【正文】 經(jīng)開始對(duì)電動(dòng)汽車電池進(jìn)行了研究。 這類大多是簡單、便攜、控制簡單的接觸式充電器。它 的功率、占地很大。 這是一種新的技術(shù)，誰掌握了便引領(lǐng)了下一個(gè)科技的核心，在利益與環(huán)境的雙重趨勢下，各國都對(duì)電動(dòng)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 。那就是更快、更準(zhǔn)確、更安全的完成電動(dòng)汽車的充電。同時(shí)，隨著通信行業(yè)和人機(jī)交互技術(shù)的飛速發(fā)展，充電機(jī)的管理也不再是單一的，實(shí)現(xiàn)了更加人性化的充電機(jī)管理和更加讓人易操作的交互界面。 （ 1） 脈沖式充電 如圖 11 所示為脈沖式充電方式 曲線圖 ，通過對(duì)開關(guān)管的循環(huán)開通控制， 控制充電過程中的關(guān)斷。 I ( A )U ( V )uiT ( h ) 圖 12 變電流間歇式充電技術(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北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 11 13 所示。 重點(diǎn)研究問題： （ 1） 研究當(dāng)前電動(dòng)汽車充電模式，并對(duì)各種充電方式進(jìn)行比較探究 （ 2） 在各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)比中 ， 尤其以全橋拓?fù)鋬?yōu)異，它可以提供大功率的電流電壓，同時(shí)電路的四開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dāng)多的使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更完善的策略。 （ 6） 最后，我們將整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用 MATLAB 進(jìn)行模擬仿真，分析并驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果， 結(jié)果充分表明系統(tǒng)電路是可靠的，是可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電，至此，完成了本課題的要求。 表 21 帶隔離的直流變換器 拓?fù)? 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(guān)管數(shù)量 1 1 4 2 2 控制復(fù)雜度 容易 容易 復(fù)雜 較容易 較容易 我們在給電動(dòng)汽車充電是用直流電源充電器，同時(shí)從人身安全考慮來看，我們需要選擇的系統(tǒng)主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一定是帶隔離的直流變換器，所以我們對(duì)隔離直流變換器的工作原理作出相應(yīng)的介紹。 CV D 3V D 2V D 1V Tu++U iL 圖 22 單端正激式變換器 （ 3） 推挽式變換器（ Pushpull converter） 如圖 23 所示，變壓器原邊繞組 N1=N2，副邊繞組 N2=N4。 （ 4） 半橋式變換器 （ HalfBridge Converter Topology） 如圖 24 半橋式變換器， 半橋變換中原邊電路中有兩個(gè)開關(guān)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(fù)載輸出波形為全波，但是由于半橋變換器有倆負(fù)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(fù)載電路中的 Cf 和 R0 要比正激電路中小很多，所以整個(gè)電路的北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 14 成本 與 正激變換 相比 也相對(duì)便宜很多，同時(shí)有著更高的輸出頻率。 跟大多的拓?fù)潆娐废氡容^，半橋式和全橋由于存在多個(gè)開關(guān)管和諧振電感，解決了由于能量過多而不能泄放的困擾，負(fù)載電路會(huì)直接吸收多余的存在與電感中的能量 。 表 21 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性能表 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 適用范圍 單端正激 式 不能適應(yīng)大功率的電路環(huán)境，工作結(jié)構(gòu)不復(fù)雜 、 適合各種復(fù)雜電路環(huán)中小功率場合 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 15 狀態(tài)下很容易出現(xiàn)飽和情況，大大減少了對(duì)于變壓器的利用 境 ，不會(huì)產(chǎn)生倆橋臂開關(guān)管直通和單向偏磁現(xiàn)象， 經(jīng)濟(jì)花費(fèi)低 雙單端正激式 對(duì)變壓器的要求數(shù)量較多，對(duì)變壓器的利用率較低，同時(shí)占用體力較大 結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜 、易于調(diào)整、且性能穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生倆橋臂 開關(guān)管直通和單向偏磁現(xiàn)象， 大功率場合 半橋式 通過開關(guān)管的電流時(shí)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(xiǎn) 經(jīng)濟(jì)成本較低、體積較小，半橋電路有著很強(qiáng)的抗不平衡能力 中小功率場合 全橋式 經(jīng)濟(jì)成本交大、有著變壓器直流偏磁、直通短路等風(fēng)險(xiǎn) 主電路 結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜 ，變壓器工作狀態(tài)好，可以在磁滯曲線兩側(cè)工作，同時(shí)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(guān)管額定 電壓和電壓相同時(shí)，電路輸出功率大小與開關(guān)管數(shù)量成正比，由于全橋式電路含有四個(gè)功率開關(guān)管，所以全橋電路的輸出功率最大。