【電動汽車充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計10000字（論文）】

電動汽車充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著人們生活水平的提高,近年來汽車保有量持續(xù)增加,而由此引發(fā)的環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)峻。電動汽車作為一種可以實現(xiàn)“零排放”的環(huán)保型汽車,是汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢。目前世界上很多國家都加大了對電動汽車的研發(fā)力度。然而,在發(fā)展電動汽車的同時,還要兼顧充電設(shè)施的發(fā)展。充電樁作為電動汽車的“加油站”,在很多地區(qū)投入使用,但是,充電樁的用戶體驗并不盡如人意,快節(jié)奏的生活使電動汽車用戶難以忍受漫長的充電時間。為了解決這個問題,必須大力促進(jìn)快速充電樁的研發(fā)。論文進(jìn)行電動汽車智能充電樁系統(tǒng)的研究,為了使電動汽車充電過程更加智能和快速,其對于電動汽車行業(yè)的發(fā)展,意義十分重大。智能充電樁的充電策略是論文的重點研究內(nèi)容,其充電策略直接影響智能充電樁的充電效果。如今,磷酸鐵鋰電池常被用作電動汽車的動力電池,以磷酸鐵鋰電池為例,研究智能充電樁的充電策略。智能充電樁的充電策略以分段式充電為基礎(chǔ),即在不同充電階段采取不同的充電方法。在第三段正負(fù)脈沖充電時,引入模糊控制器計算負(fù)脈沖強(qiáng)度,以達(dá)到最佳去極化效果。實驗證明,其可以明顯提高充電速度,延長磷酸鐵鋰電池使用壽命。論文對智能充電樁的硬件進(jìn)行了設(shè)計,包括充電單元電路、信號采集單元和人機(jī)交互單元等。針對充電單元的設(shè)計,首先對三相交流電進(jìn)行整流和濾波,采用三相電作為智能充電樁的電源,是因為三相電可以提供智能充電樁所需大電流。然后對輸出直流電進(jìn)行DC-AC-DC變換,在變換時通過控制IGBT通斷來調(diào)節(jié)輸出電流的大小。最后,設(shè)計了放電去極化回路,可以實現(xiàn)無損耗放電過程。關(guān)于信號采集單元,設(shè)計了三個電路用來采集電池充電過程中的電流、電壓和溫度,為充電樁充電策略的實施提供必要的信息。最后對智能充電樁樣機(jī)的相關(guān)功能進(jìn)行了測試,智能充電樁可以正常工作,完成了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞電動汽車；充電樁；快速供電；系統(tǒng)設(shè)計目錄1緒論 頁1緒論1.1設(shè)計背景全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近一百年能源消費的世界在世界上有超過以往的能源消耗和環(huán)境污染，環(huán)境的不可再生資源的枯竭，世界領(lǐng)先的低碳環(huán)保、節(jié)能經(jīng)濟(jì)。在未來的交通中，新能源電動汽車將成為研究和開發(fā)的主流產(chǎn)業(yè)。相關(guān)的配套設(shè)施，如充電站、充電樁的需求和要求不斷提高，通過中國的電動汽車充電設(shè)施的研究，本文將進(jìn)一步分析優(yōu)點和缺點國內(nèi)充電樁，充電樁可以使用節(jié)能和電力的清潔能源，無污染、無排放。電動汽車的使用與充電不同時完成，充電時間慢，充電樁單調(diào)問題。因此，應(yīng)在硬件和軟件方面進(jìn)行研究和改進(jìn)，開發(fā)更方便、科學(xué)、時尚、安全、高效、節(jié)能的電動汽車充電樁設(shè)備。為了使充電樁更加高效、方便，提高使用性能，有必要對充電樁的設(shè)計進(jìn)行合理有效的改進(jìn)和控制。為此，國內(nèi)外對充電樁的發(fā)展進(jìn)行了長期的研究。例如，法國政府協(xié)同法國電力公司（EDF）的公司，并與PSA公司在開發(fā)電動汽車等公司合作；日本東京電力公司宣布，它已成功地開發(fā)了大型快速充電器；美國第一太陽能公司建成5個快速充電樁，在240V的多少電動汽車充電條件下3.5小時。近年來，電動汽車充電技術(shù)在我國取得了一定的突破，電動汽車充電設(shè)施建設(shè)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。