第1章緒論1.1項(xiàng)目研究背景及其意義能源短缺以及環(huán)境污染嚴(yán)重是世界各個(gè)國(guó)家均存在的問(wèn)題，而且這兩個(gè)問(wèn)題越發(fā)突出。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)石油消費(fèi)一直呈增長(zhǎng)狀態(tài)。但我國(guó)石油資源十分有限，所以一般通過(guò)進(jìn)口獲取這方面的能源。2015年，我國(guó)石油進(jìn)口量占60．6％，而且這一比例還在逐年上漲。而環(huán)境問(wèn)題的越發(fā)突出令國(guó)家不得不考慮開(kāi)發(fā)新的清潔能源，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源。越來(lái)越多的國(guó)家注意到了環(huán)境污染以及PM2.5給人類健康生活帶來(lái)的危害。據(jù)悉，我國(guó)已經(jīng)發(fā)展成為全世界污染程度最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。傳統(tǒng)汽車排放的大量尾氣是導(dǎo)致環(huán)境污染，霧霾的重要誘因，尾氣對(duì)PM2.5的影響在22％上下。而新能源汽車，由于使用的新能源，所以沒(méi)有污染，非常環(huán)保，也正是因?yàn)檫@一特點(diǎn)，全世界的國(guó)家都在鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)新能源企業(yè)。我國(guó)也不例外，也在加大力度推進(jìn)新能源汽車發(fā)展，并將其上升到了國(guó)家戰(zhàn)略局面，不斷研發(fā)與新能源汽車向配套的產(chǎn)品，期望能夠通過(guò)新能源汽車迎來(lái)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。科技創(chuàng)新對(duì)人們的影響無(wú)疑是巨大的，同時(shí)也是判斷國(guó)家實(shí)力的關(guān)鍵指標(biāo)。作為汽車消費(fèi)大國(guó)，我國(guó)的汽車制造能力以及關(guān)鍵零件創(chuàng)新技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，依舊處在一個(gè)比較弱勢(shì)的地位[4]。相比于傳統(tǒng)的汽車，新能源電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展方向更具有發(fā)展性，而且能夠節(jié)約能源，而這些優(yōu)勢(shì)讓其擁有了非常廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也為提高我國(guó)汽車制造和創(chuàng)新實(shí)力帶來(lái)了相應(yīng)的機(jī)遇。我國(guó)政府非常注重系能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并下發(fā)了部分文件規(guī)范和推動(dòng)發(fā)展該產(chǎn)業(yè)。新能源電動(dòng)汽車的能量輸出的重要組件是動(dòng)力電池，與電動(dòng)汽車動(dòng)力以及續(xù)航能力均有直接關(guān)聯(lián)。當(dāng)電動(dòng)汽車電量耗盡后，電動(dòng)汽車需要在充電樁上充電，所以若要進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展，建設(shè)電動(dòng)汽車充電樁非常關(guān)鍵。電動(dòng)汽車充電方式主要有交流充電樁和直流充電機(jī)兩種類型。交流充電樁主要通過(guò)專門(mén)的充電接口為車載電機(jī)充電。直流充電機(jī)的功率往往非常大，而且會(huì)對(duì)交流電進(jìn)行整流、濾波等等。所以需要許多其他電子器件的輔助，然后給電池供電。也正是因?yàn)槿绱?，所以與交流充電樁相比較來(lái)說(shuō)，直流充電機(jī)成本較高，而且設(shè)施體積較大，占地面積也比較大。直流電機(jī)在充電時(shí)，其需要與車載電池管理系統(tǒng)持續(xù)通信，然后根據(jù)電池狀況以及充電狀況等等控制功率輸出。