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1、 本科毕业设计(论文)题目：电动汽车动力电池充电系统功率部分 设计 院 （系）： 专 业： 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2012年 6月XXXVI 本科毕业设计(论文)题目：电动汽车动力电池充电系统功率部分 设计 院 （系）： 专 业： 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2012年 6月11 电动汽车动力电池充电系统功率部分设计 摘要 为满足电动汽车蓄电池无损伤快速充电的需求, 将大功率开关电源变换技术应用于充电系统设计了由电动汽车动力电池充电系统功率部分。结合实际充电要求, 在电动汽车充电系统的总体方案的基础上, 就方案中涉及到的大功率充电电源拓扑结构的选择, 进行了并
2、具体介绍了控制电路及保护电路的设计。实验结果表明该充电电源可以在短时间内实现对动力蓄电池的无损伤充电, 满足快速充电的要求。文章所研究的充电系统为新型电动汽车提供了一种可靠有效的充电设备, 具有很强的应用价值。 采用功率因数校正以及隔离变压调制的方式的充电电源，具有体积小、重量轻、可靠性高、整机变换效率高、对供电电网干扰小等特点。同时整个系统还增加了多种保护电路措施，安全性符合车用设备的通用规范，具有很强的实际应用价值。 关键词: 电动汽车；BOOST变换；APFC校正；半桥变换 Design of Battery Charging System for Electric Vehicle Ab
3、stractHigh power switch source converter technique that is applied to intelligent charger is presented in this paper to meet the requirement of fast and scathe less charging for the auto mobile storage batteries. As the need of charging, the total scheme of quick charging system for electric vehicle
4、 is given, and the selection of topology configuration of high power charger, the design of control circuit and protection circuit are introduced in detail Experimental results prove that the charging power can scathe lessly charge for power batteries in short time, which meet the requirement of rap
5、id charging. The study in this paper provides reliable and effective charging equipment for novel automobile vehicle and shows good application prospect.The power factor correction and segregation variable pressure of the way the modulation charging power supply has small volume, light weight, high
6、reliability, high efficiency, the transformation of the power supply power grid little interference etc. Characteristics And the whole system but also increased the kinds of protect circuit measures, with the vehicle safety equipment general specification, which is of great practical application val
7、ue.Keywords: electric vehicle；BOOST converter；APFC；half bridge converter 目录中文摘要.I英文摘要.II1 绪论.11.1 课题研究背景和意义.11.2 电动汽车概况.21.3 电动汽车充电技术发展概况.31.4 功率因数校正技术的必要性及发展现状.41.5 研究内容.52 功率因数校正原理.62.1功率因数的定义.62.2功率因数校正实现方法.72.3有源功率因数校正.7 2.3.1有源功率因数校正定义.7 2.3.2有源功率因数校正分类.83 系统硬件设计.93.1充电系统功率部分结构设计.93.2 Boost有源功率