深圳比亞迪公司于2006成立了電動車研究所，并在該廠建立了電動汽車、快速充電站和充電樁。2008、北京奧運(yùn)村運(yùn)行了世界上最大的純電動公交車，公交充電控制系統(tǒng)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。北京交通大學(xué)30kw大功率單機(jī)充電器可以三臺，其輸出電壓可調(diào)300v-500v，并可以選擇不同的充電模式。中國已建成36200個快速充電樁和7400個慢充樁前2012，加快充電樁的發(fā)展。在“十五”計劃期間，國家制定了跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略，成立了“電動汽車重大專項科技”，為電動汽車的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)平臺作為研究工作的重點，并在一些關(guān)鍵技術(shù)上取得了較好的進(jìn)展。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國外進(jìn)展由于國外的工業(yè)化進(jìn)程想對我國較早，電動汽車充電樁系統(tǒng)控制的技術(shù)較為成熟，在美國各充電站形式較為靈活、多變，比較具有代表性的為建在停車場邊的電動汽車充電站，美國新澤西的普林斯頓衛(wèi)星公司推出了一種太陽能電動汽車充電站。國外的充電系統(tǒng)都取得了較好的進(jìn)展：①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;②現(xiàn)場工業(yè)總線技術(shù)，如CAN、RS485、LIN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。③Aerovitonment公司的產(chǎn)品可實現(xiàn)充電口充電,用于SAEJ1772標(biāo)準(zhǔn)電動汽車(電動車)和可充電混合動力車(PHEVs),通訊模塊可采用以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、或Zigbee蜂窩通信;特點：物聯(lián)設(shè)置，智能方便。缺點：需進(jìn)行電網(wǎng)升級改造，技術(shù)要求高，成本投入大。④Schneider公司產(chǎn)品分住宅壁掛式、商業(yè)充電樁和快速充電樁三種,可實現(xiàn)1/2充電口充電,通過LEDs顯示充電、故障和功率等狀態(tài),采用RFID身份認(rèn)證和GPRS通訊;特點：更優(yōu)質(zhì)高效的人機(jī)界面。缺點：充電速度慢，對電網(wǎng)的沖擊大,降低電池的壽命。⑤ENSTO公司產(chǎn)品同時支持常規(guī)(16A)和快速(32)充電,支付方式支持RFID卡和手機(jī)支付，特點：支付方便快捷，缺點：充電慢⑥光伏汽車充電站，美國的太陽能遮蔭停車場在圣地亞哥國際機(jī)場部署試驗成功，具有全自動、可移動的特點，并且不需要基坑，不需要建設(shè)審批，也不需要并入電網(wǎng)。它的日光伏發(fā)電量約為16kW·h，可以存儲在22kW·h的儲能裝置中。缺點：光伏發(fā)電不穩(wěn)定性，成本會比較高，具有很大的隨機(jī)性、波動性和間歇性等特點，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差加大、安全運(yùn)行穩(wěn)定性降低、供配電效率減小、電能質(zhì)量問題⑦μC/GUI是美國Micrium公司開發(fā)的一個通用的嵌入式圖形用戶界面，可以適用于任何16/32位CPU和只要有合適驅(qū)動的LCD，可服務(wù)于單任務(wù)操作系統(tǒng)和多任務(wù)操作系統(tǒng)中。μC/GUI所有接口支持適用宏進(jìn)行定義，字符和位圖都可在LCD的任意點顯示，還支持虛擬顯示μC/GUI，具有較強(qiáng)的可移植性。缺點：實現(xiàn)友好的人機(jī)交互界面，需要一個嵌入式圖形用戶界面（GUI）系統(tǒng)的支持。