电动汽车充电桩的设计方案

电动汽车充电桩的设计方案

目录

前言.................................................................

第一章选题背景.......................................................................2

1.1题目来源........................................................................2

1.2选题目的和意义.................................................................2

1.3国内外现状和发展趋势...........................................................5

第二章基本理论.......................................................................9

2.1实现电动汽车充电的基本条件.....................................................9

2.2硬件设计理论....................................................................9

2.3充电桩运行模式....................................................7

第三章电动汽车智能充电电路设计.....................................................20

3.1系统基本功能..................................................................20

(2)工作过程........................................................................30

工作波形...........................................................................32

IGBT的转移特性和输出特性..........................................................36

2MBLL00L-120的等效电路............................................................38

第四章三相桥式整流与逆变电路的MATLAB仿真........................................49

第五章总结..........................................................................51

8.1全文工作总结...................................................

8.2研究中存在的问题及改进思路....................................

电动汽车充电桩的设计

第一章选题背景

1.1题目来源

近年来，世界汽车界加快了纯电动、混合动力、燃料电池

等清洁能源车型开发的步伐，多种车型、多种能源方式的电动

汽车已经投入批量生产。其中法国有7000辆，日本有10万辆电

动汽车产品投放市场，其它欧美国家生产数量平均在1000辆左

右。据美国能源部预测，从1999年到2007年世界电动汽车的销

量将平均每年增长60%,到2007年的销量将达到101万辆。

1.2选题目的和意义

我国在“八五”、“九五”期间，都连续将电动汽车列为

国家重大科技攻关项目，“十五”期间，更是以产业化为目标,

将电动汽车列为“863计划”重大专项，积极推广与探索电动汽

车的示范运营。经过近几年的技术攻关，在电动汽车一些关键

技术上取得了阶段性的成果，以武汉、株洲、杭州等地为代表

的电动汽车示范运营也已全面展开。目前，我国与发达国家在

电动汽车的研制水平相比虽有差距，但较传统内燃汽车而言，

差距相对较小。因此，以发展电动汽车为主攻方向，是我国汽

车工业实现跨越式发展，赶超发达国家汽车工业的机遇。

电动汽车充电桩的设计

万向集团自1999年开始启动电动汽车及其关键技术研发项

目，通过多年的技术攻关，集团在电动汽车动力电池、一体化

电机、电控系统等关键技术领域为进一步推进电动汽车产业化

研制打下了较好的基础。为此，万向集团电动汽车项目也被国

家科技部列入了“十五”863电动汽车重大专项计划，2004年10

月，杭州被列为国家电动汽车示范运营城市，由万向电动汽车

有限公司承担的863重大专项“杭州市工况下电动汽车运行考核

试验研究”项目正式启动。为此，本文针对此项目的主要研究

内容，在电动汽车充电桩的建设、示范运营试验研究等方面开

展研究工作。

1.2课题来源及国家“863”计划电动汽车重大专项简介

为维护我国能源安全，改善大气环境，提高加入WT0后

我国汽车工业的竞争力，2001年9月，中国科技部在“十五”

期间的国家“863”计划中，特别设立了电动汽车重大专项。

专项将从国家汽车

产业发展战略的高度出发，选择新一代电动汽车技术作为我国

汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，

以官、产、学、研四位一体的方式，联合进行攻关。计划在“十

五”期间，促进我国符合市场经济发展要求的研发体系、机制

和人才队伍的形成，以电动汽车的产业化技术平台为工作重

点，力争在电动汽车关键单元技术、

电动汽车充电桩的设计

系统集成技术及整车技术上取得重大突破，集中有限资源抢占

新一代电动汽车制高点，促进我国汽车工业实现跨越式发展。

电动汽车重大专项提出“三纵三横”研究开发布局。“三

横”是指纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的整车，

“三纵”是指电池、电机和控制系统的关键零部件。强调建立

符合整车开发规律的严密的整车开发程序，提出以整车开发为

主导，关键零部件和相关材料紧密结合、基础设施协调发展，

政策法规、技术标准与评估技术同步展开的基本方针，作为国

内汽车科技项目的一个探索，以保证电动汽车重大专项产品化

和产业化目标的实现。该项目的运作强调创新：要求各项目组

成立科技公司，专门负责开发工作。不仅所参加的各法人单位

要入股，其中的主要研发人员也要入股，形成责任捆绑。目前

该项目的科研资金已经大大超过国家没入的近9个亿，总共达到

25亿元以上。

本课题属于国家高技术研究发展计划（863计划）电动汽车

重大专项的子项目“杭州市工况下电动汽车运行考核试验研究”

（课题编号：2005AA501980）,由万向电动汽车有限公司承担，

项目主要研究

内容包括：

（1）研究杭州市工况下电动汽车运行维护体系建设规范（充电

桩布局、充电模式及充电设备的技术参数要求）;

