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 课程设计指导教师评定成绩表项目分值优秀(100x90)良好(90x80)中等(80x70)及格(70x60)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)：97-1042 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。 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。 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 0.22.0 C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 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 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。 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上下两开关在换流的过程中发生短暂的同时导通 现象而损坏开关，每隔开关各自的占空比不能超过0.5，并应保留裕量。 当滤波电感电流连续时，有 如果输出电感电流不连续，输出电压将高于式（5-55）的计算值，并随负 载的减小而升高，在负载为零的极限情况下， 2.2充电过程需满足的要求 1、恒流充电阶段，充电器充电电流保持恒定，充入电量快速增加，电池 电压上升； 2、恒压充电阶段，充电器充电电压保持恒定，充入电量继续增加，电池 电压缓慢上升，充电电流下降； 3、蓄电池充满，充电电流下降到低于浮充转换电流，充电器充电电压降 低到浮充电压； 3. 电路图参数设计及仿真 3.1 充电过程第一阶段介绍 蓄电池经过放电之后，两端电压会明显低于额定电压。在第一阶段的充 电过程中，保持大电流不变，经设定充电电流为25A，电池内阻会随容量的增 加而增加，电压亦是。但是考虑到不易设定可变电阻以及第一阶段的重点在于 控制输出电流不变，故用阻值为1.92欧姆的电阻代替。下面是闭环电路图（图 2）。 充电过程第一阶段电路图 图2 图中各元件的参数设置说明如下。 PI：Gain=2u，Time Canstant=10u； SUM1:Gain1(+)=1，Gain2(-)=0.1； VDC1：380V直流电压源，根据设计要求； VDC13:2.5V直流电压源，作为给定值，将和测量值的10%作差； VTRI1: 幅值3V，最小值为-2V，频率100000Hz，占空比为0.5，相角延 迟45度的三角波脉冲发生器； VTRI2: 幅值3V，最小值为-2V，频率100000Hz，占空比为0.5，相角延 迟225度的三角波脉冲发生器； TI1：按输出电压与输入的比值Uo:Ui=（2/3）*(n1:n2)=380：（1.92*25） 得一次测与二次侧线圈绕组匝数比为n1:n2=380：72； L=1mH，此数值是经过实验得到的，能将超调量调到适当； C=50uF，此数值是经过实验得到的，能保证输出电压的平稳性； R=1.92欧姆 其输出电流由I12测得。 相比全桥电路增加了由pi调节器等组成的闭环，测量的是输出电流。为 保证电流为25A不变，增加了一个电压设定为2.5V的直流电压器，它与实际 值的10%的差值构成了pi调节器的输入，而pi调节器的输出控制着开关IGBT 的触发信号脉宽。仿真后得到的电路图如下（图3）。 充电过程第一阶段仿真图 图3 可以看到电流保持在25A，稳定性与准确性都很好，基本符合设计要求。 3.2充电过程第二阶段介绍 在第一阶段完成后，电池的电压也会达到额定电压，这也标志充电过程的 第二阶段开始。在这个阶段，充电电压会保持48V不变，充电电流会逐步减小。 下面是闭环电路图（图4）。 充电过程第二阶段电路图 图4 图中各元件的参数设置说明如下。 VDC2：4.8V直流电压源，作为给定值，将和测量值的10%作差； R2=2.304欧姆，由R=(U2)/P求得； 其他参数不变，可依照第一阶段的电路数据。 其输出电压由VP16测得。 充电过程第二阶段仿真图 图5 可以看到电压保持在48V，超调量为0，稳定性与准确性都很好。基本符 合设计要求。 3.3充电过程第三阶段介绍 蓄电池充满，充电电流下降到低于浮充转换电流，充电器充电电压降低到 浮充电压。这里用小电流1A并保持电压48V不变来模仿。下面是闭环电路图 （图6）。 充电过程第二阶段电路图 图6 图中各元件的参数设置说明如下。 R3=48欧姆，由R=U/I求得； 其输出电压由VP13测得。 仿真结果如下（图7）。 充电过程第三阶段仿真图 图7 可以看到电压保持在48V，电流保持在1A，稳定性与准确性都很好，基本 符合设计要求。 3.4 充电过程控制电路 这里的控制信号是人为发出的，其形式是设置电压VDC1的值。当设其值 为1V时，电路工作在充电过程第一阶段；当设其值为2V时，电路工作在充电 过程第二阶段；当设其值为3V时，电路工作在充电过程第三阶段。电路如下 图8所示。 控制电路图 图8 下表能表示一些输入输出的逻辑关系。输入信号（V）123输出信号（上）001输出信号（中）100输出信号（下）010 其中输出信号（上）接第三阶段相关电路，输出信号（中）接第一阶段相 关电路，输出信号（下）接第二阶段相关电路。结果就是：1V时第一阶段电 路接通，2V时第二阶段电路接通，3V时第三阶段电路接通。 电路各器件介绍如下。 VDC1:直流电压器，幅值人为设定； VDC2:直流电压器，幅值为1.5V； VDC3:直流电压器，幅值为2.5V； Comp8、comp10:比较器，若正端电压比负端高，则输出信号为1（“1”表 示“是”），否则为0（“0”表示“否”）。 AND1、AND2、AND3：逻辑“与”； NOT2、NOT3、NOT4：逻辑“非”。 根据以上逻辑分析，可以判定控制电路的正确性。 电路总图如下。 经检验得到的实验结论与期望的相符，仿真结果见前文。充电电路总图 图9 4. 动态过程分析 4.1电源跳变 电源跳变分析即电源支路在零时刻之 后的某一时刻开通的输出分析。如右图10 所示，阶跃信号VSTEP1的Tstep（即阶跃 时刻）为3ms。得到的仿真图如图11。 电源跳变电路图 图10第一阶段电源跳变仿真图 图11 第二阶段电源跳变仿真图 图12 第三阶段电源跳变仿真图 图13 结论：粗略来看，系统快速性很好，而且第一二阶段有超调量。对于闭 环系统，不会因为电源跳变而影响输出的稳定性和准确性。略微误差可能是 添加跳变系统时的IGBT分压导致。 4.2负载跳变 电源跳变分析即电源支路在零时刻之 后的某一时刻开通的输出分析。如右图12 所示，阶跃信号VSTEP1的Tstep（即阶跃 时刻）为3ms。得到的仿真图如图13。 负载跳变电路图 图12第一阶段负载跳变仿真图 图13第二阶段负载跳变仿真图 图13第三阶段负载跳变仿真图 图13 结果分析：可以看到在0.003s时，由于负载电路的突然导通，电路输出最后稳定在48v或25A左右。输出电压幅值误差几乎为0，仍然符合要求。 结论 自动控制系统是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规 律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段。在 开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都 比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。工程上常常从稳态性、快速性和稳定精度三个方面来评估自控系统的性能。与开环系统相比较加入pi调节器的电路后，系统快速性很好，而且不会有超调量。当负载有跳变时，开环的新稳定值大大的改变了，而闭环系统能经过自动调节，重