軟開關(guān)技術(shù)是醫(yī)用在開關(guān)管開通之前是的開關(guān)管兩端電壓降低至零，或者將兩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(huì)出現(xiàn)電流電壓彼此重合在一起，這對(duì)于電路是一種大大的不穩(wěn)定，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，也是對(duì)于電路能量的利用，提高了電路對(duì)于各個(gè)元器件功能的利用，大大的提高了電路的能量利用。 功 率 大 效 率 高電 氣 隔 離 輸 出 可 控 安 全 可 靠全 橋 電 路軟 開 關(guān) 技術(shù)帶 隔 離 變壓 器電 動(dòng) 汽 車 充 電 柱方 案 設(shè) 計(jì)移 相 全 橋 Z V S 變 換 器參 數(shù) 設(shè) 計(jì)仿 真 驗(yàn) 證控 制 策 略故 障 保護(hù)兩 段 式 智能 充 電 、雙 閉 環(huán) 控制各 類 保 護(hù)電 路實(shí) 驗(yàn) 驗(yàn) 證設(shè) 計(jì) 正 確可 靠 性是否 圖 26 電動(dòng)汽車充電柱設(shè)計(jì)思路 本章小結(jié) 本章介紹了電動(dòng)汽車充電電路中的幾種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ，同時(shí)，按照對(duì)于電動(dòng)汽車充電柱的要求，選擇出了全橋移相 ZVS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)接下來的工作有了明確的分步。 V D CQ 1D 1C 1Q 2D 2C 2L rC bQ 3D 3C 3.N 1.N 2Q 4D 4C 4D 5D 7D 6D 8C 0RL f 圖 31 移相全橋 ZVS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 移相全橋 ZVS 變換器的工作過程 在一個(gè)開關(guān)周期中，移相全橋 ZVS 變換器有 12 中開關(guān)模式，所以這里只對(duì)他半個(gè)周期的六個(gè)工作模式進(jìn)行分析。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 18 圖 32 一個(gè)周期內(nèi)的 ZVS 變換器的電流、電壓波形 初始時(shí)刻 0t ：從圖 32 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。等到 1t 時(shí)候， C2 的電壓慢慢下降到零， D5 和 D8 導(dǎo)通，輸出電壓呈線性下降。 （ 5） 第五階段 [ 4t ， 5t ]，此時(shí) Q2， Q3 處于導(dǎo)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(dǎo)通狀態(tài)，輸出電壓為零。 移相全橋 ZVS 變換器相關(guān)問題的分析 由 可以知道，移相全橋 ZVS 變換器性能優(yōu)良，兩個(gè)橋臂的開關(guān)在理想條件下可以實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān) 控制開斷，而且由于軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)，減少了對(duì)于開關(guān)開斷的損耗，效率變高，這與當(dāng)今社會(huì)科技發(fā)展要求的更快，更小，更簡便相吻合，但是，不可否認(rèn)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(guān)管 ZVS 的實(shí)現(xiàn)條件，整流橋二極管反向恢復(fù)的產(chǎn)生震蕩以及開關(guān)管的諧振緩沖等。 副邊占空比的丟失 參考文獻(xiàn)【 1】知道， 由于諧振電感的存在，原邊電流 從負(fù)值到正值需要一定的時(shí)間 ，在這段時(shí)間內(nèi)，雖然原邊存在或負(fù)或正的電壓方波，但是由于負(fù)載電量大于原邊電流，導(dǎo)致，副邊電路的所有二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此導(dǎo)致了部分方波電壓的丟失。 （ 1） 將諧振電感用飽和電感來替換 如圖 31 所示， 。當(dāng)我們把輸入電壓和負(fù)載的大小在任意范圍內(nèi)都可以使用的時(shí)候， C C C C4 的充放電時(shí)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。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 21 4 變換器參數(shù)設(shè)計(jì) 由前三章我們對(duì)電動(dòng)汽車充電柱組成有了具體的了解，本章將對(duì)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(shè)計(jì)。 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 。交流電壓通過整流橋變成直流電壓 ?????? =V 有效 * 2 *90%=430v~。所以根據(jù)以上我們可以得出原邊匝數(shù) N1 N1=????min??pmax????????????????