电动汽车充电桩的设计

(2)完成基于快换式电池组的智能充电桩信息系统的建设；

(3)完成一套车载测试系统的开发；

(4)完成车载信息平台的开发，完成车辆运行信息的采集、显

示、报警与传输；

(5)应用车载测试系统，对杭州市公交车进行行驶工况的统计

及分析研究；

(6)依托所开发的车载信息平台与车载测试系统，研究电动公

交车和电动出租车在杭州市工况下的运行参数和运行模

式，对电动汽车的设计及产品改进提供依据；

1.3国内外现状和发展趋势

智能充电桩的研究是与电动汽车产业化同步发展的，我国

与西欧、北美等发达国家基本上处于同一起跑线上。但在一些

简易充电桩的建设上，北美等发达国家显然已经走在前头，譬

如美国，由于政府的鼓励与法律政策的扶持，电动汽车数量相

对较多，通用汽车公司生产的EV1、日本丰田公司的RAV4EV等已

经在美国进入了家庭，在其大多数城市内均已建立了多个简易

充电桩，包括非接触式充电桩与接线式充电桩。其充电桩一般

建在一些大的停车场车位、公园、维修站、以及汽车旅馆等地

方，在城市地图与服务信息台可以很方便地查到每个城市的充

电桩位置与充电桩类型。这些充电桩只是给电动汽车提供短时、

电动汽车充电桩的设计

快速的充电服务，具有智能收费系统，但是各充电桩之间是孤

立的，没有统一的信息管理系统。

在我国，充电桩的研究随着电动汽车示范运行的开展也已

经开始取得了一些突破性的进展。2003年8月，天津市重大科技

攻关项目之〜的电动汽车示范充电桩通过了有关专家的评审验

收，这是天津市首家电动汽车充电桩。至2004年5月，北京密云

电动汽车示范运行的充电桩建设目前基本完毕，采用11台深圳

强能电气有限公司生产的30KW智能充电机组合而成。北京121路

电动公交车示范运行区内的121路公交总站充电桩于2004年10

月完成建设，利用原电车的600V直流电网提供充电桩电源，其

充电机可以进行联机运行。白天电动汽车快速充电时可以采用

三台充电机并联给一组电池提供大电流、短时的电量补充，晚

场采用一对一的正常充电，对电池组进行维护保养。2006年6月,

比亚迪电动汽车在上海松江汽车研究院厂区内部也建成一座与

加油站类似的充电桩，可以对充电量进行智能收费，一次充电

时间大约需要6个小时。此外，在株洲、武汉等地区，由于电动

汽车示范运营的开展，都建立了不同规模的充电桩。

总的来讲，国内在充电桩的研究的已经展开，但目前仍然

局限于多台充电机的简单组合，在电动汽车动力电池组的快速

充电与正常充电的充电模式、充电参数的设置方面仍处于经验

电动汽车充电桩的设计

设置、摸索阶段，在充电过程中电池的温度、绝缘、过充的报

警和保护这些应用方面的研究则有待深入。国内所开发的电动

汽车充电桩有些虽已投入运行，但其综合性能指标并不太理

想，进一步开发高效、高可靠性、高适应性和高通用性的智能

充电桩系统仍有大量研究工作需要深入开展。

早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL

的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在

8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片

机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提

高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到

很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技

术得到了巨大的提高。随着INTELi960系列特别是后来的ARM

系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地

位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了

飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端

的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的

专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的

型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境

下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系

列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片

电动汽车充电桩的设计

机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

1.4课题的设计目的

1.巩固、加深和扩大电力电子应用的知识面，提高综

合及灵活运用所学知识解决问题的能力。

2.培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及

文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。

3.通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉

电力电子的开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步

骤。

电动汽车充电桩的设计

第二章基本理论

2.1实现电动汽车充电的基本条件

标识系统交流充电桩整体形象满足国家电网公司标识

系统的一般要求。有明显的发光指示，确保夜间使用易

于查找和辨别。并配备户外遮雨设施。结构要求交流充电

桩壳体应坚固；结构上须防止手轻易触及露电部分。没计

