電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文

1、湘潭大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)文檔匯編題 目： 電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 興 湘 學(xué) 院 專 業(yè)： 自 動(dòng) 化 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2016年5月 2目錄一、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)二、畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告三、畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查及評(píng)語四、學(xué)生答辯記錄表五、文獻(xiàn)翻譯2湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 題 目： 電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 興 湘 學(xué) 院 專 業(yè)： 自 動(dòng) 化 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2016年5月 2湘 潭 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目： 電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì) 學(xué)號(hào)： 姓名： 專業(yè)： 自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)基于

2、DC/DC功率變換器的充放電控制系統(tǒng)的電動(dòng)汽車充電樁，主要工作包括PWM整流逆變器的設(shè)計(jì)及其調(diào)制策略，控制策略；雙向DC/DC變換器的主拓?fù)溥x型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)蓄電池先恒流再恒壓的充電及恒流放電控制策略；建立實(shí)驗(yàn)仿真模型，對(duì)充電系統(tǒng)及其控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。 基本要求：（1） 掌握電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)的總體方案 （2） 掌握整流逆變器的工作原理，研究其調(diào)制策略控制策略 （3） 掌握雙向DC/DC功率變換器的工作原理，研究其控制策略 （4） 學(xué)會(huì)建立適用于電動(dòng)汽車充電電池的電池模型 （5） 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)電池先恒流再恒壓的充電模式及恒流放電模式 （6） 建立系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)充電系統(tǒng)及控制策略進(jìn)行驗(yàn)證 二、重

3、點(diǎn)研究的問題 （1） 整流逆變器的工作原理及其調(diào)制策略控制策略 （2） 雙向DC/DC功率變換器的工作原理，研究其控制策略 （3） 系統(tǒng)對(duì)電池先恒流再恒壓的充電模式及恒流放電模式 2三、進(jìn)度安排序號(hào)各階段完成的內(nèi)容完成時(shí)間1查閱資料、工作條件準(zhǔn)備2016.1.16之前2理解基本原理和設(shè)計(jì)方法2016.1.172016.3.143仿真模型搭建和調(diào)試2016.3.152016.4.214中期檢查2016.4.215系統(tǒng)改進(jìn)和撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2016.4.222016.5.106修改畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2016.5.112016.5.207答辯2016.5.21四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1李俄收，吳

4、文民.電動(dòng)汽車蓄電池充電對(duì)電力系統(tǒng)的影響及對(duì)策.華東電力2010 2李瑞生，周逢權(quán)，李獻(xiàn)偉.潮流控制的電動(dòng)汽車智能化充電站.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，20103夏德建.電動(dòng)汽車研究綜述.能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)，20104李曉華，錢虹.新能源汽車行業(yè)技術(shù)瓶頸及發(fā)展趨勢(shì).電源技術(shù)，20115袁琦.可再生能源發(fā)電中的儲(chǔ)能技術(shù).電力電容器與無功補(bǔ)償，20096宋曉芳，薛峰，李威等.智能電網(wǎng)前沿技術(shù)綜述.電力系統(tǒng)通信，20107寇凌峰.區(qū)域電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃的模型與算法.現(xiàn)代電力，20108李瑾.智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車雙向互動(dòng)技術(shù)綜述.供用電技術(shù)，20109李立理，周原冰.我國(guó)發(fā)展電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施若干問題分析.能源技術(shù)

5、經(jīng)濟(jì)，201110 魯莽，周小兵，張維.國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車充電設(shè)施發(fā)展?fàn)顩r研究.華中電力，201011劉剛，胡四全，姚為正.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向PCS的研制.電力電子技術(shù)，201012王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，200213張崇巍，張興.PWM整流器及其控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，200314 伍小杰，喬樹通.三相電壓型PWM整流器控制技術(shù)綜述.電機(jī)工程學(xué)報(bào)，200515王英，陳輝明.三相PWM整流器新型相位幅值控制.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，200317唐杰，鄒愛，李勝剛.逆變器用SPWM波形發(fā)生器的設(shè)計(jì).控制技術(shù)，2010湘 潭 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱表學(xué)號(hào) 姓名 專業(yè) 自 動(dòng) 化 畢業(yè)

6、設(shè)計(jì)題目： 電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；2.難度、份量是否適當(dāng)；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是

7、否通順，有無觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無創(chuàng)新之處。綜合評(píng) 價(jià)評(píng)閱人： 年 月 日3 湘 潭 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)鑒定意見 學(xué)號(hào)： 姓名： 專業(yè)： 自 動(dòng) 化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 64 頁(yè) 圖 表 張?jiān)O(shè)計(jì)題目： 電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì) 內(nèi)容提要： 目前全世界對(duì)電動(dòng)汽車的研究己經(jīng)進(jìn)入白熱化，人們?cè)噲D使其成為21世紀(jì)汽車的發(fā)展主流。電動(dòng)汽車充電設(shè)施是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈中不可忽視的重要組成部分,在大力發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的同時(shí)還應(yīng)充分兼顧充電設(shè)施的發(fā)展，同時(shí)，電動(dòng)汽車充電樁的設(shè)計(jì)及其控制方法的研究對(duì)國(guó)家發(fā)展新能源方向也具有重要意義。 本課題主要研究純電動(dòng)汽車蓄電池的充電系統(tǒng)，基