1.2.2國內(nèi)進(jìn)展因為中國起步比較晚，技術(shù)的局限性，為以后的中國的電動汽車充電技術(shù)的研究，但近年來，由于相關(guān)扶持政策、合作、高校、研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)領(lǐng)域的企業(yè)，目前的電動汽車充電技術(shù)取得突破性進(jìn)展。①電動汽車的充電樁、集中器、電池管理系統(tǒng)和充電管理平臺相互補(bǔ)充，構(gòu)成充電樁系統(tǒng)。電動汽車交流充電樁是在交流和直流電源，交流電壓為220V或380V，在充電模式的三階段充電模式，該模式可以大大延長蓄電池的使用壽命，但充電速度緩慢，笨拙枯燥的造型，巨大的。②充電的主要控制方法有時間控制、溫度控制、電壓控制和綜合控制。在實際操作中，時間控制方法簡單，但部分單體在電池充電結(jié)束時帶電充電。溫度控制方法也有缺陷。如果考慮環(huán)境影響和溫度測量系統(tǒng)的響應(yīng)時間，則不能保證電池的充電狀態(tài)。只要確定電壓變化率的值，只要確定電壓變化率的值，電壓變化率法確定充電終止的條件。③充電樁接口：充電樁接口，各個國家和各品牌的種種新缺點：阻礙電動車市場化進(jìn)程，提高開發(fā)成本，不利于供應(yīng)商、運(yùn)營商和用戶的方便使用。缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。④μＣ／ＯＳ－Ⅱ操作系統(tǒng)，移植方便，穩(wěn)定性和可靠性好，系統(tǒng)資源豐富，并提供系統(tǒng)級服務(wù)，可裁剪。缺點：只適合于中小型實時控制系統(tǒng)。⑤Cortex—M3內(nèi)核的微處理器為核心，結(jié)合嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ特點：交流充電樁工作穩(wěn)定、計量準(zhǔn)確、操作簡單、安裝布設(shè)方便，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng)。⑥ＣＳ５４６４電能計量芯片，通過ＭＦ－ＲＣ５２２讀卡芯片實現(xiàn)智能刷卡結(jié)算；特點：對于蓄電池充電保護(hù)與判斷何時為電量充滿狀態(tài)提出了新的方案，并設(shè)計了人性化的人機(jī)交互界面。特點：精確完成電量的計量計費，在戶外電能補(bǔ)給方面，方便用戶使用與后臺人員管理，具有較高的應(yīng)用價值。缺點：未設(shè)置安全保護(hù)功能。1.3問題分析在一般情況下，國內(nèi)在充電樁的研究的已經(jīng)展開，但仍局限于充電器的簡單組合，在充電模式，充電的電動汽車動力電池的正常充電和快速充電參數(shù)仍處于探索階段，設(shè)置的經(jīng)驗，研究了溫度、保溫，電池在充電這些應(yīng)用的充電過程報警和保護(hù)有待進(jìn)一步。國內(nèi)的電動汽車充電樁雖然有些已經(jīng)投入運(yùn)營的發(fā)展，但其綜合性能不理想，效率高，進(jìn)一步開發(fā)高可靠性、高適應(yīng)性和高智能充電樁系統(tǒng)還有很多研究工作需要開展。1.4設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計思路1.4.1設(shè)計內(nèi)容電動汽車智能充電系統(tǒng)的主要目的是實現(xiàn)鉛酸蓄電池的智能充電。特別是智能充電系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)實現(xiàn)以下幾點。（1）可在短時間內(nèi)對電池進(jìn)行充電，使電池容量達(dá)到工作要求。可以檢測電池的初始狀態(tài)，以確定電池組的初始充電狀態(tài)、終端電壓和電池溫度。如果初始電壓低于系統(tǒng)設(shè)定閾值（最小電壓值，也稱為閾值），電池首先充電小電流涓流充電。當(dāng)電池的端電壓達(dá)到設(shè)定閾值時，系統(tǒng)自動切換到快速充電階段，并根據(jù)快速充電策略。當(dāng)電池充滿電時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)移至浮充狀態(tài)，補(bǔ)充電池充電。收費系統(tǒng)在偉流量、快充和浮三種狀態(tài)之間可根據(jù)實際情況，自動切換智能充電。（2）系統(tǒng)電路工作時在電池狀態(tài)可以做到實時監(jiān)控，該系統(tǒng)的實時采樣和分析的參數(shù)，并及時反饋調(diào)整參數(shù)的電池，確保電池在充電電流曲線接近理想曲線的條件下，電池充電。