直流充電機(jī)與車載電池管理系統(tǒng)間之間的信號(hào)主要是電壓、電流以及溫度等數(shù)據(jù)信號(hào)，但當(dāng)下二者之間的通信標(biāo)準(zhǔn)是以電池安全管理為基礎(chǔ)提出的，所以還有很多的不足之處，供電動(dòng)汽車可選擇的模式非常有限，而隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，目前也已經(jīng)具備了技術(shù)基礎(chǔ)來(lái)研發(fā)新的充電工作模式。以當(dāng)今電池充電設(shè)備銷售市場(chǎng)和純電動(dòng)車公司要求為基本，參考現(xiàn)階段純電動(dòng)車領(lǐng)域世界各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)純電動(dòng)車的不一樣電池充電方式開(kāi)展科學(xué)研究與剖析，構(gòu)建根據(jù)磷酸鐵鋰電池充電電池的純電動(dòng)車電池充電仿真模擬服務(wù)平臺(tái)，服務(wù)平臺(tái)包含充電電池系統(tǒng)軟件、蓄電池充電機(jī)系統(tǒng)軟件。汽車工業(yè)做為高耗能產(chǎn)業(yè)鏈，一方面迅速發(fā)展趨勢(shì)巨大地推動(dòng)了全球經(jīng)濟(jì)興旺，另一方面卻必然進(jìn)一步加重全球能源問(wèn)題和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。純電動(dòng)車以電磁能為電力能源來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)并推動(dòng)車轱轆，行車全過(guò)程中不造成一切有危害廢氣排放；而且電磁能來(lái)源于普遍，能夠從太陽(yáng)能發(fā)電、核能發(fā)電、風(fēng)力等綠色能源變換獲得，清除了對(duì)煤炭資源的過(guò)多依靠和耗費(fèi)，進(jìn)而可以做為解決能源問(wèn)題和空氣污染的合理方式，具備巨大的應(yīng)用前景。2008年至今，在我國(guó)大力推廣純電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)鏈，慢慢提升包含電池管理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和整車操縱等瓶頸問(wèn)題，純電動(dòng)車進(jìn)到迅速發(fā)展期，市場(chǎng)容量和生產(chǎn)規(guī)模快速擴(kuò)張。1.2新能源汽車充電樁的發(fā)展概況1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀TI公司交錯(cuò)式CCM圖騰柱無(wú)橋PFC參考設(shè)計(jì)作為電源系統(tǒng)解決方案的業(yè)界翹楚，德州儀器公司(TexasInstruments)無(wú)論是在微處理器研制，或是電力電子變換器開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)解決方案都走在世界前列，引領(lǐng)未來(lái)電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。其在2017年11月推出了“選用C2000MCU的交疊式CCM圖騰柱無(wú)橋PFC參照設(shè)計(jì)方案”。此參照設(shè)計(jì)方案發(fā)布了一種應(yīng)用C2000來(lái)操縱交疊式持續(xù)通斷方式(CCM)微處理器和LMG3410（集成式GaN器件及驅(qū)動(dòng)電路）無(wú)橋圖騰柱PFC的方式。該開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用氮化鎵(GaN)元器件，進(jìn)而提升了高效率，并減少了開(kāi)關(guān)電源規(guī)格。該設(shè)計(jì)方案適用用以提高工作效率的切相和響應(yīng)式過(guò)流保護(hù)時(shí)間，用以在輕負(fù)荷下改善功率因素的鍵入電容器賠償計(jì)劃方案，及其暫態(tài)時(shí)用以減少工作電壓頂峰的離散系統(tǒng)工作電壓環(huán)城路。該參考設(shè)計(jì)無(wú)疑是業(yè)界中等功率OBC設(shè)備研發(fā)的標(biāo)桿。