8、于V2G技術(shù)充電裝置即結(jié)合三相電壓型PWM整流器和DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)可逆充放電，低諧波污染、提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、避免能量浪費(fèi)。可逆PWM整流部分選用的是三相電壓型PWM整流器，即可作電動(dòng)汽車的充電電源，又可作電動(dòng)汽車的放電負(fù)載，且在電池的充放電過程中，可實(shí)現(xiàn)單位功因數(shù)，電能雙向流動(dòng)，低諧波污染等;充放電部分采用的是雙向半橋DC/DC變換器，運(yùn)用其獨(dú)特的升降壓功能，自動(dòng)調(diào)節(jié)降壓充電和升壓放電的轉(zhuǎn)換，采用恒流恒壓充電技術(shù)，消除電池的極化現(xiàn)象，縮短充電時(shí)間，延長(zhǎng)使用周期。本設(shè)計(jì)通過建立系統(tǒng)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試及仿真波形圖的可行性分析，完成對(duì)充放電系統(tǒng)控制策略的正確性驗(yàn)證。 通過仿真研究，以雙向

9、半橋DC/DC變換器為基礎(chǔ)，研究一種基于DC/DC變換器的電動(dòng)汽車充電樁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)，對(duì)雙向DC/DC變換器的控制策略進(jìn)行研究，充電樁的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，工作可靠，性能完全符合設(shè)計(jì)要求。2指導(dǎo)教師評(píng)語指導(dǎo)教師： 年 月 日答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日答辯委員會(huì)意見答辯委員會(huì)主任： 年 月 日II目 錄摘要IAbstractII第一章緒論11.1課題研究背景及其意義11.2充電系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀21.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀21.3研究主要方案簡(jiǎn)介31.4本論文完成的主要工作4第二章鋰電池充放電特性及模型分析42.1鋰電池的介紹42.1.1工作原理42

10、.1.2結(jié)構(gòu)52.1.3充放電特性62.2充電技術(shù)62.2.1理論依據(jù)62.2.2充電方式82.2.3鋰電池的充電方式92.2.4極化現(xiàn)象92.3電池模型102.3.1內(nèi)阻模型112.3.2 Thevenin模型112.3.3四階模型112.3.4 PNGV模型122.3.5 GNL模型122.4本章小結(jié)13第三章 三相電壓型PWM整流器的基本原理與建模分析143.1 PWM整流器基本原理概論143.2可逆充放電裝置中PWM整流器的選擇163.2.1 PWM整流器的分類163.2.2 PWM整流器的選擇173.3三相PWM變流器的工作原理173.4三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型203.4.1三相V

11、SR一般數(shù)學(xué)模型202.4.2兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型222.4.3基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型233.5三相PWM整流器的控制策略252.5.1間接電流控制252.5.2直接電流控制方式262.5.3電壓定向的空間矢量控制273.6本章小結(jié)29II第四章 應(yīng)用于充電樁的雙向DC-DC變流器的研究304.1雙向DC/DC變換器的拓?fù)溥x304.1.1單向DCDC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)304.1.2雙向DCDC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)314.2雙向DC/DC變換器的原理介紹324.2.1雙向Buck/Boost變換器324.2.2雙向半橋變換器334.2.3雙向Cuk變換器344.2.4雙向SEPIC變換器344.

12、3雙向DC/DC變換器的工作模式354.4雙向DC/DC變換器的控制策略394.4.1控制雙向功率流的兩種方法394.4.2雙向DC/DC控制變換器控制策略394.5本章小結(jié)40第五章電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與仿真415.1充電樁控制系統(tǒng)總體控制策略方案研究415.1.1幾種充電模式比較415.1.2充放電控制策略435.2充放電系統(tǒng)主電路參數(shù)選取455.2.1 IGBT的選取455.2.2整流器交流側(cè)電感的選取465.2.3整流器直流側(cè)電容的選取475.2.4 DC/DC儲(chǔ)能電感的選取485.2.5電池的選取485.3三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)495.3.1電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)495.3

13、.2電壓外環(huán)設(shè)計(jì)515.4雙向DC/DC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)525.4.1控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖525.5充放電系統(tǒng)建模與仿真545.5.1充電樁充電狀態(tài)仿真結(jié)果分析555.5.2充電樁放電狀態(tài)仿真結(jié)果分析575.5.3充電樁充放電狀態(tài)仿真結(jié)果分析595.6本章小結(jié)61第六章設(shè)計(jì)總結(jié)與展望62參考文獻(xiàn)64II電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)摘要：電動(dòng)汽車交流充電樁是電動(dòng)汽車充電設(shè)備中最常見的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化與市場(chǎng)化的重要前提。 本文首先詳細(xì)介紹了電動(dòng)汽車充電樁技術(shù)，并對(duì)其功能做了詳細(xì)的分析，根據(jù)電動(dòng)汽車充電站的特殊要求，選擇了電動(dòng)汽車充電裝置的主電路拓?fù)?。分別推導(dǎo)PWM變流器電路和雙向半橋變換器的

