【正文】 能相比擬那些以石油等燃料為能源的汽車，落后的較遠(yuǎn)，所以消費(fèi)大眾們更愿意選擇傳統(tǒng)燃料汽車作為他們的代步工具。當(dāng)前想要大規(guī)模地生產(chǎn)銷售電動(dòng)汽車還不具有那樣的發(fā)展條件，甚至未來(lái)幾年或者幾十年都存在著一些不確定因素，必須要進(jìn)一步地研 究新型技術(shù)才能使其變?yōu)槠毡榈慕煌üぞ?。即使現(xiàn)實(shí)比較殘酷，但是當(dāng)前社會(huì)各界人士都很期待著電動(dòng)汽車的深層發(fā)展，其中政府也在諸多領(lǐng)域推行演示電動(dòng)汽車所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，起到了一個(gè)領(lǐng)頭羊的作用。這極大地刺激著一批優(yōu)秀人才努力鉆研電動(dòng)汽車新技術(shù)的熱情，而與電動(dòng)汽車直接掛鉤的電動(dòng)汽車快速充電器的研究更是息息相關(guān)，也是急需投入大量資金技術(shù)來(lái)生存發(fā)展。 但是，從近年來(lái)歐洲國(guó)家在電動(dòng)汽車及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)投入的資金以及關(guān)注度來(lái)看，我國(guó)在這方面尚還有不足。對(duì)此，電動(dòng)汽車及其快速充電器的研究已經(jīng)是亟不可待了。 電動(dòng)汽車 72V/2022W 快速充電器設(shè)計(jì) 2 主要設(shè)計(jì)任務(wù)與預(yù)期 成果 1)內(nèi)容： (1) 收集資料，比較各種變換器，說(shuō)明變換器的優(yōu)點(diǎn)，確定課題方案； (2) 設(shè)計(jì)原理電路的總體； (3) 設(shè)計(jì) PCB 線路板圖； 2)原始數(shù)據(jù)： (1) 輸入電壓和頻率：交流 180V264V, 5060HZ ； (2) 額定輸出電壓和電流：直流 72V,直流 28A ； (3) 額定輸出功率： P=2022W； (4) 開關(guān)頻率 : 66KHZ 。 3)技術(shù)要求： (1) 輸入電壓和頻率見表 11 表 11 輸入電壓和頻率的要求 (2)負(fù)載要求見表 12 表 12 負(fù)載的要求 (3) 工作效率 輸出效率： η ≥ 80% 。 4)預(yù)期成果 ： (1) 設(shè)計(jì) 72V/ 2022W 電動(dòng)汽車快速 充電器原理圖； (2) 設(shè)計(jì) 72V/ 2022W 電動(dòng)汽車快速充電器 PCB 線路板圖； (3) 所設(shè)計(jì)的圖紙的圖形符號(hào)和文字符號(hào)應(yīng)符合有關(guān)電氣制圖國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)。 2 方案設(shè)計(jì)與論證 方案一：基于高頻逆變橋的電動(dòng)汽車快速充電器設(shè)計(jì) 這個(gè)電動(dòng)汽車快速充電器的設(shè)計(jì)通過(guò)高頻開關(guān)電路來(lái)使充電器的重量和體積上面得到相應(yīng)的減少，避免了一般模式下取決于濾波電容、濾波電感和變壓器規(guī)格的大小來(lái)決定的情況，操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單。該設(shè)計(jì)中整流電路將工頻交流經(jīng)過(guò)整流電路整變?yōu)橹绷?，然后由高頻逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流，再通 過(guò)變壓器傳送輸入單元 最小值 正常值 最大值 輸入電壓 180VAC 220/230VAC 264VAC 輸入頻率 47Hz 50Hz/60Hz 63Hz 輸出單元 最小值 正常值 最大值 空載輸出電壓 5%， 72VDC +10%， 帶載 28A輸出電壓 5%， 72VDC +5%， 輸出紋波 300mVpp 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（ 2022) 3 到高頻整流電路，變?yōu)槊}動(dòng)直流后經(jīng)過(guò)濾波器輸出我們所需要的直流，如圖 21基于高頻逆變橋的電動(dòng)汽車快速充電器原理框圖所示： 整 流 電 路 高 頻 逆 變變 壓 器高 頻 整 流濾 波 器工 頻交 流直 流直 流高 頻交 流高 頻交 流脈 動(dòng)直 流控 制 保 護(hù) 電路 圖 21 基于高頻逆變橋的電動(dòng)汽車快速充電器原理框圖（方案一） 