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s11TI基于C2000MCU的交錯(cuò)式CCM圖騰柱無(wú)橋PFC參考設(shè)計(jì)主要方案包括：I)100kHz脈寬調(diào)制頻率；II)上位機(jī)可編程輸出直流母線電壓，標(biāo)稱值為380Vdc；III)總諧波失真THD小于2%；IV）具有PWM軟啟動(dòng)功能，可以大幅降低過(guò)零點(diǎn)電流尖峰幅值。該設(shè)計(jì)可以用作OBC設(shè)備的PFC級(jí)，通信電源前級(jí)，焊接及其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。TI公司適用于HEV/EV車載充電器的6.6kW圖騰柱PFC參考設(shè)計(jì)德州儀器公司在2018年3月推出了“效率為98.5%且適用于HEV/EV車載充電器的6.6kW圖騰柱PFC參考設(shè)計(jì)”。該設(shè)計(jì)采用SiC寬禁帶半導(dǎo)體器件，由C2000微控制器通過(guò)SiC隔離柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。此設(shè)計(jì)采用三相交錯(cuò)技術(shù)，該技術(shù)能夠大幅度提高電源效率，在正常條件下充電電源效率可達(dá)到98.46%。C2000控制器能夠控制切相和自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間，所以可以控制功率因數(shù)改變，在柵極驅(qū)動(dòng)器的幫助下，可以在充電時(shí)候提供4A或者6A的峰值拉電流和峰值灌電流，而且抗擾度也比較強(qiáng)，據(jù)悉可承受100V/ns以上的共模瞬態(tài)抗擾度，此外安全性強(qiáng)，有兩級(jí)關(guān)斷電路，如果在充電過(guò)程中發(fā)生短路也能夠較好地抵御電壓過(guò)沖[8]。其主要特性為：I）高功率密度、高效率PFC設(shè)計(jì)，可為高達(dá)6.6kW的系統(tǒng)供電；II）SiC器件采用了專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路，獨(dú)立成為一個(gè)模塊，避免與大功率信號(hào)之間的串?dāng)_；III)具有增強(qiáng)型隔離和兩級(jí)關(guān)斷保護(hù)功能的半橋型和緊湊型隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器；IV）完全數(shù)字化控制，通過(guò)高性能C2000控制器實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制方案；V）峰值效率為98.46%，功率因素大于0.99，且總諧波失真THD小于2%；VI）三相交錯(cuò)運(yùn)行方式，具有切相控制功能；VII）400V至600V的可編程輸出直流母線電壓。圖STYLEREF1\s1.2效率為98.5%且適用于HEV/EV車載充電機(jī)的6.6kW圖騰柱PFC參考設(shè)計(jì)Transphorm公司3.3kW無(wú)橋圖騰柱PFC參考設(shè)計(jì)Transphorm公司在2018年2月份推出基于氮化鎵器件TP65H050WS的3.3kW無(wú)橋圖騰柱PFC參考設(shè)計(jì)，適宜于電網(wǎng)電壓寬范圍輸入：85VAC~265VAC,15ARMS(3.3kWmax)；開(kāi)關(guān)頻率在20kHz~150kHz范圍內(nèi)變化，可編程輸出直流母線電壓范圍為370Vdc~420Vdc，符合80Plus中鈦金級(jí)效率指標(biāo)96%的要求。其主要特性為：I）采用第三代GaN制造工藝，門(mén)極擊穿電壓由±18V增加到±20V，門(mén)極驅(qū)動(dòng)閾值電壓VGS(th)高達(dá)3.9V，可以大幅提升門(mén)極的抗噪聲干擾能力；II）基于TMS320C28335型DSP控制器的全數(shù)字式電源，軟件實(shí)現(xiàn)所有信號(hào)采樣，保護(hù)以及控制算法功能；III）用戶可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)直流母線電壓，開(kāi)關(guān)頻率，軟啟動(dòng)以及故障閾值進(jìn)行設(shè)定；IV)布局進(jìn)一步優(yōu)化，DSP控制電路與功率母板電路集成在一起。