（3）可以防止過充電，電池的硫化，調(diào)整不平衡，減少每個電池，延長電池使用壽命的區(qū)別。（4）在充電系統(tǒng)的整個過程，從開始到最后結(jié)束充電電荷，提高硬件和軟件電路的可靠性，使電路能正常工作，事故沒有造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞和人員傷亡，如能夠檢測電池的溫度，當(dāng)溫度異常時，可以采取措施保護(hù)電路，而其他電路元件（如IGBT）也起到很好的保護(hù)，以保證電路的安全性和電池的安全和人身安全。如果發(fā)生異常，則可以自動轉(zhuǎn)到安全狀態(tài)或停止充電。1.4.2設(shè)計思路緒論緒論智能充電樁系統(tǒng)總體方案快速充電策略的研究電動汽車智能充電樁系統(tǒng)硬件電路設(shè)計充電樁充電狀態(tài)仿真結(jié)果分析結(jié)論圖1-1設(shè)計思路2智能充電樁系統(tǒng)總體方案2.1充電樁充電原理充電樁是固定在地面上為電動汽車提供直流交流電的充電裝置，其還應(yīng)具有顯示、刷卡、計費以及打印充電信息等功能。直流充電樁，通過交流電網(wǎng)對電動汽車動力電池直接進(jìn)行充電的充電裝置。因充電速度較快，所以業(yè)內(nèi)人士也將它稱為“快充”。交流充電樁則不同，交流充電樁是通過交流電網(wǎng)憑借電動汽車車載充電機(jī)對蓄電池進(jìn)行充電的裝置，由于其充電速度較直流充電樁慢，其被稱為“慢充”。兩種充電樁充電方式的區(qū)別可以簡單的概括為：直流充電樁能對電動汽車蓄電池進(jìn)行直接充電，而交流充電樁則需要采用車載充電機(jī)對蓄電進(jìn)進(jìn)行間接充電。另外，兩種充電方式在充電速度上也有很大區(qū)別。對一輛普通電池容量的電動汽車進(jìn)行完全充電（電量從0到100%的充電過程）時，利用交流充電樁需要八個小時左右的時間可以完成。而利用直流充電樁進(jìn)行完全充電時，只需要兩到三個小時。交流充電樁充電過程緩慢是因為電動汽車的車載充電機(jī)的功率較小。而直流充電樁輸出電壓和電流較大，所以其輸出功率也很大，因此直流充電樁可以為電動汽車動力電池進(jìn)行快速充電。2.2智能充電樁需求分析隨著汽車數(shù)量的不斷增加，汽車尾氣排放對環(huán)境造成的危害越來越明顯。石油資源的短缺及環(huán)境問題催生了電動汽車，但由于電池容量有限和充電難等問題，使得電動汽車的發(fā)展在很長一段時間內(nèi)受到阻礙。在國外，電動汽車的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，例如美國的特斯拉公司，隨著充電技術(shù)的進(jìn)步，其電動汽車的電池組充一半電量只需２０ｍｉｎ，一輛６０ｋＷｈ電池組的特斯拉電動汽車充滿電可以續(xù)航３６８ｋｍ［２］.在國內(nèi)，電動汽車發(fā)展起步比較晚，但是發(fā)展的速度非常快。２０１５年１０月９日，國務(wù)院辦公廳下發(fā)《關(guān)于加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》，大力推進(jìn)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，解決電動汽車充電難題，明確提出到２０２０年，基本建成適度超前、車樁相隨、智能高效的充電基礎(chǔ)體系，滿足超過５００萬輛電動汽車的充電需求。從國家大力推行的政策措施來看，電動汽車行業(yè)的巨大需求量是可以預(yù)見的，因此本課題所研究的電動汽車充電樁充電管理系統(tǒng)，對于電動汽車充電樁的推廣和普及具有重要的意義。2.3智能充電樁技術(shù)指標(biāo)標(biāo)識系統(tǒng)，交流充電樁整體形象滿足國家電網(wǎng)公司標(biāo)識系統(tǒng)的一般要求。有明顯的發(fā)光指示，確保夜間使用易于查找和辨別。并配備戶外遮雨設(shè)施。結(jié)構(gòu)要求交流充電樁殼體應(yīng)堅固；結(jié)構(gòu)上須防止手輕易觸及露電部分。設(shè)計外觀標(biāo)識應(yīng)符合國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一要求標(biāo)準(zhǔn)。電源要求：50電源要求采用單相220V；允許電壓波動范圍為220V±10%；頻率：Hz±1Hz。