8、因数校正电路的设计.9 3.2.1 BOOST变换器的工作原理和控制方式.9 3.2.2 平均电流控制模式的Boost PFC电路工作原理.103.3 基于ICE2PCS01 BOOST APFC电路的设计.11 3.3.1ICE2PCS01控制器简介.11 3.3.2 Boost PFC主电路主要参数的设计.14 3.3.3基于ICE2PCS01的控制电路及补偿环路的设计.183.4 半桥式DC-DC变换器的设计.22 3.4.1 半桥式变换器的工作过程分析.22 3.4.2 功率电路的设计.25 3.4.3 半桥变压器的参数设计.283.5 控制保护电路.293.6驱动信号的产生.294
9、电调试及其波形分析.304.1 PFC校正电路上电调试及其波形分析.304.2 半桥电路上电调试及其波形分析.315 结论.34参考文献.35致谢.36毕业设计（论文）知识产权声明.37毕业设计（论文）独创性声明.38附录A电气原理图.39附录B PCB印制电路版图.40附录C 外文资料翻译.41 绪论 1 绪论1.1 课题研究背景和意义随着人类社会的发展，现代科学技术随之不断进步，近二百年来取得的成就相当于过去人类历史取得成就的总和。汽车作为正逐步走进人们消费能力范围的商品，将随着人口数量的大幅度增加而增加。目前全世界行驶的各种汽车总数量为7.37亿，据德国市场研究所预计，在未来的8年里世界
10、汽车数量将比现在增加16%。假设这些汽车仍然采用现有的依靠燃烧汽油的方式获得动力，那么消耗的汽油量将是一个十分惊人的数据。另一方面更为严重的是燃烧这些汽油所产生的温室气体和有害气体对大气层的破坏及对生态环境的影响也是十分可怕的。目前，大多数电机车使用的电源都是铅酸蓄电池组。铅酸蓄电池因其可循环再充电的特性，以及成本低廉、使用安全、无污染等优点。相应的，蓄电池的充电技术也引起了普遍地关注。一方面，传统的充电方法正常充电时，以10h或20h率电流进行充电。这时需要时间一般为10多个小时，甚至20多个小时，充电时间长，而且使用不便。另一方面，充电技术不能适应铅酸蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的寿
11、命。国内外多年来的实践证明，铅酸蓄电池浮充电压偏差5%，电池的浮充寿命将减少一半。在其他方面，由于充电方法不正确，铅酸蓄电池也很难达到规定的循环寿命。智能充电是使实际充电电流能够动态地跟踪电池可接受的充电电流。充电系统根据电池的状态确定充电工艺参数，使充电电流自始至终处于电池的可接受充电电流曲线附近，使电池几乎在无气体析出的条件下充电，做到既节约用电又对电池无损害。在这样的背景下，各国政府都投入了大量的人力物力来研制和开发清洁、环保的电动汽车。70年代，以美国、日本为代表的汽车工业较发达的国家开始了曾经停顿多年的电动车技术的研究工作。如美国的“新一代汽车合作伙伴”项目(partnership
12、for a New Generation of Vehicles-PNGV)，日本新能源与工业技术发展组织(New Energy and Industrial Technology Development Organization-NEDO)协调所谓的“先进清洁燃料汽车计划”等。政府制定了详细的规划和严格的法规，目的就是为了鼓励电动车的研发工作。经过科研工作者的努力，大量的新技术成果得到应用。电动汽车在环保、能源等方面的巨大优势，取代传统的燃油汽车已成为一种必然趋势，被誉为“未来汽车”。90年代，电动汽车的研发及产品化便成为世界主要汽车生产厂商的技术竞争重点。与此同时，众多国家在电动汽车科技创
13、新方面也投入巨资，力争抢占电动汽车产业的制高点。通过20多年的努力，各国在电动汽车关键技术方面取得不少的突破，电动汽车也正朝着产业化方向发展。我国电动汽车关键技术的研究以及产业链的形成紧随其他发达国家之后。随着汽车走进千家万户成为我们生活中的必需工具，我国汽车的保有量也在逐年攀升，形成了以红旗、奇瑞、中华等一大批国产品牌汽车为主的一股不可忽视的力量。 “九五”期间，电动汽车被列入国家重大科技产业工程。“十五”、“十一五”期间电动汽车列入国家863计划。在自主创新过程中，我们坚持以政府支持、核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池为“三纵”，以整车控制
14、系统、电机驱动系统、动力蓄电池、为“三横”的研发局面，通过产学研紧密合作的方式，研发中国自己的电动汽车。通过自主品牌的研发，我国也涌现出了一大批高新技术成果，这些都极大的促进了民族汽车工业的产业升级，缩小了我国汽车工业发展水平与发达国家之间的差距，实现了汽车工业的跨越式发展 。电动汽车作为21世纪清洁、高效和可持续发展的交通工具，目前大规模应用的主要问题是初始成本高和续驶里程不理想，制约其发展的主要因素之一是当前电动汽车充电效果不好，主要问题是充电时间长，充电效率低和充不满，同时充电控制方法的选择不当，使多数充电器与蓄电池不匹配。因此通过开发与动力电池特性相配套的快速充电器，实现随时随地方便快