外观标识应符合国家电网公司统一要求标准。电源要求：

50电源要求采用单相220V；允许电压波动范围为220V

±10%；频率：Hz±lHzoIP防护等级交流充电桩应遵

守IP32（在室内）或IP54（在室外）,室外环境应用时

应设置必要的遮雨设施。三防（防潮湿，防霉变，防盐雾）

保护：交流充电桩内印刷线路板、接插件等电路应进行防

潮湿、防霉变、防盐雾处理，保证充电机能在室外潮湿、

含盐雾的环境下正常运行。防锈（防氧化）保护：交流充

电桩铁质外壳和暴露在外的铁质支架、零件应采取双层防

锈措施，非铁质的金属外壳也应具有防氧化保护膜或进行

防氧化处理。平均故障间隔时间（MTBF）：MTBF应不小

于30000ho

2.2硬件设计理论

1、充电机以隔离型桥式DC/DC变换器为主体结构。

电动汽车充电桩的设计

2、控制系统由驱动板和单片机(CPU)控制系统组成。

3、人机接口由按键和六位数码管组成。

4、充电机内部装有输入/输出电能计量装置。

5、最大输出功率50KW,最大输出电流100A,最高输出电

压500V。长期额定使用的最大输出电流为80A,最高输出电压为

480Vo

6、具有恒流和恒压运行模式。

7、充电过程的多模式控制。整个充电过程都由充电机内

部的CPU控制，最多可以将整个充电过程分成六个阶段，每个

阶段的运行参数和不同阶段间的转换条件都存储在非易失性

存储器(EEPROM)中，可以通过充电机的键盘或计算机监控网络

来修改参数。

8、具有计算机远程监控能力。充电机带有隔离485通信

接口，通过隔离485通信接口可以组成计算机监控网络，监视

和记录每台充电机的运行数据、修改每台充电机的运行参数、

控制充电机的启动和停机。

9、具有并联运行能力，两台甚至三台充电机可并联运行。

每台充电机都有工作模式选择开关，可以选择单机或并联运行

模式。当多台充电机并联运行时，其中一台充电机应设置为并

联主机，其余设置成并联从机。所有操作在并联主机上进行。

并联从机会自动跟随并联主机运行。

电动汽车充电桩的设计

10、具有完善的保护功能。充电机提供两大类故障保护：

可恢复故障和不可恢复故障。对于可恢复故障，当故障消失后,

充电机可自动恢复运行。对于不可恢复故障，为保证人身及设

备安全，必须人工恢复。

2.3充电桩运行模式

针对电池充电的要求，充电机可以有两种不同的运行输出

模式：

1、恒流模式：恒流模式是以输出电流作为反馈量，控制

系统保持充电机输出电流恒定；

2、恒压模式：恒压模式是以输出电压作为反馈量，控制

系统保持充电机输出电压恒定。对于电池充电，为了快速充电

同时延长电池的使用寿命，在一个完整的充电过程中，不能完

全采用一种模式进行充电，而应该将整个充电过程分成不同的

阶段，不同的阶段采用不同的运行模式和运行参数，同时在不

同阶段之间设置阶段转换条件，当充电机的运行状态满足阶段

转换条件时，充电机可以从当前运行阶段变成下一个阶段运

行。本充电机可以将一个充电过程划分成最少1个，最多6个

不同的运行阶段。每个阶段的运行参数包括：

1、运行模式：恒流或恒压

电动汽车充电桩的设计

2、给定参数：如果运行模式是恒流方式，给定参数为输

出给定电流，。如果运行模式是恒压方式，给定参数为输出给

定电压。

3、限制参数：对于电池负载，在恒流条件下，有可能控

制系统为满足设定的输出电流值，而使充电机的输出电压超过

电池组的最大电压限制。在恒压条件下，有可能控制系统为满

足设定的输出电压值，而使充电机的输出电流超过电池组的最

大电流限制。为了解决这个问题，在充电机的控制系统中，有

一个限制输出部分。在恒流状态下，限制输出部分会对输出电

压和设定的限制最大电压进行比较，若输出电压小于最大限制

电压，控制系统保持输出电流等于给定电流，若输出电压大于

最大限制电压，控制系统将不再保持输出电流等与给定电流，

而是保证输出电压小与最大限制电压。在恒压状态下，限制输

出部分会对输出电流和设定的最大限制电流比较，若输出电流

小于最大限制电流，控制系统保持输出电压等于给定电压，若

输出电流大于最大限制电流，控制系统将不再保持输出电压等

于给定电压，而是保证输出电流小于最大限制电流。采用以上

措施的目的，就是为了保护电池，防止电池在充电过程中受到

损伤。所以在每个阶段的运行参数中包括一个限制输出值。若

运行模式是恒流，限制输出值为最大输出电压。若运行模式是

电动汽车充电桩的设计

恒压，限制输出值为最大输出电流。

4、停止参数：停止参数的含义是当充电机的实际运行状

态满足设定的停止参数，充电机会自动转入下一个阶段运行，

若当前运行的是最后一个阶段，当充电机的实际运行状态满足

设定的停止参数，控制系统会关闭充电机。若充电机的运行模

式是恒流，用户可以选择的停止条件有输出电压或运行时间两

种。若用户选择停止条件是输出电压，在恒流充电过程中电池

电压上涨到设定的停止输出电压值时，系统结束本阶段的运

行，转入下一阶段运行。若用户选择的停止条件是运行时间，

若本阶段的运行时间等于设定的停止时间，系统结束本阶段的

运行，转入下一阶段运行。若充电机的运行模式是恒压，用户

可以选择的停止条件有输出电流或运行时间两种。若用户选择

停止条件是输出电流，在恒压充电过程中输出电流下降到设定

的停止输出电流值时，系统结束本阶段的运行，转入下一阶段

运行。若用户选择的停止条件是运行时间，当本阶段的运行时

间等于设定的停止时间，系统结束本阶段的运行，转入下一阶

段运行。把运行模式和停止条件组和起来，充电机可以有四种

运行模式：恒流限压、恒流定时、恒压限流、恒压定时。充电

机所有运行参数都存入控制板的内部EEPROM中，所有参数可

通过充电机面板或计算机监控网络来设置,EEPROM中的数据具

电动汽车充电桩的设计

有记忆功能，若用户不想修改数据，可直接启动充电机，不必

再次输入运行参数，充电机将按照上次修改的参数运行。

2.4基本原理介绍。

电动汽车充电桩作为电动汽车的能量补给装置，其充电性