IP防護(hù)等級交流充電樁應(yīng)遵守IP32（在室內(nèi)）或IP54（在室外），室外環(huán)境應(yīng)用時應(yīng)設(shè)置必要的遮雨設(shè)施。三防(防潮濕，防霉變，防鹽霧)保護(hù)：交流充電樁內(nèi)印刷線路板、接插件等電路應(yīng)進(jìn)行防潮濕、防霉變、防鹽霧處理，保證充電機(jī)能在室外潮濕、含鹽霧的環(huán)境下正常運(yùn)行。防銹(防氧化)保護(hù)：交流充電樁鐵質(zhì)外殼和暴露在外的鐵質(zhì)支架、零件應(yīng)采取雙層防銹措施，非鐵質(zhì)的金屬外殼也應(yīng)具有防氧化保護(hù)膜或進(jìn)行防氧化處理。平均故障間隔時間（MTBF）：MTBF應(yīng)不小于30000h。2.4智能充電樁系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2-1它是基于V2G技術(shù)的整體充電框圖，主要包括PWM整流部分、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2-1基于V2G技術(shù)的整體充電框圖可逆PWM整流部分選用的是三相電壓型PWM整流器，即可作電動汽車的充電電源，又可作電動汽車的放電負(fù)載，且在電池的充放電過程中，可實現(xiàn)單位功率因數(shù)，電能雙向流動，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)用其獨特的升降壓功能，自動調(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，縮短充電時間，延長使用周期。3快速充電策略的研究3.1蓄電池快速充電原理美國科學(xué)家馬斯(JosephA"Mas)，在第二屆國際電動車輛會議上，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3-1，充電時，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，不會對電池造成傷害。圖3-1圖3-2如圖3-2，電池在充電過程中，適當(dāng)?shù)膶ζ浯箅娏鞣烹娀蛲３?，可加快充電速度、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，充電時電流接受率。和放電容量C的平方根成反比，有:α=K蓄電池開始充電時，接受的電流為:I0=聯(lián)立式(2-4)和(2-5)得:I0=K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:電池對任何給定的放電量C，充電時電流接受率。和放電電流Id對數(shù)成正比，有:α=K將式(2-5)帶入式(2-7)得:I0=式中:k一計算常數(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是各個電流總和，有:It=綜述，電池的總電流接受率為:α=It式中:I1,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:一個蓄電池，當(dāng)充入任一容量C時，它的充電接受率越高，充電速率越快。蓄電池大電流充電時，可適當(dāng)?shù)募尤敕聪蛩矔r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)，減少充電時間。3.2磷酸鐵鋰電池的常用充電方法鋰電池是個特殊的電池，所以對其充電方式的要求很高。主要有常規(guī)和脈沖快速充電。圖3-3圖3-41.常規(guī)充電如圖3-3，以單體鋰電池為例，電池接通后，先對其恒、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)不到說明電池報廢(這個時間有點長);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，電池容量約為50%-80%，在充電全過程中，該階段充電速度最快，大概半小時;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3-4，該充電法的前兩區(qū)和常規(guī)充電法一樣，此時，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，充電時間越來越短，停充時間越來越長，即脈沖周期越來越長，占空比越來越長。