=（ 43） 我們這里對(duì) N1 取整數(shù)，所以 N1=18。考慮到電流相互之間的干擾，我們可以多股繞制。 所以取原邊線圈漆包線內(nèi)直徑 ，外直徑 ，導(dǎo)線截面積在 m??2，原邊線圈漆包線數(shù)量 ,取整得到 17。其次，由 我們可以知道流經(jīng)原副線圈的電流大小為 和 所以，設(shè)定 IGBT 管最小電流值不得低于 180A。我們可以由 計(jì)算出整流二極管的反向電壓為 265V*=。 電感和電容的選擇 輸出濾波電感和電容 參數(shù) 的設(shè)計(jì) 在直流變換中，不同的輸出濾波電感值會(huì)產(chǎn)生不同大小的濾波電感電流波紋，不同的電容同樣會(huì)產(chǎn)生不同大小的輸出電壓。 （ 1） 濾波電容的設(shè)計(jì) 濾波電容在電路中起到的作用便是將負(fù)載的能量吸收或者釋放。根據(jù)設(shè)計(jì)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。 當(dāng) L 大小為 時(shí)， LC 濾波器截止頻率大小為 。所以，我們可以得到公式： ????ead ??????(??1+??2)???? (410) 由公式我們可以得到超前橋臂電容 ????ead = ??1+??22 （ 411） C1=C2，所以我們?nèi)ル娙荽笮?。在設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，盡量選取較大一點(diǎn)的以符合電路需求 . 5 電動(dòng)汽車充電柱電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第四章介紹了電動(dòng)汽車充電柱主電路的結(jié)構(gòu)，但是要想實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的充電功能的實(shí)現(xiàn)，我們必須對(duì)充電系統(tǒng)有個(gè)好的控制，以前的控制策略大多是利用模擬電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電源信號(hào)的控制，模擬信號(hào)控制存在很多的問題，模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要相當(dāng)多的元器件，同時(shí)，由于復(fù)雜的電路易導(dǎo)致功能上實(shí)現(xiàn)遇到各種各樣特殊情況，然后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，模擬控制逐漸被日趨完善的數(shù)字控制所取代，數(shù)字控制多利用高性能芯片，只需要根據(jù)控制需要，在芯片內(nèi)部寫入相應(yīng)的程序便可以達(dá)到對(duì)電路的控制作用。 另一種便是高性能的數(shù)字芯片，高性能的數(shù)字芯片內(nèi)部存在著復(fù)雜的運(yùn)算單元，它可以自動(dòng)完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，將輸出端的信號(hào)通過接收端輸入到芯片內(nèi)部，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，產(chǎn)生作用于主電路晶體管的 PWM 信號(hào)。這款處理是 TI 公司生產(chǎn)制造。當(dāng)芯片接電源后，我們測量芯片輸入輸出端電壓，當(dāng)滿足大于 的情況，同時(shí)測出復(fù)位引腳 保持 0 輸出，那么我們就完成了對(duì)于復(fù)位的要求。 另一種實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的方法，便是利用外部晶振，將產(chǎn)生的晶振信號(hào)，通過輸入端，給芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。在完成檢測過程中，需要將主電路輸出端的輸出信號(hào)通過采樣后送到控制電路，在這過程中，要保證采樣的信號(hào)盡可能的反應(yīng)真實(shí)的輸出信號(hào)，所以在采樣過程中，要盡量避免干擾。 表 51 CHV25P/600 參數(shù) 額定輸入電壓 測量電壓范圍 準(zhǔn)確度 響應(yīng)時(shí)間 額定輸出 177。 從圖中可以看出 ，輸出電壓通過管腳 1 和 2 輸出到霍爾元件內(nèi)部 ，管腳 5 和 3 分別接電源和接地，采樣電阻 ??3接地。 芯片采集的輸出信號(hào)的電壓最大值在 ，所以我們可以求得采樣電阻 R3 的大小。 表 52 CHB100P 參數(shù) 額定輸入電壓 測量電流范圍 準(zhǔn)確度 電源最大電流 額定輸出 177。 R1 ??40???? = 83Ω 考慮到電路的穩(wěn)定性，對(duì) R1 取值， R1=70Ω. 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 29 IGBT 管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 在第五章開頭我們已經(jīng)介紹了智能數(shù)字芯片對(duì)于電路的控制作用，但同時(shí)提到了芯片存在的不足，由于芯片產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)功率較低，無法直接對(duì)主電路Q1， Q2， Q3， Q4 晶體管實(shí)現(xiàn)關(guān)斷的控制作用，所以我們這里需要在控制電路中加上一個(gè)額外的驅(qū)動(dòng)放大電路，來實(shí)現(xiàn)對(duì) PWM 信號(hào)功率放大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路的控制作用。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 30 圖 57 IGBT 晶體管驅(qū)動(dòng)電路 圖中管腳 11,12 分別于電源正極和大地相連接