电池充电电路的设计与仿真--吴鹏

吴鹏：蓄电池充电电路的设计与仿真1课程设计指导教师评定成绩表项目分值优秀(100x≥90)良好(90x≥80)中等(80x≥70)及格(70x≥60)不及格(x60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度15学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度技术水平与实际能力25设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题创新10有重大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧论文(计算书、图纸)撰写质量50结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰指导教师评定成绩：指导教师签名：年月日吴鹏：蓄电池充电电路的设计与仿真2重庆大学本科学生课程设计任务书课程设计题目蓄电池充电电路的设计与仿真学院电气工程学院专业电气工程与自动化年级2010级已知参数和设计要求：[1]直流输入电压380V；[2]输出电压48VDC；[3]输出功率1000W；[4]开关频率100kHz。学生应完成的工作：[1]查阅相关文献，了解电动汽车充电器的特性和要求，掌握蓄电池充电的特点；[2]针对蓄电池的充电特点，以全桥直流变换器为例，对蓄电池充电电路进行设计及控制；[3]完成蓄电池不同阶段充电的控制及仿真分析。目前资料收集情况（含指定参考资料）：[1]秦海鸿，朱德明，严仰光.电动汽车充电器电路拓扑的设计考虑.电源技术应用，2004，7(2)：97-104[2]胡兴军.电动汽车充电模式特点及技术要求.电器工业，2011，6：1-2课程设计的工作计划：[1]第一周：查阅相关文献，了解电动汽车充电器的特性和要求，掌握蓄电池充电的特点；[2]第二周：以全桥直流变换器为例，对蓄电池充电电路进行控制策略的设计；[3]第三周：完成电路的仿真分析，并撰写报告，字数不少于5000字。任务下达日期2013年12月20日完成日期2014年1月11日指导教师（签名）学生（签名）说明：1、学院、专业、年级均填全称，如：光电工程学院、测控技术、2003。2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。吴鹏：蓄电池充电电路的设计与仿真3摘要电力电子课程设计的目的在于进一步巩固和加深所学电力电子基本理论知识。使学生能综合运用相关关课程的基本知识，通过本课程设计，培养学生独立思考能力，学会和认识查阅和占有技术资料的重要性，了解专业工程设计的特点、思路、以及具体的方法和步骤，掌握专业课程设计中的设计计算、软件编制，硬件设计及整体调试。通过设计过程学习和管理，树立正确的设计思想和严谨的工作作风，以期达到提高学生设计能力。本次课题为对电动汽车车载电池的充电器进行了讨论。根据SAEJ?1773对感应耦合器设计标准的规定，及不同的充电模式，给出了多种备选设计方案，并针对不同的充电模式、充电等级，给出了最适合的电路拓扑方案。电动汽车的发展包括电动汽车以及能源供给系统的研究和开发,其中能源供给系统是指充电基础设施,供电、充电和电池系统及能源供给模式。电动汽车充电技术作为一个新的科技领域,世界各国都置身于充电技术的研究,并拟制作充电技术标准,为未来企业发展占据先机。充电系统为电动汽车运行提供能量补给,是电动汽车的重要基础支撑系统,也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。在充电系统中,充电站的建设需要根据电动汽车的充电需求,结合电动汽车充电模式进行相应的规划和设计。吴鹏：蓄电池充电电路的设计与仿真4正文1.引言1.1问题的提出早在20世纪初期，在欧洲和美国的轿车驱动系统上，曾使用过电力驱动系统，当时的电动车已取代了昔日的马车和自行车成为主要交通工具。电动汽车所具有的舒适、干净、无噪声，污染很小等优点曾一度使人们认为这将是交通工具的一个巨大革新。但由于当时电池等关键技术的困扰，以及燃油车的发展，100年来电动汽车的开发一直受到限制。随着现代高新技术的发展和当今世界环境、能源两大难题的日益突出，电力驱动车辆又成为汽车工业研究、开发和使用的热点。世界各国从20世纪80年代开始，掀起了大规模的开发电动汽车的高潮。但电动汽车的市场化一直受到一些关键技术的困扰。其中，比较突出的一个问题就是确保电动汽车电池组安全、高效、用户友好、牢固、性价比高的充电技术。1.1.1电动汽车的充电方法有哪些？电动汽车电池充电是电动汽车投入市场前，必须解决的关键技术之一。电动汽车电池充电一般采用两种基本方法：接触式充电和感应耦合式充电。接触式充电方式采用传统的接触器，使用者把充电源接头连接到汽车上。其典型示例如图1所示。这种方式的缺陷是：导体裸露在外面，不安全。而且会因多次插拔操作，引起机械磨损，导致接触松动，不能有效传输电能。感应耦合式充电方式，即充电源和汽车接受装置之间不采用直接电接触的方式，而采用由分离的高频变压器组合而成，通过感应耦合，无接触式地传输能量。采用感应耦合式充电方式，可以解决接触式充电方式的缺陷。1.1.2电动汽车的充电特点是什么？动力电池特性。不同种类动力电池具有不同的充电特性，最佳充电率在0.2～2.0C之间变化。电池系统额定电压相同的情况下，最高充电电压由于电池种类、结构型式上的区别也体现出一定的差别。对于不同种类的电池，充电方法及充电控制策略也不同，应根据其电池特性不同采用不同的充电方法。