當(dāng)占空比低于5%至10%時，終止充電。該充電方式是集常規(guī)充電和脈沖充電優(yōu)點于一身，可消減極化和析氣現(xiàn)象，提高充電速度，延長電池周期，使用更安全、更貼切用戶使用標(biāo)準(zhǔn)。3.3基于分段式快速充電策略移相PWM全橋變換器一個開關(guān)周期具有12種開關(guān)狀態(tài)即12個工作階段，上半周期和下半周期各包含6個階段，而且上半周期與下半個周期工作基本類似，所以只對上半周期的6個階段做了闡述。首先我們假設(shè)電路中所有開關(guān)管、二極管、電容、變壓器器件均為理想元件，變壓器的原副邊比為K，則全橋變換器的工作過程分析如下。變換器在0-to階段時，Ql與Q4處在導(dǎo)通狀態(tài)，原邊電流ip流經(jīng)Ql、變壓器原邊和Q4，副邊電流流經(jīng)副邊繞組。此時，整流管D01和D03導(dǎo)通，D02與D04截至。t0-t1階段，t0時刻Ql關(guān)斷，Q4繼續(xù)處在導(dǎo)通狀態(tài)。ip轉(zhuǎn)到cpl和cp3支路，對cpl充電，cp3放電。由于寄生電容epl和cp3，所以Ql是零電壓關(guān)斷。此階段中，諧振電感與濾波電感串聯(lián)，而且由于濾波電感很大所以ip近似等于一個恒流源。寄生電容cpl的電壓線性上升，cp3的電壓則線性下降。到tl時刻，cp3的電壓變?yōu)镺，Q3的反并二極管自然導(dǎo)通。此過程結(jié)束。t1-t2階段，Q3的反并二極管導(dǎo)通后使得Q3的電壓箝在零位，此時開通Q3則Q3正好為零電壓開通。t2-t3階段，到達(dá)t2時刻時，關(guān)斷Q4，ip轉(zhuǎn)移到寄生電容印2和cp4中，此時cp2放電而cp4處在充電狀態(tài)。此時Q4的電壓從零開始慢慢上升，因此Q4是零電壓關(guān)斷。變壓器副邊繞組電勢出現(xiàn)上正下負(fù)，整流管D02、D03導(dǎo)通。ts時刻時，cp4的電壓上升至Vin，Q2的反并二極管自然導(dǎo)通，本階段結(jié)束。t3一t4階段，在時刻t3，Q2的反并二極管自然導(dǎo)通，使得Q2的電壓箝在零位，所以Q2此時為零電壓開通。但是由于Q2與Q4之間存在驅(qū)動信號的死區(qū)，因此雖然Q2處在開通狀態(tài)，但沒有電流流過Q2。ip經(jīng)過Q2的反并二極管導(dǎo)通，并通過能量回饋電路的諧振電感反饋到輸入電源。圖3-5工作波形t4一t5階段，在t4時刻時原邊電流ip下降至零，Q2與Q3導(dǎo)通，Q2與Q3的反并二極管同時關(guān)斷無電流流過。此時，原邊電流由正方向過零，并沿負(fù)方向線性增加，但是原邊電流的大小不足以提供負(fù)載電流，因此整流管依然為負(fù)載電流提供回路，所以實際上原邊繞組的電壓值等于零，原邊電流沿負(fù)方向線性增加。至t5時刻，整流管Dol、D04才關(guān)斷，負(fù)載電流全部經(jīng)D02、D03形成回路。t5-t6階段，電源對蓄電池供電。到達(dá)t6時刻時，Q3關(guān)斷，全橋變換器進(jìn)行下半個周期的工作，下半周期的工作情況與上半周期的工作基本類似。3.4改裝經(jīng)濟(jì)性分析為了證明基于分段式快速充電策略對磷酸鐵鋰電池充電效果，對三段式充電和脈沖充電進(jìn)行同條件的實驗驗證，比較其結(jié)果。三段式充電部分實驗數(shù)據(jù)如表3-1所示。表3-1三段式充電實驗數(shù)據(jù)（部分）脈沖充電部分實驗數(shù)據(jù)如表3-2所示。表3-2脈沖充電實驗數(shù)據(jù)（部分）表3-3基于分段式快速充電策略實驗數(shù)據(jù)（部分）將三種充電方法進(jìn)行對比，為了保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對三種充電策略進(jìn)行三次實驗，將三次實驗得到的充電時間和電池端電壓取平均值，得到表3-4三種充電方法比較。以上3種充電方法得到的結(jié)果如表3-4所示，從表格比較知道對同一個磷酸鐵鋰單體電池進(jìn)行充電實驗得到的數(shù)據(jù)得到基于分段式快速充電策略在充電速率上明顯優(yōu)于另外兩種充電方法。表3-4三種充電方法比較基于分段式快速充電策略在充電速率和安全性上表現(xiàn)優(yōu)異。