能关系到电池组的使用寿命、充电时间。这也是消费者在购买

电动汽车之前最为关心的一个方面之一。实现对动力电池快

速、高效、安全、合理的电量补给是电动汽车充电器设计的基

本原则，另外，还要考虑充电器对各种动力电池的适用性。图

1所示为快速充电器的控制系统组成，该系统区别于传统充电

器所采用的连续电流充电和脉冲电流充电方式，采用了智能化

的变脉冲充电方式，即采用如图2所示的充电电流脉冲，包括

充电脉冲间歇脉冲以及放电脉冲

T1T2T3O

电动汽车充电桩的设计

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图i变脉冲快速充电系统组成

busbar,ue.cn

图2充电电流脉冲

电动汽车充电桩的设计

图3为典型的地面充电站中充电器的方案，该充电器由一个能

将输人的交流电转换为直流电的整流器和一个能调节直流电

功率的功率转换器组成，通过把带电线的插头插入电动汽车上

配套的插座中，直流电能就输入蓄电池对其充电。充电器设置

了一个锁止杠杆以利于插入和取出插头，同时杠杆还能提供一

个确定已经锁紧的信号以确保安全。根据充电器和车上电池管

理系统相互之间的通讯，功率转换器能在线调节直流充电功

率，而且充电器能显示充电电压、充电电流、充电量和充电费

用。这只是充电桩的基本原理，许多细节问题都应在实际应用

中不断改进，己得到最便捷的使用方案。

电动汽车充电桩的设计

◎祖流器功率料换器

电力躯动

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假止杠杆

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图3典型的地面充电站充电器

电动汽车充电桩的设计

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〜220喝入

图3-15交流充电桩原理拓扑图

功能特点

1）人机交互界面采用大屏幕LCD彩色触摸屏，充电

可选择定电量、定时间、定金额、自动（充满为止）四

种模式；显示当前充电模式、时间（已充电时间、剩余

充电时间）、电量（已充电电量、待充电电量）及当前

计费信息。

2）读卡器用于身份识别、记录电量消费信息。打印

机用于消费票据打印。

3）完备的安全防护措施：

紧急停止充电按钮；

输出过流保护功能；

输出漏电保护功能；

电动汽车充电桩的设计

自动判断充电连接器、充电电缆

是否正确连接。当交流充电桩与电动汽车正确连接

后，充电桩才能允许启动充电过程；当交流充电桩检

测到与电动汽车连接不正常时，立即停止充电；

具有阻燃功能。

技术指标

1)环境条件

工作温度：一20℃〜+50℃；

相对湿度：5%〜95%；

海拔高度：W2000米。

2)工作电源

交流工作电压：220V土15%；

交流工作频率：50Hz±lHz；

额定输出功率：3.5kW、7kWo

3)结构防护

充电桩壳体坚固，防护等级

IP54,结构上防止手触及带电部分。

充电桩金属外壳和零件采用双

层防锈处理，非金属外壳具有防氧化保护膜或进行防

氧化处理。

电动汽车充电桩的设计

充电桩内部印制电路板、接插件

进行防潮湿、防霉变、防烟雾处理，满足TH工作条

件。

4)平均故障间隔时间：MTBF^50000ho

第三章电动汽车智能充电电路设计

3.1系统基本功能

电动汽车智能充电系统的设计，主要目的是实现铅酸蓄电

池组智能充电，具体而言，智能充电系统的设计应该实现以下

几点t

(1)它在较短的时间内能够实现对蓄电池组的充电，使其电

池容量达到工作的要求。能够对电池组的初始状态做出检测，

确定蓄电池组的初始荷电状态，端电压，电池温度。如果初始

电压值低于系统设定的阀值(最小电压值，又称门限值)时，则

首先对电池组进行小电流涓流充电。直到电池组的端电压达到

设定的阀值时，系统再自动转入快速充电阶段，按照设定的快

速充电策略对电池组进行快速充电。当蓄电池充满电之后，系

统自动转入浮充状态，对蓄电池组进行补足充电。系统在渭流

充电，快速充电和浮充三种状态之间能够根据实际情况，自动

做出切换实现充电的智能性。

(2)系统电路在工作时，能够对蓄电池组的状态做到实时监

电动汽车充电桩的设计

测，对系统参数进行实时采样和分析，并及时做出反馈调整蓄

电池充电的相关参数，保证蓄电池组在其充电电流曲线近似逼

近理想曲线的状态下对电池组进行充电。

(3)能防过充、去硫化，对蓄电池组存在的不均衡性进行调

整，减小每个蓄电池之间的差异性，延长蓄电池组的使用寿命。

(4)系统在充电的整个过程中，从充电初期到最后充电结

束，通过硬件和软件的手段提高电路的可靠性，使得电路能够

正常的工作，不会出现意外情况造成设备严重损坏和人员伤亡,

如能够对蓄电池的温度进行检测，当温度出现异常时能够对电

路采取保护措施，同时对其他电路元件(如IGBT)也起到很好的

保护，从而保证电路和蓄电池组的安全性以及人身安全。如果

出现异常，能够自动转入安全状态或者停充。

3.2充电主电路

充电主电路原理图如图5.1所示，主电路主要有市电输

入端、三相桥式整流滤波电路、DC.DC全桥功率变换电路、放

电回路构成。

电动汽车充电桩的设计

充电主电路原理图

电路输入为三相380V交流市电，市电输入端电路接有保险

丝或者闸刀，以防止电网输入时出现波动对电路造成的损害，

对电路起到保护作用。采用三相桥式整流电路，对输入交流电

进行整流；其输出端由滤波电感和滤波电容构成三相输入整流

的滤波电路，对整流电压和电流波形做平滑化处理。DC.DC全

桥功率变换电路是充电主电路的核心部分，通过IGBT电路和高

频变压器的作用提高系统的能量转化效率，并通过控制器DSP的

控制实现多段恒流充电与脉冲充电的控制策略。去极化回路由

IGBT开关管Q5和滤波电容构成，由于电池在消除极化时需要负

脉冲放电，因此它构成蓄电池放电通路。