方案二：基于全橋變換電路的電動(dòng)汽車快速充電器設(shè)計(jì) 三 相 整 流 濾 波電 路Z V Z C S P W M 全橋 變 換 器輸 出 保 護(hù) 電 路輸 入 過(guò) 壓 、 欠 壓 保 護(hù)電 路原 邊 電 流 反 饋 及 過(guò) 流保 護(hù) 電 路隔 離 驅(qū) 動(dòng) 電 路輸 出 電 壓 及 電 流 反 饋電 路S G 3 5 2 5輸 出 過(guò) 壓 、過(guò) 流 及 短 路保 護(hù) 電 路過(guò) 溫 保 護(hù) 電路交 流3 8 0 V直 流7 2 V 圖 22 基于全橋變換電路的電動(dòng)汽車快速充電器原理框圖（方案二） 這次設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車快速充電器的功率較大，而全橋變換電路擁有的輸出功率范圍較廣， 最大程度上能夠達(dá)到幾十大千瓦， SG3525 集成芯片通過(guò)對(duì)電路中的開關(guān)管的操作和控制以此來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的電池充電所希望得到的電流和電電動(dòng)汽車 72V/2022W 快速充電器設(shè)計(jì) 4 壓，并且全橋變換電路中電動(dòng)汽車充電器的充電變壓器大多都是類似的，這是因?yàn)槠渥儔浩髦械蔫F芯基本上都會(huì)雙向磁化的，由此我們可以減少資源的浪費(fèi)，提高鐵芯的利用率，可以重復(fù)使用。三相整流濾波電路、 ZVZCS PWM 全橋變換器、隔離驅(qū)動(dòng)電路、 SG3525 集成芯片以及輸出電壓電流反饋電路等相關(guān)模塊構(gòu)成了這個(gè)電路體系，詳細(xì)如圖 22 基于全橋變換電路的充電器原理框圖所示。 方案三：基于單 端反激式 的電動(dòng)汽車快速 充電器設(shè)計(jì) 以 UC3842 芯片為主的單端反激式電動(dòng)汽車快速充電器的原理圖如圖 23 所示。啟動(dòng)電路、整流電路、反饋電路以及過(guò)流過(guò)壓欠壓保護(hù)電路構(gòu)成了主要的功能模塊。對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)（ PWM）在迅猛發(fā)展的電力電子行業(yè)中，憑借著其電流型模式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用在控制電路中的功能被同行業(yè)界迅速認(rèn)可。電壓、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)中的一個(gè)重要分支那便就是電流型模式的 PWM 控制系統(tǒng)，精度高并且電壓穩(wěn)定，既可以實(shí)時(shí)監(jiān)控開關(guān)管的內(nèi)部電流，又可以控制電壓外環(huán)，因此它的應(yīng)用是相當(dāng)?shù)钠毡椤? 輸 入 整 流 濾波 電 路鉗 位 保 護(hù) 電路主 變 換 器輸 出 整流 濾 波電 路iU oU控 制 電 路U C 3 8 4 2反 饋 電 路 （ 光 耦 + 穩(wěn) 壓 器 ）主 變 換 電 路 圖 23 以 UC3842 芯片為主的單端反激式電動(dòng)汽車快速充電器原理框圖（方案三） 方案的論證與選擇 方案一所選高頻逆變橋?yàn)楹诵牡某潆娖鞯脑O(shè)計(jì)雖然提供恒壓、恒流及恒壓恒流自動(dòng)轉(zhuǎn)換等三種工作方式，但是它的使用壽命相對(duì)較低。對(duì)于電動(dòng)汽車快速充電器而言，不是最佳選擇。 方案二基于全橋變換電路的充電器雖然輸出功率范圍的上限可以達(dá)到幾十千瓦，但是在開關(guān)管的開關(guān)過(guò)程中，電壓和電流的交疊區(qū)會(huì)產(chǎn)生較大的損耗，相比較而言反激式的充電電路就起到了節(jié)約能源的作用。 方案三的單端反激式電路相對(duì) 于其他兩個(gè)方案來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小。再加上 PWM 技術(shù)的迅速發(fā)展，更進(jìn)一步的加強(qiáng)了該電路的穩(wěn)定性。綜上所述，我更偏向使用方案三。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（ 2022) 5 a. 采取 UC3842 集成芯片。 