4電動汽車智能充電樁系統(tǒng)硬件電路設(shè)計4.1智能充電樁微處理器單元智能充電樁系統(tǒng)使用TI公司TMS320系列的TMS320LF2407DSP作為其微處理器單元。TMS320LF2407因為其較高的性價比和較為成熟的技術(shù)而廣泛應(yīng)用于大功率充電系統(tǒng)中。TMS320LF2407的主要特點是：（1）供電電壓為3.3V，控制器的功耗較低；（2）指令周期為33ns，控制器執(zhí)行指令速度快，實時控制能力強(qiáng)；（3）片內(nèi)FLASH大小為32KB，數(shù)據(jù)/程序RAM大小為1.5KB；（4）DARAM大小為544B，2K字的SARAM；（5）外部存儲器的存儲空間可擴(kuò)展，程序存儲空間、數(shù)據(jù)存儲空間、I/O尋址等均有64K拓展空間；（6）具有EVA、EVB兩個事件管理模塊；（7）10位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，其最快可達(dá)到500nS；（8）CAN2.0B接口模塊；（9）SCI接口模塊；（10）SPI接口模塊；（11）基于鎖相環(huán)原理的時鐘發(fā)生器；（12）具有40個通用I/O引腳（GPIO），此引腳均可單獨用于編程，也可復(fù)用。微處理器單元是由TMS320LF2407組成，但是它還需要一些外圍電路才能進(jìn)行工作。圖4-1和圖4-2是TMS320LF2407最小系統(tǒng)的外圍電路。其中，圖4-1為最小系統(tǒng)復(fù)位電路，圖4-2為最小系統(tǒng)晶振電路。電路圖如下所示。圖4-1復(fù)位電路圖4-2晶振電路4.2控制系統(tǒng)電源電路設(shè)計控制回路主要由DSP控制器，擴(kuò)展RAM，IGBT驅(qū)動保護(hù)電路，IGBT溫度監(jiān)測電路，去極化放電回路，三相電流電壓監(jiān)控電路，蓄電池狀態(tài)監(jiān)測保護(hù)電路等構(gòu)成，目的是實現(xiàn)充電的智能化。圖4-3控制系統(tǒng)電源電路4.3充電單元電路設(shè)計根據(jù)智能充電系統(tǒng)的功能設(shè)計目標(biāo)確定充電電路的基本功能電路，進(jìn)而確定智能充電電路的大致結(jié)構(gòu)(如圖4-4所示)。充電電路從根本上講是一種大功率的高頻開關(guān)電源。所謂開關(guān)電源，是指采用t·交流一直流一交流—直流’’電路結(jié)構(gòu)的電源裝置。采用開關(guān)電源設(shè)計的突出優(yōu)點是其工作頻率較高的交流環(huán)節(jié)可以使變壓器和濾波器體積變得很小，從而使得充電電路的體積和重量大大降低，具有較好的實用性。圖4-4智能充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電路是主要功能是為蓄電池充電提供電能。充電系統(tǒng)在工作時，主電路和控制回路相互作用，實現(xiàn)對鉛酸蓄電池組的安全、快速和智能充電。5充電樁充電狀態(tài)仿真結(jié)果分析條件給定：整流時直流給定電壓600V，恒流充電電流20A，恒壓充電電壓500V，系統(tǒng)充電運(yùn)行時仿真波形圖如下：(a)電池電流變化曲線（b）電池電壓變化曲線（c）PWM整流器直流側(cè)電流曲線（d）PWM整流器直流側(cè)電壓曲線（e）PWM整流器交流側(cè)有功無功電流曲線（f）PWM整流器交流側(cè)電壓電流曲線圖5-1系統(tǒng)充電運(yùn)行仿真波形圖實驗結(jié)果分析：由圖5-1（a）可以看出：充電樁對電池進(jìn)行先恒流再恒壓的充電過程。恒流充電時充電電流穩(wěn)定在20A,在2s過后系統(tǒng)轉(zhuǎn)為恒壓充電，可以看出隨著時間的增長，此時充電電流在逐漸減小，這符合鋰電池恒壓充電的規(guī)律。由圖5-1（b）可以看出，系統(tǒng)對電池恒流充電時隨時間增長電池電壓逐漸升高，到0.2s時電池電壓逐漸接近額定電壓，再轉(zhuǎn)為恒定電壓對電池充電，以減少大電流對電池的影響，恒壓充電時充電電壓始終穩(wěn)定在500V,此時的充電電流在逐漸減小，如圖5-1（a），當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到6s時，充電電流減少為零，此時充電過程結(jié)束，電池容量已經(jīng)充滿。由圖5-1（d）可以看出，系統(tǒng)帶負(fù)載啟動，經(jīng)很小超調(diào)后，直流電壓很快穩(wěn)定在600V，穩(wěn)態(tài)誤差小。由圖5-1（e)-(f)可以看出，系統(tǒng)經(jīng)短暫調(diào)整，交流測電流有功分量保持為正值，實現(xiàn)了能量的正向傳輸，充電結(jié)束后，有功分量保持為零，交流測電流有功分量始終保持為零，實現(xiàn)了交流測電壓電流單位功率因數(shù)控制，如圖5-1（f）中交流電壓電流同相位，滿足設(shè)計要求。上述分析體現(xiàn)了本文仿真模型和控制策略的正確性。