圖STYLEREF1\s1SEQ圖\*ARABIC\s13Transphorm公司3.3kW無(wú)橋圖騰柱PFC樣機(jī)另外，ChargePoint公司已經(jīng)向市場(chǎng)推出400kW充電樁（12模塊*單模塊31.25kW）；美國(guó)馬凱特大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校在電動(dòng)企業(yè)充電樁的優(yōu)化方面也做出了突出貢獻(xiàn)，前者經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究推出了并聯(lián)諧振1MHz、1MW三相交直流快速充電器；后者則推出了超小型輕便高效率SiC器件拓?fù)?.6kW雙向OBC。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀1、浙江大學(xué)電力電子技術(shù)研究所研制的2、3.3kW車載充電器樣機(jī)浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子技術(shù)研究所在電動(dòng)汽車車載充電OBC設(shè)備與車載DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品化研制方面走在全國(guó)高校前列，其研制的3.3kW雙向OBC采用前級(jí)PFC作AC-DC調(diào)節(jié)，形成額定390Vdc的直流母線電壓，后級(jí)接隔離式LLC諧振全橋+不控整流。整機(jī)可以實(shí)現(xiàn)0.99的滿載功率因數(shù)，輸入電流THD＜4%，輸出電壓范圍在200Vdc~400Vdc之間變化，輸出電流范圍為0~12A，整機(jī)效率高達(dá)96.3%，可根據(jù)工作模式來(lái)選擇相應(yīng)功能，除此以外，該充電器才有OVP/OCP/OTP故障保護(hù)功能，在充電過(guò)程中，可監(jiān)控變換器工作狀態(tài)，一旦發(fā)生故障還會(huì)進(jìn)行自動(dòng)診斷。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s14浙江大學(xué)3.3kW雙向OBC實(shí)物樣機(jī)華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院研制的GaNHEMT高效率車載充電器樣機(jī)在中國(guó)電工學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十六屆學(xué)術(shù)年會(huì)上，華中科技大學(xué)展出了其研制的基于GaNHEMT的高效率車載充電樣機(jī)。該設(shè)計(jì)針對(duì)寬輸出電壓范圍要求，前級(jí)采用基于GaNHEMT的圖騰柱無(wú)橋PFC電路在充電過(guò)程中來(lái)檢測(cè)和校正功率因數(shù)，后級(jí)則運(yùn)用LLC諧振全橋變換器實(shí)現(xiàn)電氣隔離和充電控制。所設(shè)計(jì)的樣機(jī)輸出電壓范圍為260V~450V，峰值效率97.4%，滿載時(shí)輸入電流THD為2.4%。由上述幾則參考設(shè)計(jì)不難看出，基于寬禁帶半導(dǎo)體器件的無(wú)橋圖騰柱PFC電路以其高效率，高功率密度在雙向AC/DC變換器中正得到越來(lái)越多應(yīng)用。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)如南京中港電力、鐵成信息、通合科技等等已經(jīng)推出了前列的雙向車載充電機(jī)，在主流車企市場(chǎng)當(dāng)中已經(jīng)超出了80%的覆蓋率，而未來(lái)該充電機(jī)的市場(chǎng)占有率還會(huì)進(jìn)一步提高。1.3課題研究任務(wù)文中科學(xué)研究和設(shè)計(jì)方案的交流充電樁操縱設(shè)備是一種為純電動(dòng)車給予單相異步電機(jī)源的供電系統(tǒng)設(shè)備，一般分散化布局于戶外場(chǎng)地。