充电时间。不同运行模式的电动汽车对充电时间提出了不同的要求，而充电时间的不同需要不同的充电方式来满足。在电动汽车对充电时间要求不高的情况下，可在停运时间利用电力低谷进行常规充电，延长车辆的续驶里程；在充电时间较为紧迫的情况下，需要采用快速充电或电池组快速更换及时实现电能补充。充电场所及其他环境条件。动力电池充放电工作效率受充电场所及其他环吴鹏：蓄电池充电电路的设计与仿真5境条件的影响，尤其是受环境温度的影响。在常温下，电池充电接受能力较强，随着环境温度的降低，其充电接受能力逐渐降低。因此，随环境温度降低，充电站功率需求将增加。因而，建设充电站时应尽可能保证其环境不受人为温度条件的影响。1.1.3电动汽车对充电技术的要求？随着电动汽车的逐步推广和产业化以及电动汽车技术的日益发展，电动汽车对充电站的技术要求体现了一致的趋势，要求充电站尽可能向以下目标靠近。充电快速化。相比发展前景良好的镍氢和锂离子动力蓄电池而言，传统铅酸类蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好和无记忆效应等优点，但同样存在着比能量低、一次充电续驶里程短的问题。因此，在目前动力电池不能直接提供更多续驶里程的情况下，如果能够实现电池充电快速化，从某种意义上也就解决了电动汽车续驶里程短这个致命弱点。充电通用化。在多种类型蓄电池、多种电压等级共存的市场背景下，用于公共场所的充电装置必须具有适应多种类型蓄电池系统和适应各种电压等级的能力，即充电系统需要具有充电广泛性，具备多种类型蓄电池的充电控制算法，可与各类电动汽车上的不同蓄电池系统实现充电特性匹配，能够针对不同类型的电池进行充电。因此，在电动汽车商业化的早期，就应该制定相关政策措施，规范公共场所使用的充电装置与电动汽车的充电接口、充电规范和接口协议等。充电智能化。制约电动汽车发展及普及的最关键问题之一，就是储能电池的性能和应用水平。优化电池智能化充电方法的目标是要实现无损电池的充电，监控电池的放电状态，避免过放电现象，从而达到延长电池的使用寿命和节能的目的。充电智能化的应用技术发展主要体现在以下几个方面：●优化的、智能充电技术和充电机、充电站；●电池电量的计算、指导和智能化管理；●电池故障的自动诊断和维护技术等。电能转换高效化。电动汽车的能耗指标与其运行能源费紧密相关。降低电动汽车的运行能耗，提高其经济性，是推动电动汽车产业化的关键因素之一。对于充电站，从电能转换效率和建造成本上考虑，应优先选择具有电能转换效率高，建造成本低等诸多优点的充电装置。充电集成化。本着子系统小型化和多功能化的要求，以及电池可靠性和稳定性要求的提高，充电系统将和电动汽车能量管理系统集成为一个整体，集成传输晶体管、电流检测和反向放电保护等功能，无需外部组件即可实现体积更吴鹏：蓄电池充电电路的设计与仿真6小、集成化更高的充电解决方案，从而为电动汽车其余部件节约出布置空间，大大降低系统成本，并可优化充电效果，延长电池寿命。1.2国内外研究现状目前电动汽车充电站建设的规模小、数量少,所以电动汽车充电站相关技术大部分还处在实际应用的初级阶段。国际上电动汽车充电系统的标准主要是IEC（国际电工委员会）发布的IEC61851:2001,该标准包括三个部分,分别为:一般要求(partl)、电动车辆与交流/直流电源的连接要求(part2-1)、电动车辆与交流/直流充电站(part2-2)。我国根据国内电动汽车的发展状况,于2001年制定了3个标准,这3个国家标准分别等同(或等效)采用了IEC61851的3个部分。近年来,电动汽车以及电力技术的快速发展,这些标准己不能完全满足当前的发展需求,而且这些标准中缺乏通信协议、监控系统等方面的内容。目前国家电网公司为了规范内部电动汽车的应用,已经颁布了6项与电动汽车充电站相关的企业标准。目前供电、充电和电池系统应用集成技术和相关标准及规范研究的缺乏,仍然是电动汽车推广应用的主要薄弱环节,给电动汽车下一步的发展和充电设施的统一规划带来了很大的困难。能够保证大规模充电站正常运营的充电站监控系统尚无成熟产品,充电站监控系统和充电机间的通信协议和通信接口尚无统一的标准可以遵循,各充电站之间也无信息联系。2.电动汽车充电电路的工作原理2.1全桥电路的工作原理电动汽车充电的充电电压往往比工业用电电压低，使用全桥电路进行变压。吴鹏：蓄电池充电电路的设计与仿真7全桥电路图图1全桥电路中的逆变电路由四个开关组成，互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压逆变成幅值为Ui的交流电压，加在变压器一次测。改变开关的占空比，就可以改变整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。当IGBT1和IGBT4开通后，二极管VD1、VD4处于通态，电感的电流逐渐上升；IGBT2与IGBT3开通后，二极管VD3和VD2处于通态，电感L的电流也上升。当四个开关都关断时，四个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。IGBT1和IGBT2断态时承受的峰值电压均为Ui。如果IGBT1、IGBT4与IGBT2、IGBT3的导通时间不对称，则交流电压中将含有直流分量，会在变压器一次电流中产生很大的直流分量，并可能造成磁路饱和。因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生。也可以在一次侧贿赂串联一个电容，以阻断直流电流。为了避免同一侧半桥中