15、速的对动力电池进行充电，能够有效延长电动汽车的续航里程，更有利于电动汽车的推广。电动车的推广使用已经在全球范围内展开，但制约电动车发展的一个最困难也最重要的问题就是电动车用铅酸蓄电池的寿命问题，而影响电动车用铅酸蓄电池寿命的一个关键因素却是充电技术。因此，铅酸蓄电池的充电技术将对电动车的快速发展起到关键性的作用。1.2 电动汽车概况电动汽车是指全部或者部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，它并不是一个新兴的概念，早在1905年就有人曾经申请了用蓄电池作为动力驱动电动机来改善内燃机车辆加速性能的专利。但是后来由于汽车用的发动机性能大大提高，这一提法也逐渐被人们所淡忘。随着能源、环境和交通问题的日
16、益凸显，电动汽车的概念又逐渐回到人们的视线当中。所谓电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。按照目前技术的发展方向和车辆驱动的原理，可分为纯电动汽车（PEV），燃料电池汽车（FCEV），混合动力车（HEV）三类。纯电动汽车是以动力蓄电池作为动力源，利用牵引变流器以及大功率异步电动机，将动力蓄电池的电能转换为机械能，进而通过传动装置来驱动整个车辆。随着石油资源的紧张和电池技术的发展，纯电动汽车在性能和经济性方面已逐步接近传统燃油汽车并开始在世界范围内得到使用。预计不久的将来，随着电池技术的革新，配套设施的建成，成熟标准法规政策的出台，纯电动汽车的续
17、驶里程将得到大幅度提高，同时成本也将大幅下降。低能耗、零排放的纯电动汽车必将大规模普及，具有巨大的市场发展空间。纯电动汽车具有零排放、能源利用率高、结构简单、噪声小、原料广等优点，但是受现阶段电池技术、配套设施及相关政策等的影响，纯电动汽车在续驶里程、成本、充电时间、蓄电池使用寿命等方面还有待进一步的改善。目前，美国国家实验室正投入巨资进行纯电动汽车的先进驱动系统、先进电池及其管理系统等的深入研究。另外小型、低速、特种用途的纯电动汽车也在不断发展。在日本，纯电动汽车与智能交通系统的组合已成为目前电动汽车技术水平下使用和商业化的新途径。2010年，日本推出首款纯电动汽车叶子，在世界车展会上，以其
18、轻巧的设计、出色的性能受到各国的高度关注。在国内，纯电动汽车的自主研发不断取得突破，使我国在电动汽车领域初步构建起自主的知识产权技术体系，有望为中国汽车工业开拓新的增长点。比亚迪、吉利、奇瑞2010年都纷纷推出自己的纯电动汽车。纯电动汽车的发展离不开充电设施的建设，目前，充电站建设的落后和车载充电器的效果不佳成为制约纯电动汽车发展的瓶颈之一。为响应国家号召，履行企业职责，国家电网公司巨资建设充电站、充电桩以及研发高效的大容量充电器。同时相关标准、政策也在紧锣密鼓出台中。预计在未来几年中，纯电动汽车的市场占有率将大幅度提高。目前纯电动汽车正处在产品技术研发末期和大规模示范运行及产业化的初期，在技
19、术上、运行经济上、基础设施上还存在产业化发展的瓶颈，需要政府相关政策的支持。有理由相信，随着各国政府对于电动汽车倾向性政策的陆续出台以及电动汽车性能的不断攀升，将会形成完整的技术创新、市场成熟、产业发展的链环，电动汽车进入千家万户将不再是梦想。1.3 电动汽车充电技术发展概况蓄电池作为一种储能设备，具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，它广泛应用于国民经济的各个部门。充电电源与蓄电池相伴而生，与蓄电池的应用和发展有着密切的关系，广泛应用于电动交通车辆、电力系统、煤炭矿山、不间断电源、便携电子产品等国民生活的各个领域，并且随着科学技术的不断发展，充电电源的应用将会更加广泛。无论在哪一方面的应用
20、，都需要我们在提高充电电源的快速性和安全性的基础上，朝着以下几个方向努力：(1) 充电手段趋于现代化。蓄电池的充电脉冲采用计算机进行控制，对充电电源和蓄电池组成的闭合环路系统的实时控制和数据采集用计算机进行全方位的设计和实现。(2) 追求高的性能指标。为减轻充电电源的重量和提高充电效率，可以采用高频化、软开关的开关电源。(3)全集成化的充电电源。高集成度的充电电源不仅有利于充电电源的设计、安装和调试，还能有效缩小体积，便于电动汽车的携带和放置。目前，常用的充电电源主要有以下三种:相控电源、线性电源、开关电源。相控电源是比较传统的电源，它是将市电直接经过整流滤波后输出直流，再通过改变晶闸管的导通
21、相位角，来控制整流器的输出电压。相控电源所用的变压器是工频电源变压器，它的体积比较庞大，由此造成相控电源本身的体积庞大、效率低下，并且该类电源动态响应差、可靠性能低。目前相控电源己经有逐步被淘汰的趋势。线性电源是另一种常见的电源，它是通过串联调整管可以进行连续控制的线性稳压电源。线性电源的功率调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的。由于调整管上损耗功率比较大，所以需要采用大功率调整管并且需要装配体积很大的散热器。对于铅酸蓄电池来讲，传统的充电方法主要有恒流充电，恒压充电和先恒流后恒压充电。这些充电方法，一方面控制电路简单，实现起来比较容易；另一方面充电时间比较长，充电方法过于单一，控制不当