3.3充电系统基本参数的确定

电动汽车充电桩的设计

充电系统的设计，需要考虑两个方面的因素，其一是蓄电

池组的相关信息，其二是电动汽车的要求，因为充电系统的设

计是依托于电动汽车进行的，所以在设计时这两种因素都要考

虑进去。

(1)充电电压范围

针对某具体项目的要求，动力电池组采用阀控铅酸电池，

电池组由10个12V10Ah的蓄电池构成，总动力电压为120V。单格

蓄电池理想电压为2.0V,其充电饱和电压如果假设为2.5V,

那么就有蓄电池组的极限端电压为：120Vx2.5/2.0=150Vo

充电电路在工作时还需要考虑到一定的域量，也就是说为

了保证电路的可靠性和安全性，我们将蓄电池的充电电压最大

值取为180V,这样，充电系统的输出端电压应在0〜180V内可调。

(2)充电电流范围

充电电流的大小要求在工作时也是可调的，系统采用10Ah

的蓄电池，如果采用1C的充电率进行充电，充电电流大小为10A；

采用2c的充电率时，系统充电电流大小为20A。在设计充电电路

时还要考虑到电路的通用性，即保证充电电路可以对至少同一

型号的不同电压值(蓄电池端电压值＜120V)的蓄电池组充电，所

以系统充电电流设定在0,—60A内可调。

3.4充电电路结构

根据智能充电系统的功能设计目标确定充电电路的基本功

电动汽车充电桩的设计

能电路，进而确定智能充电电路的大致结构（如图4.1所示）。

充电电路从根本上讲是一种大功率的高频开关电源。所谓开关

电源，是指采用t•交流一直流一交流一直流''电路结构的电

源装置。采用开关电源设订的突出优点是其工作频率较高的交

流环节可以使变压器和滤波器体积变得很小，从而使得充电电

路的体积和重量大大降低，具有较好的实用性。同时，电路中

采用功率变换电路，提高了工作频率，从而提高了电路的电能

利用效率，这对节能而言是具有重

充

电

三相交

主

电流输入

路

充

电

控

制

回

路

智能充电系统结构图

智能充电系统的电路包括两大部分，充电主电路和充电控

制回路。充电主电路由三相输入整流滤波电路、DC.DC全桥功

率变换电路构成，充电主电路是主要功能是为蓄电池充电提供

电动汽车充电桩的设计

电能。控制回路主要由DSP控制器，扩展RAM,IGBT驱动保护电

路，IGBT温度监测电路，去极化放电回路，三相电流电压监控

电路，蓄电池状态监测保护电路等构成，目的是实现充电的智

能化。充电系统在工作时，主电路和控制回路相互作用，实现

对铅酸蓄电池组的安全、快速和智能充电。

电动汽车充电桩的设计

第四章整流电路的设计

三相桥式整流电路

三相整流滤波电路由6个二极管，滤波电容C1,交流侧电感

以及为抑制冲击电流而串联的电感h构成。

理想情况下，不考虑Lb的存在，只考虑含有C1的情况。此

时，当其中某一对二极管导通时输出的直流电压等于交流侧线

电压中最大的一个，该线电压向电容供电，也向负载供电。当

没有二极管导通时，由电容向负载放电，碉按指数规律下降。

假设二极管在距离线电压过零点6角处开始导通，并以二极

管VD6和VD1开始导通的时刻为时间零点，则线电压为

ihb=2sin(6X+S)

而相电压为

Ua=>/2(72sin(&*4-J--)

当归0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于Uab；

下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2,直流测电压等于U8。

电动汽车充电桩的设计

对于充电系统而言，电路中存在交流侧电感和为抑制冲击

电流而串联在电路中的滤波电感h。此时，电路中电流波形的前

言会比较平缓，有利于电路的正常工作，可见滤波电容与滤波

电感同时存在能够保证电路的合理性。

第五章逆变电路的设计

5.1DC.DC全桥变换器结构的选择

现代电力电子装置愈来愈趋向于小型化和轻量化，必然要

求开关频率越来越高，智能充电系统的设计也是如此。但是当

开关频率很高时，会给充电电路造成严重的噪声污染和开关损

耗，且产生严重的电磁干扰，软开关技术的出现解决了这一系

列问题。所谓软开关技术，是指通过辅助的谐振电路使开关管

开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，这样实现了在

零电压情况下开通或者在零电流条件下关断，从而大大降低了

开关功率损耗，减少了噪声污染和电磁干扰。

全桥变换器目前应用比较较为广泛的主要有零电压软开关

(ZVS)和零电压零电流软开关(ZVZCS)两种，此外还有零电流软

开关(ZCS)的形式。

(1)零电压软开关[zvs]

使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生

电动汽车充电桩的设计

损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压软开

关。移相脉宽调制技术(PWM)控制的全桥ZVS变换器，它的优点

是拓扑简单，开关器件电压电流应力小。这种拓扑结构使器件

的杂散参数得以利用到电路工作中，实现主耍开关器件的零电

压软开关。但是它的缺点是，初级环流在次级换流期间会造成

较大的导通损耗，需要较大的滤波电感才能实现滞后桥臂的软

开关，占空比容易丢失，因此限制了这种拓扑在更大功率场合

的应用。

(2)零电流软开关[zcs]

使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗

和噪声，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流软开关。

ZCS全桥变换器使桥式逆变器的四个主开关管都实现了零电流

软开关，这种拓扑适用于大电流的慢速器件实现大功率变换的

场合，但它较难实超前管的ZCS,并且存在电流占空比丢失。

(3)零电压零电流软开关[zvzcs]