14、數(shù)學(xué)模型，對(duì)變流器傳統(tǒng)控制方法和空間矢量控制方法做了對(duì)比仿真，通過仿真結(jié)果分析證明了SVPWM具有更好的控制性能，在開關(guān)頻率較低情況下可以得到良好的波形。其次建立電動(dòng)汽車充電裝置仿真模型，對(duì)蓄電池充電、放電做了仿真研究。結(jié)果表明電動(dòng)汽車充電裝置可以實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)不穩(wěn)定時(shí)向網(wǎng)側(cè)提供能量，并且在充電過程中注入電網(wǎng)電流為正弦波相位與電網(wǎng)電壓相同，放電時(shí)候過程中網(wǎng)側(cè)電流正弦相位與電網(wǎng)電壓相差180，直流母線電壓波動(dòng)小，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好、能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)校正。 搭建了實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電動(dòng)汽車充電樁可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)校正、濾除諧波污染，并能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向流動(dòng)提高了

15、電網(wǎng)的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞:PWM變流器;雙向半橋變換器;空間矢量控制;功率因數(shù)校正IIDesign of charging pile for electric vehicle Abstract：Electric vehicle AC charging pile is one of the most common infrastructure of electric vehicle charging equipment, and it is also an important prerequisite for the realization of industrialization and mark

16、etization of electric vehicles. Firstly, this article describes Electric vehicle charging pile technology, and analyses its function in detail. It selects electric vehicle charging machine maincircuit topology according to the special requirements of electric vehicle charging stations.Then,the mathe

17、matical model of PWM converter and half-bridge converter are deduced respectively. Comparing the traditional controlmethods and SVPWM in simulation, the results confirms that the control performance of the SVPWM is better.Secondly, this article also establishes the electric vehicle charging machine

18、simulation model, then the charging and discharging simulation are completed. The results can prove that the electric vehicle charging machine can provide energy to grid when the grid is unstable. The current injected into the grid is a sine wave and its phase is synchronized with the grid voltage w

19、hen the charging station is in charging mode. While the current is also a sine wave and its phase with a difference of 180 with the grid voltage when the charging station is in discharging mode, its DC bus voltage fluctuations is small, and system dynamic performance is good, meanwhile it can achiev

20、e unity power factor correction. Finally,simulation system experiment platform is built, validatingthe control strategy.Simulation analysis and experimental results certify that electric vehicle charging machine not only can own factor correction and eliminate harmonics, but also can achieve bidirec

21、tional flow of energy, it improves the stability of grid.Keywords: PWM converter; Bidirectional half-bridge converter; SVPWM; PFCIV第一章緒論1.1課題研究背景及其意義 隨著不可再生能源的不斷消耗，即將到來的能源危機(jī)迫使各國(guó)更加重視新能源的開發(fā)。作為一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要支柱的汽車產(chǎn)業(yè)一直是一個(gè)高能源消耗產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在越來越多的人擁有家用汽車，可以預(yù)見在將來人們對(duì)石油資源的需求將會(huì)越來越大。節(jié)能與新能源汽車是汽車產(chǎn)業(yè)解決能源問題的重要突破口，將成為拉動(dòng)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一個(gè)新

22、興產(chǎn)業(yè)。我國(guó)目前己經(jīng)是世界第一的汽車產(chǎn)銷國(guó)，今后一端時(shí)間內(nèi)汽車需求量仍將繼續(xù)保持增長(zhǎng)的勢(shì)頭，由此帶來的能源問題將更加嚴(yán)重，汽車產(chǎn)業(yè)急需升級(jí)和轉(zhuǎn)型來應(yīng)對(duì)此問題。所以大力發(fā)展節(jié)能與新能源汽車，既是有效化解能源危機(jī)的重要手段，也是縮短我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家在汽車產(chǎn)業(yè)上的差距，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)汽車自主創(chuàng)新的重要舉措。 要真正實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的大面積普及和使用，我國(guó)還有很長(zhǎng)的路要走，要解決的問題還有很多。2012年4月國(guó)家發(fā)發(fā)布了節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012一2020年),規(guī)劃指出今后將以純電動(dòng)汽車作為主要的戰(zhàn)略取向,其主要任務(wù)包括了積極推進(jìn)充電設(shè)施建設(shè)，因地制宜建設(shè)慢速充電樁、公共快速充換電設(shè)施。與傳統(tǒng)的充電站