設(shè)備可以為客戶給予安全性、靠譜、方便快捷、規(guī)范化和智能化系統(tǒng)的電池充電服務(wù)項(xiàng)目，適用電池充電卡或智能機(jī)開(kāi)展電池充電實(shí)際操作并自助式清算電池充電花費(fèi)；選用網(wǎng)絡(luò)安全管理服務(wù)平臺(tái)做為大數(shù)據(jù)中心，朝向無(wú)人化，根據(jù)常見(jiàn)故障歸類檢驗(yàn)并匯報(bào)，電池充電數(shù)據(jù)采集并匯報(bào)及其解決參數(shù)配置和操縱指令，進(jìn)而便捷營(yíng)運(yùn)商開(kāi)展集中管理方法；可以合理整治純電動(dòng)車電池充電對(duì)電力網(wǎng)造成的諧波電流和無(wú)功功率電流量影響，給予高效率零污染的用電量自然環(huán)境。表1.1新能源汽車技術(shù)性能指標(biāo)電源輸入：三相380VAC+15%輸入交流電源頻率：50Hz±10%;輸出功率：0-12KW輸出電壓：20V-75V穩(wěn)流精度：2%穩(wěn)壓精度：1%最大功率：>90%功率因數(shù)：>0.9第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1汽車充電樁的方案論證2.1.1汽車充電樁的分類計(jì)劃方案1:汽車充電樁分成交流充電樁和直流充電樁，交流充電樁又稱之為溝通交流供電系統(tǒng)設(shè)備，安裝于（固定不動(dòng)在路面上和墻面上）商業(yè)建筑（寫(xiě)字樓，大型商場(chǎng)，公共停車場(chǎng)）和住宅小區(qū)地下停車場(chǎng)或是電動(dòng)車充電站內(nèi)，選用傳輸?shù)姆椒榫邆滠囕d充電機(jī)的純電動(dòng)車給予人機(jī)交互技術(shù)操作面板及溝通交流充電接口，而且具有相對(duì)應(yīng)的測(cè)控技術(shù)維護(hù)作用和專用型設(shè)備。圖2.1交流充電樁圖2.2直流充電樁計(jì)劃方案2：車載充電機(jī)大部分稱之為交流蓄電池充電機(jī)安裝于新能源汽車充電樁上，選用三相或單相異步電機(jī)源通過(guò)電源插座和電纜線與交流電源插座連接。車載充電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于何時(shí)何地給電池來(lái)充電。蓄電池充電機(jī)額定電流的交流電流插座，對(duì)純電動(dòng)車的車截動(dòng)力鋰電池開(kāi)展電池充電。車載充電機(jī)的缺陷是受純電動(dòng)車的室內(nèi)空間限制，功率較小，輸出的電流較小，對(duì)動(dòng)力鋰電池的電池充電時(shí)間較長(zhǎng)。非車載充電機(jī)大部分稱直流電蓄電池充電機(jī)，即選用直流電電池充電方式，直流電電池充電方式是以蓄電池充電機(jī)輸出的可控性直流穩(wěn)壓電源立即對(duì)驅(qū)動(dòng)力鋰電池組開(kāi)展電池充電。非車載充電機(jī)安裝于固定不動(dòng)的地址，蓄電池充電機(jī)的溝通交流鍵入開(kāi)關(guān)電源已事前聯(lián)接進(jìn)行。蓄電池充電機(jī)的直流電輸出端在電池充電實(shí)際操作時(shí)再與純電動(dòng)車的車截動(dòng)力鋰電池聯(lián)接。非車載充電機(jī)的輸出功率大，能夠給予幾百千瓦的電池充電輸出功率，能夠?qū)嚱貏?dòng)力鋰電池開(kāi)展極速充電。圖2.3圖2.4計(jì)劃方案3：無(wú)線充電技術(shù)不需要有線連接充電，通過(guò)電磁共振、射頻、電磁感應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)輸送電力（無(wú)線狀態(tài)充電）現(xiàn)階段常見(jiàn)的幾種電力傳輸方式有微波傳輸式、電磁感應(yīng)式以及磁場(chǎng)共振式。不同的電力傳輸方式操作方法不同，同時(shí)也各有優(yōu)缺點(diǎn)，但從基本原理角度來(lái)講，以上幾種電力傳輸方式是一致的。利用交變電磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。綜上所述，新能源汽車充電樁選用交流汽車充電樁較好，由于其體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合大眾普及和推廣。而車載充電機(jī)不論在任何時(shí)候以及任何時(shí)候都可以充電，缺點(diǎn)是電動(dòng)汽車的空間所限，功率較小，輸出的充電電流小，對(duì)動(dòng)力電池的充電時(shí)間較長(zhǎng)。