結(jié)論電力普及是大勢所趨。國內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品外觀呆板，材料單一，人機(jī)交互界面不友好，缺乏時尚感和科學(xué)技術(shù)意識。在設(shè)計上還有很大的改進(jìn)空間。該設(shè)計方案有利于解決社會能源和環(huán)境問題，有利于促進(jìn)國內(nèi)外綠色能源的利用。隨著外觀和智能系統(tǒng)的友好人機(jī)交互設(shè)計技術(shù)和時尚感使我們的生活更加方便，也希望新能源電動汽車在世界上迅速蔓延的貢獻(xiàn)。通過本文的研究，主要達(dá)到了以下基本要求：（1）掌握電動汽車充電樁系統(tǒng)設(shè)計的總體方案；（2）掌握整充電系統(tǒng)的工作原理，研究其調(diào)制策略控制策略；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)會建立適用于電動汽車充電電池的電池模型；（5）實現(xiàn)系統(tǒng)對電池先恒流再恒壓的充電模式及恒流放電模式。

參考文獻(xiàn)[1]譚敏,郭彥軍,白宇峰,張浩,于春菊.電動汽車充電設(shè)施的設(shè)計與探討[J].陜西電力,2014,11:58-60.[2]孟祥軍,梁濤,王興光,陳杰,李建祥.電動汽車智能充電樁的設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息技術(shù)與信息化,2014,06:58-61.[3]田劍.電動汽車智能充電樁的設(shè)計與實現(xiàn)[J].科技與創(chuàng)新,2016,01:22.[4]荊玉珍.智能充電樁支持電動汽車靈活充電[J].商業(yè)觀察,2015,01:68-70.[5]邢蘇,周國平,何碧漪,仲驥.一種新型高精度充電樁系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制,2016,03:190-192.[6]薛冰,蔡磊,王鵬,蔡文昌,王嗣舉.電動汽車智能充電樁管理方案[J].低碳世界,2016,09:221-222.[7]衛(wèi)建榮,袁慶民,李建華,孫景.電動汽車直流充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界,2016,12:35.[8]趙薪智,李盤靖,張歡,任珈漪,張榮磊.電動汽車智能充電路徑規(guī)劃研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)),2016,10:34-39.[9]龔桃榮,劉瑞,秦曉敏,李濤.面向互聯(lián)網(wǎng)的電動汽車智能充電系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].電力建設(shè),2015,07:222-226.[10]殷樹剛,龔桃榮,劉瑞,王明.基于云平臺的電動汽車智能充電系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].供用電,2015,07:43-47.[11]何敏恬,王元峰,張路,王紅蕾.GH-ACCP12電動汽車交流充電樁在智能化小區(qū)的應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表,2015,09:237-238.[12]王宇.電動汽車充電設(shè)施建設(shè)與電氣設(shè)計[J].現(xiàn)代建筑電氣,2015,01:19-22.[13]許林,張騰飛,梁旭.智能化電動汽車充電服務(wù)平臺的設(shè)計[J].計算機(jī)時代,2017,01:24-26.[14]蔡培倫,張珣.基于云計算的智能充電樁管理系統(tǒng)的研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2016