23、相比，電動(dòng)汽車充電樁占地面積很少，路邊只需要1平方的空地就能建設(shè)一個(gè)充電樁，成本很低，很適合在城市中的超市、停車場(chǎng)、住宅小區(qū)等車輛密集停放的區(qū)域建設(shè)。 近幾年來國(guó)家出臺(tái)了一系列電動(dòng)汽車方面的優(yōu)惠政策和措施推動(dòng)了電動(dòng)汽車及其配套基礎(chǔ)充電設(shè)施的飛速發(fā)展。 (1)2001年“十五”863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)3; (2)2006年“十一五”863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目; (3)2009年1月“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程”，對(duì)試 點(diǎn)城市新能源汽車補(bǔ)貼，促進(jìn)試點(diǎn)城市充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè); (4)2012年電動(dòng)汽車科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃5，促進(jìn)能源供 給基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)建設(shè); (5)20

24、12年節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012一2020年)，積 極推進(jìn)充電設(shè)施建設(shè)，因地制宜建設(shè)電動(dòng)汽車充電樁設(shè)施。 從國(guó)家出臺(tái)的各項(xiàng)措施可以看出國(guó)家發(fā)展新能源汽車決心之大，可以預(yù)見一旦電動(dòng)汽車生產(chǎn)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，配套的充電設(shè)施將有很大的需求量。所以本課題所研制的電動(dòng)汽車充電樁作為充電基礎(chǔ)設(shè)施的一部分對(duì)于推進(jìn)電動(dòng)汽車的普及具有重要的意義。1.2充電系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 近年來從產(chǎn)品和技術(shù)兩個(gè)層面上講，國(guó)外的充電系統(tǒng)都取得了較好的進(jìn)展:充電產(chǎn)品隨著控制技術(shù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，擺脫了單一型，朝著多功能、更安全智能的方向發(fā)展;現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線技術(shù)，如CAN, RS485, LI

25、N總線的發(fā)展使得監(jiān)控系統(tǒng)的通信手段多樣化、高速化、安全化。法國(guó)多用核能和水力發(fā)電，其發(fā)電能力充足，據(jù)統(tǒng)計(jì)法國(guó)總發(fā)電量的四分之三來自核電站，六分之一來自水電站，因而其發(fā)電源干凈、電價(jià)便宜，汽車工業(yè)發(fā)達(dá)，因而是世界上最早研制和推廣電動(dòng)汽車的國(guó)家之一。法國(guó)政府協(xié)同EDF(法國(guó)電力)公司，并與PSA公司、Renault(雷諾)汽車公司等多家公司合作，開發(fā)電動(dòng)汽車。在LaRocheHe(拉羅切里市)投資生產(chǎn)了小型4座電動(dòng)汽車50輛，并建造了12座(包括3座快速和9座普通)充電站，目前己經(jīng)投入使用并進(jìn)行了超過2年的試驗(yàn)。口本的新能源汽車也一直處于世界領(lǐng)先水平，東京電力公司己宣布其成功研發(fā)出大型快速充電器，

26、該充電器大大縮短了充電時(shí)間，這對(duì)口本電動(dòng)汽車普及提供了較大的可能性。就充電樁的設(shè)計(jì)和控制為主的充電設(shè)施的建設(shè)，美國(guó)的First Solar公司最早在加州的高速上建造了5座快速充電樁，能夠在240V/ 70A條件下，于3. 5小時(shí)內(nèi)完成對(duì)電動(dòng)汽車的充電。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 由于技術(shù)發(fā)展的限制，我國(guó)進(jìn)入電動(dòng)汽車充電技術(shù)的研究領(lǐng)域晚于國(guó)外，但是近年來得益于相關(guān)的扶持政策，以及高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域的合作，目前電動(dòng)汽車充電技術(shù)己取得了一定的突破，電動(dòng)汽車充電設(shè)施建設(shè)也呈現(xiàn)良好發(fā)展勢(shì)頭。深圳的比亞迪公司在2006年建立了電動(dòng)汽車研究所，在其廠區(qū)內(nèi)還建設(shè)了一些電動(dòng)汽車快速充電站和充電樁。不得不

27、提的是，2008年北京奧運(yùn)村運(yùn)行的純電動(dòng)公交車，該公交車的充電控制系統(tǒng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其能源補(bǔ)給的方式是快速更換充電電池。該充電站到目前為止仍是世界第一的規(guī)模。2009年12月底，深圳兩座電動(dòng)汽車充電站，134個(gè)充電樁正式投入使用，這是由南方電網(wǎng)在深圳投資建設(shè)的首批充電設(shè)施;2010年3月份，唐山的南湖電動(dòng)汽車充電站也正式地投入了商業(yè)運(yùn)營(yíng)，這是由華北電網(wǎng)建設(shè)的第一座典型大型電動(dòng)汽車充電站。為加快電動(dòng)汽車推廣的進(jìn)程，在地方政府的大力支持下，我國(guó)各地紛紛建立了電動(dòng)車充電站。自2010年起，己有多個(gè)省市開始建造充電站，包括了上海、北京、浙江、湖北、河南、重慶等。北京交通大學(xué)研發(fā)的30kw大功率單體