22、会对蓄电池本身造成损害，以致影响蓄电池的使用寿命。针对传统的充电方法充电缓慢、转换效率低下、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些新兴快速的充电方法，如分级定流充电法，脉冲式充电法，定化学反应状态法，变电流间歇/定电压充电法、变电压间歇充电法等。对于铅酸蓄电池来讲，其中的分级定流充电法已经得到了广泛的应用。这些充电方法的原理绝大多数都是在传统方法的基础上加以改进，以便使其充电电流能够更好的逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。近年来开始有人采用一些更加新颖的充电方法，例如模糊控制充电法。这种充电方法开始摆脱传统充电方法的束缚，将模糊控制技术引入充电方法，利用模糊控制本身适合处理多输入多输出非线
23、性系统的优势，能够更好的处理蓄电池充电过程中的时变性和抗干扰等常规控制方法所难以解决的问题。总之，新兴的快速智能充电方法的应用，充分发掘了蓄电池固有的可接受充电电流的潜能，使得充电时间大为缩短，充电效率成倍提高，提高了设备的利用率，同时提高了蓄电池的使用寿命，节省了电能，为各种充电器充电效能的提高奠定了基础。1.4 功率因数校正技术的必要性及发展现状随着电子技术的不断发展，计算机通信设备日益普及，开关电源技术被广泛应用于各种不同的领域，电网的谐波污染以及输入端功率因数低等问题也显得日益突出。这些设备的内部需要一个将市电转化为直流的电源部分。在这个转换过程中，由于一些非线性元件的存在，导致输入的
24、交流电流严重畸变，包含大量的谐波。这不但降低了输入电路的功率因数，而且对公共电力系统产生污染，造成电路故障。因此使用功率因数校正技术把谐波污染控制在较小的范围内已是当务之急。为限制电流波形畸变和谐波，使电磁环境更加干净，国内外都制定了限制电流谐波的有关标准，如IEC555-2，IEEC519等。采用现代高频功率变换技术的功率因数校正(PFC)技术是解决谐波污染最有效的手段。为减少谐波对交流电网的污染，必须对电源产品如充电器、UPS、高频开关整流电源等的输入电路进行功率因数校正，以最大限度的减少谐波电流。功率因数校正的目的，就是采用一定的控制方法，使电源的输入电流跟随输入电压，功率因数接近1。进
25、入20世纪80年代后，电力电子设备中开关电源、相控整流器等非线性负载的大量投入使用，给功率因数校正技术提出了新的问题，同时也给出了新的发展契机。1986年美国公布“功率因数等于1”的专利，这是最早的比较完整的升压式功率因数电路，这一时期是现代有源功率因数校正技术发展的初级阶段，当时的研究工作主要集中在工作于连续导电模式(Continuous Conduction Mode，CCM) 下的升压变换器，这种控制方法主要是基于乘法器控制技术，适用于大功率变换器。20世纪80年代末推出了非连续导电模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM) 的变换器，由于其输入电流自动跟
26、随输入电压变化以实现功率因数校正，因此这种校正技术也称为“电压跟随器”，采用DCM模式的PFC校正电路中只有输出电压一个控制量，因而控制方式比较简单，适用于中小功率场合。近十年来，功率因数校正技术的研究热点集中于新拓扑的提出、新的控制方法的提出以及单级PFC变换器的研究。1.5研究内容针对电动汽车铅酸动力电池，设计大功率充电系统。主要技术指标：交流输入电压：220V10%；功率因数：0.92；效率：0.80；最大充电电流：40A；最大输出功率：3.5KW。本文主要针对电动车用铅酸蓄电池自身的特点，研究如何建立一个良好的铅酸蓄电池充电系统。使动力蓄电池工作在较理想的工况下，延长其使用寿命，提高充
27、电效率，同时不产生有害气体，实现真正意义上的清洁高效。因此该课题的研究具有很好的现实意义和应用前景。 功率因数校正原理 2功率因数校正原理2.1功率因数的定义功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)的比值，用公式表示为: (2.1）式中:为输入电流基波有效值；为电网电流有效值,其中,为输入电流各次谐波有效值；为输入电压基波有效值；为输入电流的波形畸变因数；为基波电压和基波电流的位移因数。 可见，功率因数由输入电流的波形畸变因数以及基波电压和基波电流的位移因数决定。越小，则设备的无功功率越大，设备利用率越低，导线和变压器绕组的损耗越大；越小，表示设备输入电流谐波分量越大，将造成电流波