UC3842 集成芯片就是屬于電流型模式的 PWM 控制器的那種類型，相對(duì)于過(guò)去的電壓型模式結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源控制電路來(lái)說(shuō)，輸出的系統(tǒng)是電流電壓雙閉環(huán)的系統(tǒng)，不僅能夠監(jiān)測(cè)電流的開關(guān)管連同著其中的一個(gè)內(nèi)環(huán)，并且還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控輸出的電壓大小情況，然而以前的電壓型模式一方面本身線性調(diào)節(jié)精度還是比較低的，再者緩慢的系統(tǒng)響應(yīng)也很是令人值得去商榷一下的。 b. 采用的 是單端反激式電路模塊。單端反激式原理圖如圖 24 所示，在 MOSFET功率管 Q1 正向?qū)ǖ那闆r下，電路中 T1 變壓器的一次側(cè)的繞組上擁有的電能將會(huì)有所提升，于是乎， T1 的二次側(cè)繞組由于整流二極管 VD 的反向偏置迫使它根本接受不到傳輸過(guò)來(lái)的能量。當(dāng) Q1 閉合的時(shí)候 T1 變壓器電路便會(huì)出現(xiàn)斷路的局面，最終導(dǎo)致繞組的磁性發(fā)生變化，從而變壓器 T1 二次側(cè)中的電流就會(huì)重新流進(jìn)了電容 C 中。從整個(gè)電路的情況來(lái)看的話，變壓器 T1 在該電路中發(fā)揮了儲(chǔ)蓄能量的作用。 Q1VDCT1V D 圖 24 反激式原理圖 c. 單端反激式電動(dòng)汽車快速充電器結(jié)構(gòu)框圖 如圖 25 所示。從下圖中可以大致了解整個(gè)內(nèi)部流程機(jī)制的走向，從交流輸入到輸出整流，再由反饋控制電路起到一個(gè)橋梁的作用，整體的效果結(jié)構(gòu)還是比較緊湊的。 圖 25 反激式電動(dòng)汽車快速充電器結(jié)構(gòu)框圖 C 電動(dòng)汽車 72V/2022W 快速充電器設(shè)計(jì) 6 3 單端反激式電動(dòng)汽車快速充電器主電路設(shè)計(jì) 從圖 25 中我們知道電動(dòng)汽車快速充電器的主電路由輸入保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流濾波器、光耦反饋電路以及控制電路所組成的。關(guān)于對(duì)應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)思路方法都會(huì)在下面的文字中一一詳細(xì)地介紹。至于電動(dòng)汽車 72V/2022W 快速充電器的設(shè)計(jì)整體原理圖詳見附錄 1。 輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì) 存在著系統(tǒng)就會(huì)有干擾信號(hào)的產(chǎn)生，而在這次設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)里面共模信號(hào)與差模信號(hào)的存在就是這干擾信號(hào)的來(lái)源，二者相形比較之下，差模干擾對(duì)于主電路的影響還算是比較輕微的，可以忽略不計(jì)，相反 的是，共模信號(hào)對(duì)整個(gè)電路的沖擊倒是不小，為此，我們需要找到一個(gè)合適的濾波器來(lái)使共模信號(hào)的干擾盡可能地最小化，而 EMI 濾波器正是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，把它加在原理電路圖的輸入與輸出之間接能夠達(dá)到我們所需的減輕共模信號(hào)干擾的目的。 而對(duì)于充電器噪聲的解決可以由電磁干擾濾波器來(lái)充當(dāng)這樣的裝置，電網(wǎng)發(fā)出的噪聲能夠很好地被它所降低，對(duì)于系統(tǒng)全面的穩(wěn)定性和安全性都能夠得到相應(yīng)的改進(jìn)，另外電子設(shè)備儀器的抗干擾能力會(huì)有進(jìn)一步地改善，構(gòu)成該裝置的元器件也相對(duì)簡(jiǎn)單，諸如電容、電感等一些常見的電子器件，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠而且易于 宣傳推廣，簡(jiǎn)單上手。 輸入濾波器設(shè)計(jì) A C 輸 入濾 波 輸 出接 地C x 10 . 1 u FL 18 m HC x 20 . 1 u FC y 12 2 0 0 p FC y 22 2 0 0 p F 圖 31 輸入的 EMI 濾波器的基本電路 輸入的 EMI 濾波器如圖 31 所示。其中， Cx1 與 Cx2 稱為差模電容。 L1 稱為共模電感。 Cy1 與 Cy2 稱為共模電容。 EMI 濾波器屬于一種雙向?yàn)V波器，其共模電感 L 又叫共模扼流圈，它是在同一個(gè)磁環(huán)的上下兩個(gè)半環(huán)上，都繞制了相同圈數(shù)但在環(huán)繞的方向上完全相反的線圈。