28、充電機(jī)，比較有代表性，該技術(shù)較為成熟，可三臺(tái)并用，其輸出電壓為可調(diào)300V-500V，并可選擇多種充電模式。同時(shí)，包括很多國(guó)內(nèi)高校在內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)在電動(dòng)汽車充電監(jiān)控領(lǐng)域正進(jìn)行著較多的科研工作。我國(guó)2012年前陸續(xù)建設(shè)了包括36200個(gè)快速充電樁和7400個(gè)慢速充電樁，充電樁加快發(fā)展。在“十五”計(jì)劃期間，為實(shí)現(xiàn)能源安全、改善大氣環(huán)境，國(guó)家制定了跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略并設(shè)立了“電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)”，集中了企業(yè)、高校、科研院所的力量進(jìn)行攻關(guān)，把電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)平臺(tái)作為重點(diǎn)研究工作，并在一些關(guān)鍵技術(shù)上取得了較好地進(jìn)展。1.3研究主要方案簡(jiǎn)介 如圖1-1它是基于V2G技術(shù)的整體充電框圖，主要包括PWM整流

29、部分、DC/DC充放電部分及電池組。從網(wǎng)側(cè)直接引交流電經(jīng)整流裝置轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)DC/DC變換裝置給電池組充放電。 圖1-1 可逆PWM整流部分選用的是三相電壓型PWM整流器，即可作電動(dòng)汽車的充電電源，又可作電動(dòng)汽車的放電負(fù)載，且在電池的充放電過程中，可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，電能雙向流動(dòng)，低諧波污染等;充放電部分采用的是雙向半橋DC/DC變換器，運(yùn)用其獨(dú)特的升降壓功能，自動(dòng)調(diào)節(jié)降壓充電和升壓放電的轉(zhuǎn)換，采用脈沖快速充電技術(shù)，消除電池的極化現(xiàn)象，縮短充電時(shí)間，延長(zhǎng)使用周期。1.4本論文完成的主要工作本課題主要研究純電動(dòng)汽車蓄電池的充電系統(tǒng)，基于V2G技術(shù)充電裝置即結(jié)合三相電壓型PWM整流器和DC/

30、DC變換器，實(shí)現(xiàn)可逆充放電，低諧波污染、提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、避免能量浪費(fèi)。 本文主要研究工作有： (1)通過查閱和搜集各種文獻(xiàn)資料，首先簡(jiǎn)單介紹了課題研究背景和意義;然后闡述了電動(dòng)汽車的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顟B(tài)，最后給出了系統(tǒng)的主要方案框圖。 (2)了解電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及電池的充放電特性及模型分析。確定整流逆變器的拓?fù)潆娐愤x型，然后分析三相全橋PWM整流器的工作原理，并對(duì)三相PWM整流器建立數(shù)學(xué)模型，總結(jié)電壓型PWM整流器的控制方式，重點(diǎn)分析充電樁整流器所采用的空間矢量(SVPWM)控制方法。 (4)確定直流變換雙向DC-DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選型，然后概述雙向DC/DC變換器的原理、工作模式及控制

31、模式。(5) 最后建立了充放電機(jī)的matlab仿真模型，對(duì)充電系統(tǒng)及其控制策略進(jìn)行驗(yàn)證分析。第二章鋰電池充放電特性及模型分析2.1鋰電池的介紹2.1.1工作原理 鋰是鋰電池的核心，是自然界最輕的金屬，想獲得高比能量的鏗，需讓鋰電池的電極材料嵌入大量的鋰。鋰電池的種類雖多，工作原理卻均相似。 如圖2-1,鋰電池充電時(shí)，鋰離子從正極材料的晶格中脫離出來，經(jīng)電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入負(fù)極材料的晶格中;放電時(shí)，則是相反過程。在充放電全過程中，鉀離子往返于負(fù)極材料間，稱為“搖椅式電池。鋰電池充放電的化學(xué)反應(yīng)公式:正極反應(yīng) （2-1)負(fù)極反應(yīng): （2-2 )電池充電的總反應(yīng): （2-3）鋰電池放電則是逆反應(yīng)。

32、 圖2-12.1.2結(jié)構(gòu)主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)溶液、隔膜及外殼組成，主要材料組成如下:1)正極材料:活性物質(zhì)是鉆酸鏗、錳酸鏗、磷酸鐵鋰、鎳鉆錳酸鋰、鎳鉆酸 鋰等及其混合物。導(dǎo)電集流體厚度是0.1-0.2mm的電解鋁箔;2)負(fù)極材料:活性物質(zhì)由人造石墨或近似于石墨結(jié)構(gòu)的碳。導(dǎo)電集流體厚度 是0.07-0.15mm的電解銅箔;3)隔膜材料:是聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜或由兩者組成的復(fù)合膜，通鋰離子 阻電子; 4)電解質(zhì)溶液:電解質(zhì)鹽和碳酸酷溶液的混合液; 5)外殼:鋼殼、鋁殼、鍍鎳鐵殼、鋁塑膜等。2.1.3充放電特性在不同倍率的充放電條件下，鋰電池的充放電特性曲線也存在差距性。圖2-2為蘇州星恒電源