ZVZCS全桥变换器的超前桥臂实现了ZVS,滞后桥臂实现了

ZCS,虽然同样存在占空比丢失的问题，但是这种损失比前两种

拓扑要小的多，并且主开关管的软开关较容易实现。该变换器

采用移相PWM控制，可以分别在滞后桥臂上串联一个二极管，在

初级串联一个阻断电容，利用次级换流期间，使初级电流复位

来实现滞后桥臂的零电流关断。

电动汽车充电桩的设计

通过综合分析，智能充电系统通过移相PWM控制技术，采用

零电压软开关全桥变换器。

5.2移相脉冲宽度调制零电压软开关(zvs)全桥变换器

(1)电路构成

采用移相脉冲宽度调制技术控制的零电压软开关全桥变换器，

由四个IGBT开关管构成，如图5.2所示。每个IGBT管都有一个

内部寄生二极管和寄生电容，为了能够清晰的说明电路的构成,

在电路图中已经标识出来。T1为高频变压器部分，k表示电路中

的谐振电感，包含高频变压器的漏感。4个IGBT管与变压器构成

了变换器的逆变部分，负责将三相整流电路输出的直流逆变为

交流；变压器的副边整流电路，则将变压器输出的交流再整为

直流，整个变换器实际是实现“DC.AC.DC”功能。工作时，

QI,Q3两个IGBT管组成超前桥臂，而Q2,Q4组成滞后桥臂。

由于超前桥臂与滞后桥臂的2个IGBT管成1800互补导通，因

此前后两个桥臂的导通相差一个相位，即移相角，从而可以通

过调节移相角的大小来调节充电电压。通过功率管的寄生电容

与变压器的漏感，实现IGBT的零电压开关。

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全桥变换器原理图

(2)工作过程

移相PWM全桥变换器一个开关周期具有12种开关状态即12

个工作阶段，上半周期和下半周期各包含6个阶段，而且上半周

期与下半个周期工作基本类似，所以只对上半周期的6个阶段做

了阐述，变换器工作的主要波形如图5.3o

首先我们假设电路中所有开关管、二极管、电容、变压器

器件均为理想元件，变压器的原副边比为K,则全桥变换器的工

作过程分析如下。

变换器在0-to阶段时，Q1与Q4处在导通状态，原边电流ip

流经Q1、变压器原边和Q4,副边电流流经副边绕组。此时，整

流管Doi和Do3导通，Do2与Do4截至。

to-3阶段，to时刻Q1关断，Q4继续处在导通状态。ip转到cpl

和cp3支路，对cpl充电，cp3放电。由于寄生电容epl和cp3,所

以Q1是零电压关断。此阶段中，谐振电感与滤波电感串联，而

电动汽车充电桩的设计

旦由于滤波电感很大所以ip近似等于一个恒流源。寄生电容cpl

的电压线性上升，cp3的电压则线性下降。到tl时刻，cp3的电

压变为0,Q3的反并二极管自然导通。此过程结束。

L阶段，Q3的反并二极管导通后使得Q3的电压箝在零位,

此时开通Q3则Q3正好为零电压开通。

t2-t3阶段,到达t2时刻时,关断Q4,ip转移到寄生电容印

2和cp4中，此时cp2放电而cp4处在充电状态。此时Q4的电压从

零开始慢慢上升，因此Q4是零电压关断。变压器副边绕组电势

出现上正下负，整流管D02、D03导通。ts时刻时，cp4的电压上

升至Vin,Q2的反并二极管自然导通，本阶段结束。

t3—14阶段，在时刻t3,Q2的反并二极管自然导通，使得

Q2的电压箝在零位，所以Q2此时为零电压开通。但是由于Q2与

Q4之间存在驱动信号的死区，因此虽然Q2处在开通状态，但没

有电流流过Q2。ip经过Q2的反并二极管导通，并通过能量回馈

电路的谐振电感反馈到输入电源。

电动汽车充电桩的设计

工作波形

t4一t5阶段，在t4时刻时原边电流ip下降至零，Q2与Q3导

通，Q2与Q3的反并二极管同时关断无电流流过。此时，原边电

流由正方向过零，并沿负方向线性增加，但是原边电流的大小

不足以提供负载电流，因此整流管依然为负载电流提供回路，

所以实际上原边绕组的电压值等于零，原边电流沿负方向线性

增加。至t5时刻，整流管Dol、D04才关断，负载电流全部经D02、

D03形成回路。

t5-t6阶段,电源对蓄电池供电。到达t6时刻时，Q3关断,

全桥变换器进行下半个周期的工作，下半周期的工作情况与上

电动汽车充电桩的设计

半周期的工作基本类似。

(3)IGBTZVS的实现

要实现开关管的零电压开通，首先必须有足够的能量用于

抽走将耍开通的开关管的结电容电荷；第二耍有足够的能量给

同一桥臂关断的开关管的结电容充电；第三要有足够的能量抽

走变压器原边绕组电容上的电荷。

在实现ZVS时，超前桥臂和滞后桥臂情况是不同的。超前桥臂在

开关时，谐振电感与滤波电感串联，通过谐振电感和滤波电感

中的能量用来实现ZVS。由于谐振电感很大，这个能量很容易使

领先桥臂实现ZVS。而滞后桥臂在开关时，变压器副边是短路的,

因此只是利用漏感的能量用来实现ZVS,谐振电感比滤波电感小

得多，因此滞后桥臂实现ZVS比较困难。为了实现滞后桥臂的

ZVS,需要增大谐振电感。

(4)副边占空比丢失问题

移相PWM控制ZVS全桥变换器很容易出现占空比丢失，这是

该变换器的特有现象。设副边占空比为D。，原边占空比为Dp,

那么丢失的占空比Dloa二Dp-D。。移相PWM控制ZVS全桥变换器中

产生占空比丢失的原因主要是，存在原边电流从正向(或负向)