因此能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)損耗的傳輸，其根本原因就是當(dāng)工頻電流 I 上流過(guò) L L2 的時(shí)候各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰巧方向相反大小相等，實(shí)現(xiàn)了相互抵消，而且這對(duì)于流過(guò)的工頻電流沒有什么影響。 假使共模電感上有分支電流從電流 I1 中流出來(lái)經(jīng)過(guò) L 的話，那么濾波器中上下兩個(gè)繞組的的磁場(chǎng)會(huì)鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（ 2022) 7 因?yàn)殡娏魍蚨蛊湓谕嗌匣ハ喁B加，這時(shí)總電感迅速增大產(chǎn)生很大的感抗，從而能夠消除共模干擾帶來(lái)的影響。電感量 L（ mH）與輸入的 EMI 濾波器的額定電流 I（ A）之間的關(guān)系如下表 31 所示： 表 31 電感量與額定電流的關(guān)系 額 定 電 流I(A) 1 2 3 4 5 電感量L(mH) 8～ 23 2～ 4 ～ ～ 0～ 輸入整流電路設(shè)計(jì) 圖 32 輸入的橋式整流電路 輸入的橋式整流電路如圖 32 所示， D D D D4 這四個(gè)二極管的連接方式在電路中構(gòu)成了一個(gè)電橋，也就是所謂的橋式整流電路，由于二極管的正向?qū)?、反向截止的特性，電流的方向?huì)隨著電壓的方向時(shí)不時(shí)地發(fā)生變化。交流輸入電壓的一個(gè)完整周期是有正半周期和負(fù)半周期一起組成的，在正半周期內(nèi)，二極管 D1 和 D3 導(dǎo)通、 D2 和 D4 截止；相反，在交流輸入電壓的負(fù)半周期內(nèi)，二極管 D1 和 D3 截止、 D2 和 D4 導(dǎo)通。于是在這樣的情況下，輸入的橋式整流電路在一個(gè)周期中，直流輸出電流和直流輸出電壓的方向都是固定不變的。圖中電容 C6 的功能是負(fù)責(zé)把經(jīng)過(guò)橋式整流器變換得到的脈沖電流轉(zhuǎn)化成波動(dòng)范圍偏小、輸出波形更加穩(wěn)定平滑的直流電壓。 電動(dòng)汽車 72V/2022W 快速充電器設(shè)計(jì) 8 輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì) 輸出 EMI 濾波器設(shè)計(jì) 圖 33 輸出整流電路的 EMI 濾波電路 輸出整流電路的 EMI 濾波電路如圖 33 所示，該電路 EMI 源的核心便是圖中的二極管 VD3，它的吸收電路的組成部分是與它串并聯(lián)的 R C10 元器件，主要功能是吸收消除它在開關(guān)切換的時(shí)候制造出來(lái)的電壓尖峰來(lái)保證系統(tǒng) 的穩(wěn)定，當(dāng)然對(duì)于開關(guān)電源自身所帶來(lái)的干擾，我們只能盡全力地去將它的不良影響程度最小化，想要從根本上消除它們幾乎是完全不可能的，所以我們可以在器件的選擇上挑選那些符合設(shè)計(jì)功能的 VD 二極管來(lái)減輕誤差帶來(lái)的干擾。 圖 34 開關(guān)電源輸出回路的 EMI 濾波器 開關(guān)電源輸出回路的 EMI 濾波器如圖 34 所示，線圈 L1 和 L2 組成的共模扼流圈加上 C C2 兩個(gè)電容以及扼流圈 L3，這些電子元器件一起構(gòu)成了輸出回路的 EMI 濾波器。將它放在直流輸出端的目的就是為了能夠消除共模信號(hào)與差模信號(hào)的干擾，扼流線圈有的時(shí)候會(huì)因?yàn)榇判具^(guò)于飽和所產(chǎn)生的高強(qiáng)度磁場(chǎng)而使它的特性失去，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解決，我們可以采取在高磁場(chǎng)強(qiáng)度下具有很好的高頻特性的扼流圈鐵芯，如果該鐵芯的磁導(dǎo)率良好而且穩(wěn)定那就再好不過(guò)了。 輸出高頻整流電路 在 我們學(xué)過(guò)的開關(guān)電源的整流電路中，也曾了解過(guò)許多現(xiàn)代的整流電路，比如普通整流電路、倍流整流電路、異步整流電路、低壓大電流高頻整流電路以及同步整流電路等相關(guān)電路，相比較過(guò)去時(shí)代的整流電路而言，現(xiàn)今這些整流電路鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（ 2022) 9