33、有限公司生產(chǎn)的XH-lOAh型鏗離子電池組，在不同倍率下的充放電特性曲線圖。 (a)倍率不同時(shí)的充電曲線 (b)倍率不同時(shí)的放電曲線 (c)不同溫度下的放電曲線 圖2-22.2充電技術(shù)2.2.1理論依據(jù) 美國(guó)科學(xué)家馬斯(JosephA " Mas )，在第二屆國(guó)際電動(dòng)車輛會(huì)議上，提出了著名的馬斯三定律，為電池快速充電提供了理論依據(jù)。如圖2-3，充電時(shí)，任何超過充電接受曲線的電流，不僅不能提高充電效率，反而會(huì)增加析氣量和極化現(xiàn)象;低于充電接受曲線的電流，才是電池允許的充電電流，不會(huì)對(duì)電池造成傷害。 圖2-3 圖2-4 如圖2-4，電池在充電過程中，適當(dāng)?shù)膶?duì)其大電流放電或停充，可加快充電

34、速度、提高充電效率、消除極化現(xiàn)象等。 1.馬斯第一定律:電池用任何給定電流放電，充電時(shí)電流接受率。和放電容量C的平方根成反比，有: （2-4） 蓄電池開始充電時(shí)，接受的電流為: （2-5）聯(lián)立式(2-4)和(2-5)得: （2-6）式中:K一放電電流常數(shù)由放電電流大小決定。 2.馬斯第二定律:電池對(duì)任何給定的放電量C，充電時(shí)電流接受率。和放電電流Id對(duì)數(shù)成正比，有: （2-7）將式(2-5 )帶入式( 2-7 )得: （2-8）式中:k一計(jì)算常數(shù)。 3.馬斯第三定律:電池用不同的放電率放電，其能接受的總電流h是各個(gè)電流總和，有: （2-9） 綜述，電池的總電流接受率為: （2-10）式中: I

35、1,I2 , I3 ,I4.一各放電率允許充電電流; Ct一各放電量總和。 馬斯三定律說明:一個(gè)蓄電池，當(dāng)充入任一容量C時(shí)，它的充電接受率越高，充電速率越快。蓄電池大電流充電時(shí)，可適當(dāng)?shù)募尤敕聪蛩矔r(shí)大電流放電，消除極化，使電池的充電接受能力恢復(fù)到原來狀態(tài)，減少充電時(shí)間。2.2.2充電方式 動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車關(guān)鍵性技術(shù)之一，它直接影響著電動(dòng)汽車的整車性能。電池是它的核心，而充電方法則是核心中的重點(diǎn)，選擇正確的充電方法對(duì)于電動(dòng)汽車來說是非常重要。下面介紹了凡種傳統(tǒng)充電方法波形如圖2-5如下。（a）恒流充電 （b）恒壓充電 （c）壓限流充電 圖2-5 1.恒流充電 如圖2-5（a），充電時(shí)，電池電壓

36、不斷升高，電流不斷下降，為了保持電流不變，要不斷升高電源電壓，這對(duì)充電裝置的自動(dòng)調(diào)節(jié)度就高。在電池允許的最大充電電流范圍內(nèi)，充電電流越大，充電速度越快。但一直大電流充電，電池內(nèi)部會(huì)因溫升過高，造成極板上的活性物質(zhì)大量脫落和彎曲，電池容量也會(huì)急速下降，造成電池提前報(bào)廢，該法使用較少。 2.恒壓充電 如圖2-5 (b)，充電時(shí)，電壓一直不變，充電啟動(dòng)電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電池端電壓不斷升高直至充電電壓值，充電電流減小約為零，該法嚴(yán)重影響電池使用壽命，不可取。 3.恒壓限流充電在充電的整個(gè)過程中，分兩個(gè)階段。如圖2-5(c)，在充電的第一階段，用恒定的電流充電;當(dāng)電池的端電壓達(dá)到一定的電壓后，保

37、持此電壓不變，轉(zhuǎn)入第二階段的充電，當(dāng)充電電流下降到一定值后，繼續(xù)維持恒壓充電大約一小時(shí)即可停止充電，該法節(jié)能，充電徹底，是目前常用充電法。2.2.3鋰電池的充電方式鋰電池是個(gè)特殊的電池，所以對(duì)其充電方式的要求很高。主要有常規(guī)和脈沖快速充電。 圖2-6 圖2-7 1.常規(guī)充電 如圖2-6，以單體鋰電池為例，電池接通后，先對(duì)其恒、小電流充電，是為了檢查電池好壞與否。先用C/15速率對(duì)電池涓充，觀察其電壓是否上升到規(guī)定門限電壓2.5V;若達(dá)不到說明電池報(bào)廢(這個(gè)時(shí)間有點(diǎn)長(zhǎng));若能達(dá)到，直接用較大的恒流速率(1C)快速充電，直到電壓達(dá)到恒壓門限電壓4.2V，此時(shí)，電池容量約為50%-80%，在充電全過