变化到负向(或正向)负载电流的时间，按照图5.3所示的t2.t5,

和ts.tn两个阶段。在这两段时间内，原边尽管有电压方波但

是不足以提供负载电流，致使变换器副边的DOI'D02,D03,D04

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四个整流二极管全部导通，负载（蓄电池）就会处在续流状态，

负载端电压为零。因而副边就出现了占空比的丢失，即h-t5,

和t8-til两个阶段的电压方波出现丢失。

5.3开关元件IGBT工作原理与工作特性

智能充电系统中，采用IGBT作为开关元件。IGBT综合了GTR

和MOSFET的优点，具有良好的特性，自1986年投入市场以来，

就成功的取代了原来的GTR和一部分电力MOSFET,成为电力电子

设备的主导器件，在开关电源领域应用广泛。目前，IGBT正在

继续提高其电压和电流容量，以期扩展更大的应用领域。

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）,即绝缘栅双

极型功率管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）

组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，兼有MOSFET的高

输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，

载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速

度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件

的优点，驱动功率小而饱和压降低。因此IGBT非常适合应用于

直流电压为1500V的高压变流系统如交流电机、变频器、开关电

源、照明电路、牵引传动等领域。

（1）IGBT工作原理

IGBT是三端器件，分别是栅极G、集电极C和发射极E。IGBT

分为N沟道和P沟道两种。以N沟道IGBT为例，它比VDMOSFET多一

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层P+注入区，从而形成了一个大面积的PN结J1,使得IGBT导通

时P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，

使得IGBT具有很强的通流能力。IGBT等效于双极型晶体管与

MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个有MOSFET驱动的厚基区

PNP管。因此，IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，也是一

种场控器件，它的开通和关断是通过栅极G和发射极E间的电压

UOE决定的，当UGE为正且大于开启电压UaE(th)时，MOSFET内形

成沟道并为晶体管提供基极电流从而使IGBT导通。同时，由于

电导调制效应高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅极和

发射极间施加反向电压或者不加信号时，MOSFET内的沟道消失,

IGBT管的基极电流被切断，IGBT关断。

(2)IGBT工作特性

在此我们只讨论IGBT的静态特性。IGBT的静态特性包括转移特

性，输出特性(伏安特性)。

IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压U嚣之间

的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开

启电压U擎(th)时、IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分

漏极电流范围内，Id与U鼬呈线性关系。最高栅源电压受最大漏

极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。开启电压U擎(in)在

+25。C时取2-6V。

IGBT的伏安特性是指以栅源电压U豁为参变量时，漏极电流

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与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压u擎的

控制，U举越高，Io越大。它与GTR的输出特性相似，可分为正

向阻断区、有源区和饱和区。当U。c〈0时，IGBT为反向阻断工

作状态。在智能充电系统中，IGBT工作在开关状态，因而是在

正向阻断区和饱和区之间来回切换。

IGBT的转移特性和输出特性

(3)IGBT特点

IGBT具有如下特点：

a)开关速度高，开关损耗小；在电压达到1000V以上时，IGBT

的开关损耗只有GTR的1/10,与电力MOSFET相当。

b)IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可以保

持高的开关频率。

c)电压和电流定额的情况下IGBT的安全工作区比GTR要大,

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而且耐脉冲电流冲击。

d)IGBT的通态压降比VDMOSFET低，尤其是在电流较大的区

域。

c)IGBT具有较高的输入阻抗，输入特性与电力MOSFET基本

相同。

5.4IGBT的选择

IGBT正日益广泛地应用于低噪音，高特性的电源，逆变器,

不间断电源之中。按照充电系统的要求，选择IGBT作为电路的

开关器件构成系统的功率变换电路，实现对智能充电的控制。

经过综合分析，我们选择模块化的IGBT,同单个的IGBT相

比它更安全，性能更可靠，使电路设计更为合理。所以，我们

选择富士公司的2MBH00L-120快速型IGBT模块，它非常适合高

速开关电路，耐压高VcEs=1200V,允许电流Ic=100A；而且具有

较低的通态压降VcE的最大值也只有5V；开通时间和关断时间分

别只有1.29.s和1.51.ts,具有良好的开关速度；额定功率

为800也触发电压为20V。

如图5.5所示，为2MB1100L-120快速型IGBT模块的等效电

路，从图中我们很容易发现它等价于2个分立的IGBT管构成的电

路。在充电系统中，只需要两个2MBi100L-120

快速型IGBT模块就可以构成功率变换电路的逆变部分。

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2MB1100L-120的等效电路

5.5IGBT驱动电路

(1)驱动芯片选择

IGBT驱动多采用专用的混合集成驱动器，目前市场上比较

常用的有三菱公司的M579系列，如M57962L,M57959L；富士公

司的EXB系列,如EXB840,EXB841,EXB850和EXB851。同一系列

的不同型号其引脚和接线基本相同，但是根据充电系统的要求,

被驱动IGBT模块的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数等

进行选择适合的型号。

本智能充电系统中，根据系统要求选择EXB841驱动器，对

系统IGBT模块进行驱动。

(2)驱动芯片EXB841工作原理

EXB841。内部结构见图5.6),是富士公司生产的IGBT混合

IC驱动器，它吸取了IGBT的全部优点，是一款高速型的IGBT驱

动芯片。适合开关频率40KHz,采用高密度安装

电动汽车充电桩的设计

EXB841功能图

的SIL封装，单供电操作，内置用于高隔离电压的光耦合器，内

装有过电流保护电路，具有过流保护输出的功能，工作电流范

围可达到300A,承受电压达到1200V。EXB841的高速性体现在其

驱动电路的信号延迟最大只有1.59s,这比富士同系列标准型

的IGBT驱动(4rts)要低得多，因此在对逆变电路而言可以提高

系统的精确度。

EXB841的管脚的功能如表5,1所示。

电动汽车充电桩的设计

表5.1EXB841管脚功能

管教脚码功能与接法

1连接用于反向偏置电源的浊波电容

2电源20V

3驱动输出

4连接外部电容，防止过流保护电路的误动作(绝大

多数场合不需要电容)