28、形畸变，对电网造成污染，使功率因数降低，严重时会造成电子设备损坏。从上式可见，抑制谐波分量即可达到增大，提高功率因数的目的。电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角的余弦cos来表示。功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标。 功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。(1)自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷(白炽灯、电阻炉)的功率因数
29、较高，等于1，而电感性负荷(电动机、电焊机)的功率因数比较低，都小于1。(2)瞬时功率因数：是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。(3)加权平均功率因数：是指在一定时间段内功率因数的平均值。 图2.1 一般APFC原理框图从图2.1可以看出APFC基本电路就是一种开关电源，但它与传统的开关电源的区别在于：DC/DC变换之前没有滤波电容，电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压，这个正弦半波脉动直流电压和整流器的输出电流与输出的负载电压都受到实时的检测与监控，其控制的结果是达到全波整流器输入功率因数近似为1。2.2功率因数校
30、正实现方法 由公式（2.1）可知，要提高功率因数有两个途径，即使输入电压，输入电流同相位；使输入电流正弦化。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻。 功率因数矫正电路分为有源和无源两类。无源校正电路通常由大容量的电感，电容组成。虽然无源功率因素校正电路得到的功率因数不如有源功率因素校正电路高，但仍然可以使功率因素提高到0.70.8，因而在小功率电源中被广泛采用。2.3有源功率因数校正2.3.1有源功率因数校正定义所谓功率因数校正(PFC)，就是在整流电路与负载之间增加一个功率变换器，应用
31、电流反馈技术，通过适当的控制方法不断调节输入电流，使其跟踪输入正弦波电压波形，将输入电流校正成与电网电压同相的正弦波，因而功率因数可提高到近似为1。由于该方案中应用了有源器件，故称为有源功率因数校正（APFC）。即对电路采取措施，使输入电流波形接近正弦波并与输入电压同相位，电流正弦化便使=1，同相位就是因数=1。 APFC技术的思路是，控制已整流后的电流， 使之在对滤波大电容充电之前能与整流后的电压波形相同， 从而避免形成电流脉冲，减小输入电流谐波,达到改善功率因数的目的。2.3.2有源功率因数校正分类 有源功率因数校正分类按电路结构分为：降压式、升/降压式、反激式、升压式。其中升压式为简单电
32、流型控制，PF值高，总谐波失真小，效率高，适用于75W2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。按输入电流的控制原理分为：平均电流型（工作频率固定，输入电流连续）、滞后电流型、峰值电流型、电压控制型。下面就假设工作模式为CCM，来介绍一下三种方法的特点： 1.峰值电流法是检测峰值电流，采用恒定的开关电源工作频率，只有稳定的工作频率才能有效地、快速地检测出峰值电流，并将这一电流“削尖”、均化来控制开关管，对PWM进行调节，使输入电流波形与输入电压保持同步，从而提高功率因数。由于输入电流被“削尖”，在电路上对输入电流波形需要进行斜率补偿。2.滞环电流法是检测APFC电路中电感上的电流，当电感电流
33、达到一定值时，开关管开始导通；电感电流下降到一定值时，开关管陡然截止，它的控制方式是利用工作频率改变来控制开关管的导通和截止。一般设计输出滤波电路时，按最低工作频率考虑，所以，开关电源的体积和重量是最小的，工作损耗最小。 3.平均电流法是开关电源和电子镇流器对有源功率因数校正用得最多的一种方法。THD值小，对噪声不敏感，电感电流峰值与平均值之间的误差小，具有恒定的工作频率，可以任意拓扑各种控制电路，输入电压可以随便调节。这中方法的缺点是控制电路比较复杂，需要增添电流误差放大器。 4.电压控制法是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相
34、当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。工作频率固定，电流不连续。 图2.2 几种控制方法的输入电流波形图 系统硬件设计 3 系统硬件设计1 充电系统功率部分总体结构设计 保护电路电压，电流温度检测动力电池整流滤波电路APFC电路半桥电路整流滤波电路EMI滤波交流输入FAN7390驱动ICE2PCS01光耦隔离SG3525双路PWM波生成电压电流反馈 图3.1 充电系统总体结构流程框图如图3.1整个电路采用了AC/DC DC/DC的设计结构, 首先是220V的交流市电经EMI滤波、APFC校正电路变为380V的直流, 然后经DC/DC半桥变换及相应的控制电路, 保证输出电流电压