38、程中，該階段充電速度最快，大概半小時(shí);然后恒壓充電，隨著電壓不斷升高，充電電流不斷減小，當(dāng)電流達(dá)到C/10或C/15速率，便可停充。該法不能消除電池極化，充電效果不理想。 2.脈沖快速充電 如圖2-7，該充電法的前兩區(qū)和常規(guī)充電法一樣，此時(shí)，充電電流達(dá)到了最大接受電流，不能再持續(xù)大電流充電，否則電池會(huì)因溫升過高和析氣增多而損壞電池甚至導(dǎo)致爆炸。所以電壓達(dá)到4.2V，改為脈沖充電，充電時(shí)間越來越短，停充時(shí)間越來越長(zhǎng)，即脈沖周期越來越長(zhǎng)，占空比越來越長(zhǎng)。當(dāng)占空比低于5%至10%時(shí)，終止充電。 該充電方式是集常規(guī)充電和脈沖充電優(yōu)點(diǎn)于一身，可消減極化和析氣現(xiàn)象，提高充電速度，延長(zhǎng)電池周期，使用更安全、

39、更貼切用戶使用標(biāo)準(zhǔn)。2.2.4極化現(xiàn)象 電池在充電過程中，伴隨著極化現(xiàn)象，極化會(huì)阻礙電池充電、析氣率和溫度升高。電池的極化可分為歐姆極化、電化學(xué)極化、濃差極化三種，各個(gè)極化響應(yīng)速度不同。如圖11，在充放電初期，主要是以電化學(xué)極化為主，其它兩種為輔;中期三者公共參與;末期則主要是濃差極化。整個(gè)過程，歐姆極化變化最小，濃差極化變化最快，電化學(xué)極化介于兩者間。圖2-8 1.歐姆極化 在電池充電過程中，其內(nèi)部的正負(fù)離子分別向正負(fù)極板移動(dòng)，同時(shí)受到了極板和電解質(zhì)溶液電阻的妨礙，導(dǎo)致電池端電壓和溫度升高。充電電流越大，溫升越高，析氣越多，嚴(yán)重影響著電池的容量和使用壽命。 2.電化學(xué)極化 在電池充電過程中，

40、電池的正負(fù)極的活性物質(zhì)與電解質(zhì)溶液間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)反應(yīng)速度遠(yuǎn)不及電子運(yùn)動(dòng)速度，造成正負(fù)極板上積聚的電荷量差距越來越大，電化學(xué)極化也逐漸明顯，阻礙電池充電。 3.濃差極化 在電池充電過程中，因電化學(xué)反應(yīng)速度遠(yuǎn)快于離子運(yùn)動(dòng)速度，使得電池極板上離子濃差明顯，造成了電解質(zhì)溶液的極化現(xiàn)象。充電電流越高，電化學(xué)反應(yīng)越激烈，濃差極化就越明顯，妨礙電池充電。2.3電池模型 全球?qū)τ陔妱?dòng)汽車動(dòng)力電池的研發(fā)、使用及管理都做了很多研究和工作，電池模型主要有電化學(xué)模型、熱模型、藕合模型和電池等效模型四種類型，電池等效模型描述的是電池在工況下的外特性，是電動(dòng)汽車整車仿真的重要部分。 在充電時(shí)，電池其實(shí)是充電器上的

41、一個(gè)負(fù)載，但它既不是阻性負(fù)載，也不是感性或容性負(fù)載，而是個(gè)時(shí)變、動(dòng)態(tài)負(fù)載，充放電特性復(fù)雜，建立準(zhǔn)確的電池等效模型成為整車仿真的主要難點(diǎn)之一。 等效電池模型相較于其他模型，它具有簡(jiǎn)單、直觀、便于建模等特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車整車仿真中，得到了廣泛應(yīng)用。下面介紹了幾款電池等效模型如下所示。2.3.1內(nèi)阻模型 如圖2-9為電池開路電壓;電池極化和歐姆內(nèi)阻等效成內(nèi)阻R，直接通過充電時(shí)，端電壓和電流比值獲得，該模型既未考慮R其實(shí)是隨著電池SOC、電流和溫度等因素而變，也未涉及電池內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性，即該模型只適用仿真電路，不適合電動(dòng)汽車。 圖2-9 內(nèi)阻模型 圖2-10Thevenin模型2.3.2 Thevenin