5过流保护输出

6集电极电压监视

7,8不接

9电源OV

10,11不接

14驱动信号输入(•)

驱动信号输入(十)

(3)IG③驱动电路

EXB841是高达300A的1200VIGBT,它的驱动电路连接如图

5.7o因为驱动电路信号延迟gps,所以此混合IC适用于高约

40KHz的开关操作。

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当使用EXB841时，确保IGBT的栅射极驱动回路接线一定要

小于Im,IGBT的栅射驱动接线应为绞线。如果在IGBT集电极产

生大的电压尖脉冲，那么增加IGBT的栅串联电阻(RG)。而且，

471xF(#)电容器吸收由于电源接线附抗引起的供电电压变化，

它不是电源滤波器的电容器。

用EXB841设计IGBT驱动电路时，最佳操作条件V。c=20V,

Iin=10mAo在对IGBT进行驱动时，如果驱动电压超过了IGBT栅

电压，过高驱动供电电压会损坏IGBT,并且不足的驱动电压会

不正常地增加IGBT的ON电压。注意过高的输入电流会增加驱动

电路的信号延迟，并且不足的输入电流会引起驱动电路操作不

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稳定，同时不足的栅电阻能增加IGBT和稳流二极管的开关噪音。

第六章系统变压器设计

变压器作为开关电源不可缺少的磁性元件，它的主要功能

是将电源的能量瞬时地转移到负载，即传输功率；通过改变初

级与次级的匝数比，使输出获得所需要的电压；增加多个不同

匝数的次级，获得不同的多路输出电压；为离线供电或高压和

低压不能共地提供安全隔离。

开关电源变压器的设计分为电路部分的设计和磁路部分的

设计。磁路部分设计的不确定性使它比电路部分的设计要复杂

得多。磁路部分的设计，要求设计者拥有全面的理论知识和丰

富的实践经验。在磁路部分设计完毕后，还必须置于实际电路

中进行整体调试，验证其性能。变压器设计参数的最终确定直

接影响到充电器的工作效率、体积和成本，所以有必要对变压

器进行合理优化的设计。

6.1变压器功率的确定

在全桥、半桥、推挽等电路形式中，电路的工作脉冲是双

向脉冲，变压器工作时磁芯是双向磁化的。这类变压器磁芯所

需的功率容量即为变压器的计算功率，其大小取决于变压器的

输出功率和整流电路的形式。变压器的计算功率公式如下：

电动汽车充电桩的设计

9=41伏2+15)

(5.3)

本电路中变压器的输出端为桥式整流，有

(kl,k2)=(po,1),其中Pi的单位为W,刁为变压器的转换

效率，kl,k2为待定常数。

6.2导磁材料

设计变压器经常用到三种标准类型的导体：即金属箔、绞

合线和实心圆线。实心圆导体的有效电阻的增加值最大，这种

类型的导体不适宜于高频。金属箔导体和多股绞合线的有效电

阻和直流电阻之值的变化则很小。随着金属箔厚度的增加，其

有效电阻也会增大，在高频变压器设计中是选用金属箔导体还

是多股绞合线作绕组导体，取决于系统设计中的多方面折衷考

虑，它包括相对窗口尺寸、窗口的占空系数和绕组的匝数等。

目前，在高频变压器的设计中只要频率不是很高一般还是采用

实心圆铜线。

同时'磁性材料是影响变压器性能高低的重要因素。目前，常

用于高频大功率开关变压器的磁芯材料有铁氧体、超微晶合金、

非晶态合金、伯镇合金等。功率铁氧体材料是国内电源产品中

最常用的磁性材料，在高频下具有很高的电阻率，涡流损耗低;

它可以做成多种几何形状的铁芯，对于大功率、低漏磁变压器

的设计，用E.E铁芯制成壳式变压器最符合其要求：E.E型磁

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芯很容易用铁氧体材料制作并且最容易从市场上购买，具有明

显的价格优势。综合考虑，智能充电系统采用功率铁氧体作为

高频变压器磁芯的首选材料。

总之，充电器满载工作时，输出电压有可能被拉低而达不

到指标要求，此时应适当增加变压器的次级匝数。线圈的绕制

应尽量减少漏感，漏感太大会造成变压器干扰，使波形质量变

差，转换效率低。设计高频变压器必须有耐心，通过理论计算

设计出来的高频变压器往往难以达到要求，必须把它放到实际

电路中经过测试后再调整其设计的参数，直到变压器在电路中

表现出良好的电气特性。

6.3磁芯输出能力设计

磁芯的设计输出能力用磁芯窗L21面积Aw与磁芯有效截面

积Ae的乘积Ap表示，它反映了变压器输出功率的