分電路所需要的元器件及元器件參數(shù)，同時，在計算各元器件參數(shù)時，對電路有了一個更好的理解。在設計參數(shù)時，盡量選取較大一點的以符合電路需求.5 電動汽車充電柱電源系統(tǒng)設計第四章介紹了電動汽車充電柱主電路的結(jié)構(gòu)，但是要想實現(xiàn)對電動汽車的充電功能的實現(xiàn)，我們必須對充電系統(tǒng)有個好的控制，以前的控制策略大多是