42、模型 如圖2-10，是在內(nèi)阻模型的基礎(chǔ)上，把電池內(nèi)阻分開分析。R1歐姆內(nèi)阻;R2極化內(nèi)阻;C極化電容，與R2組成回路，用以描述電池特性。 該模型完全考慮到電池內(nèi)部因素變化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只描述電池暫態(tài)特性，不能預(yù)測(cè)電池工作狀態(tài)，對(duì)運(yùn)行中電動(dòng)汽車來不適用。2.3.3四階模型 如圖2-11，由兩個(gè)部分組成:一由R3(電解質(zhì)溶液反應(yīng)的內(nèi)阻)、R2(歐姆內(nèi)阻)和與之并聯(lián)的C2電容、Rl(能量損失的電阻)和與之并聯(lián)的Cl電容組成;二由充放電特性的RS和ES組成。 該模型雖能很好的展示電池動(dòng)靜態(tài)特性，卻為一階系統(tǒng)，而電池是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，所以要提高系統(tǒng)的階數(shù)，得到更準(zhǔn)確的電池特性，隨之而來的便是設(shè)計(jì)的難度變大。

43、首先階數(shù)高了，后期計(jì)算較繁瑣耗時(shí);其次電池參數(shù)難確定，直接影響模型建立，為此，本模型實(shí)際應(yīng)用較少。 圖2-11四階動(dòng)態(tài)模型 圖2-12 PNGV模型2.3.4 PNGV模型 如圖2-12， R1歐姆電阻;R2極化電阻;C2極化電容;C1為負(fù)載電流的時(shí)間積分變化關(guān)系。 電池充放電時(shí)，電流隨著時(shí)間增長(zhǎng)，促使SOC變化，導(dǎo)致Cl上電壓發(fā)生變化，Cl容量既代表電池容量，也代表直流響應(yīng)，填補(bǔ)了Thevenin模型不足，為以后電動(dòng)汽車仿真模型的研究提供了依據(jù)。2.3.5 GNL模型 如圖2-13，R0歐姆電阻;C0儲(chǔ)能電容;R1, C1分別為電化學(xué)極化電阻和電容;R2, C2分別為濃差極化電阻和電容;RS

44、自放電/過充電電阻。該模型對(duì)電池的三種電阻分開來建模，并把電池的過放電/過充電的影響也考慮進(jìn)去，物理意義更明確，更好的反映了電池電壓的變化過程，提高了電池模型的精度，能讓研究人員更好的研究電池容量、充放電時(shí)間、動(dòng)態(tài)特性及暫態(tài)響應(yīng)等性能，是個(gè)較理想的等效模型，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的建模，特別適合鋰電池組的仿真模型研究。 圖2-13 GNL模型2.4本章小結(jié) 本章首先從鋰電池工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)敘述，詳細(xì)介紹了充電方法、理論依據(jù)及影響快速充電的極化現(xiàn)象，然后通過幾款常用電池模型的分析，表明電池特性在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性，最后得出GNL模型是最適合作為鋰電池組的模擬模型。第3章 三相電壓型PWM整

45、流器的基本原理與建模分析 本文蓄電池充電裝置是采用可逆PWM整流器的智能充電裝置，PWM整流器既可工作于整流狀態(tài)又可工作于逆變狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量再生和提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，降低對(duì)電網(wǎng)的諧波污染;并采用饋能放電，將蓄電池電能回饋到電網(wǎng)，節(jié)省電能。三相電壓型PWM整流器是本系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，擔(dān)負(fù)著為蓄電池充電時(shí)提供直流電源及放電時(shí)向電網(wǎng)饋電的功能。本章給出了三相電壓型PWM整流器的基本原理及建模仿真。3.1 PWM整流器基本原理概論P(yáng)WM整流器是一個(gè)可工作在四象限的、交流側(cè)和直流側(cè)全控型的電流變換裝置。首先通過PWM整流器的模型電路來闡述其基本原理。 圖3-1 圖3-1為PWM變流器模型電路。PWM變流

46、器模型電路由主要由三部分構(gòu)成: 交流網(wǎng)絡(luò)、橋式功率開關(guān)管電路以及直流網(wǎng)絡(luò)。其中交流網(wǎng)絡(luò)可以等效為交流電動(dòng)勢(shì)E和網(wǎng)側(cè)電感L的串聯(lián);直流網(wǎng)絡(luò)可以等效為負(fù)載電阻RL和負(fù)載電動(dòng)勢(shì)eL串聯(lián);橋式功率開關(guān)管電路可以是電壓型橋路也可以使電流型橋路。 忽略功率開關(guān)管橋路的損耗，根據(jù)交流側(cè)和直流側(cè)功率平衡關(guān)系可得3.1式 （3-1）式中: V , I 一交流側(cè)電壓、電流; Vdc, ldc一直流側(cè)電壓、電流。由式(3.1)可知:模型電路的的交，直流兩側(cè)相互制約。下面通過分析模型電路的交流側(cè)電壓電流來研究PWM變流器的運(yùn)行原理。為簡(jiǎn)化分析，忽略PWM的諧波分量，只考慮基波，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，PWM交流側(cè)電壓電流矢量關(guān)系如圖3.2所示。以E為參考矢量