非車載電機(jī)優(yōu)點(diǎn)工作效率高，以及充電速度快。缺點(diǎn)只能固定一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行充電。無(wú)線充電基于目前國(guó)內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r技術(shù)發(fā)展不純熟，需要時(shí)間進(jìn)行發(fā)展。綜上三種方案，交流汽車充電樁的成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)力電池友好，普及性的效果來(lái)說(shuō)選用其方案最為合適。圖2.5圖2.62.1.2拓?fù)浞桨副容^（1）方案一一級(jí)拓?fù)浞桨甘侵福瑑H用一級(jí)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)PFC和調(diào)節(jié)輸出電壓的功能，它們有一個(gè)共同特征是交流側(cè)均需反并聯(lián)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管組成雙向開(kāi)關(guān)。該方案的缺點(diǎn)是，輸入電流與輸入電壓同相，輸入功率二倍工頻變化，因此輸出二倍工頻紋波較大，且交流側(cè)所有的開(kāi)關(guān)管均需要流過(guò)高頻電流[10]。在工況復(fù)雜的情況下，該方案的魯棒性較差，目前還沒(méi)有成熟的應(yīng)用產(chǎn)品。

圖27一級(jí)各種方案拓?fù)浜鸵患?jí)拓?fù)浞桨篙敵鰝?cè)等效電路兩級(jí)方案是目前應(yīng)用最為成熟的方案，通常前級(jí)為具備能量雙向流動(dòng)能力的PFC拓?fù)?，后?jí)為隔離型DC/DC。功率因數(shù)校正工作主要是由前級(jí)負(fù)責(zé)的。中間依靠較大的母線電容完成兩級(jí)解耦，后級(jí)完成穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。其優(yōu)勢(shì)在于兩級(jí)電路控制解耦，動(dòng)態(tài)性能好，輸出工頻紋波小，兩級(jí)效率可以分別優(yōu)化至較高的水平，并且在工程應(yīng)用中獲得較好的魯棒性；缺陷是需要的母線電容較大，是進(jìn)一步優(yōu)化體積的難點(diǎn)。在兩級(jí)方案中，由于有較大的母線電解電容，能起到緩沖二倍工頻功率的作用。類似于前文的分析方法，前級(jí)PFC可以等效為一個(gè)含有二倍工頻紋波的電流源，圖2-3所示為等效后的電路。圖28兩級(jí)拓?fù)浞桨篙敵鰝?cè)等效電路兩級(jí)方案降低輸出二倍工頻紋波的方法主要是依靠大容量的直流母線電容，其優(yōu)化的關(guān)鍵在于提高后級(jí)系統(tǒng)的帶寬和二倍工頻處的控制增益。綜合來(lái)看，兩級(jí)方案在減小輸出二倍工頻紋波的關(guān)鍵特性上，有更好的預(yù)期表現(xiàn)，并且不需要付出額外的硬件成本。綜上所述，普遍認(rèn)為采用兩級(jí)方案更有優(yōu)勢(shì)，即前級(jí)PFC+后級(jí)DC/DC。(2)方案2三相橋式整流電路，該電路的特點(diǎn)是在充電時(shí)，整流三相工頻交流電源(380V/50HZ)輸出的電流，然后借助電感La和Ca對(duì)輸出的電流做濾波處理，之后將其轉(zhuǎn)化為直流電源輸出，從本質(zhì)上來(lái)講，三相橋式整流電路其實(shí)是完成了外界電源的AC-DC變換[2]。全橋功率變換電路。該電路的特點(diǎn)是在充電時(shí)，IGBT管Q1、Q2、Q3和Q4會(huì)將直流電變?yōu)楦哳l脈沖交流電，之后其會(huì)進(jìn)入到變壓器當(dāng)中，變壓器是高頻變壓器，變壓器對(duì)對(duì)該交流電進(jìn)行降壓[10]。然后輸出電路所需高頻脈沖交流電，在這一過(guò)程中會(huì)整流電壓，令其達(dá)到電路所需電壓，之后輸出直流電壓。輸出的直流電壓的大小一般情況下來(lái)講與四個(gè)IGBT管通段時(shí)間和高頻變壓器匝數(shù)有直接關(guān)聯(lián)。全橋功率變換電路的輸入和輸出電流均是直流電，所以其能夠完成DC-AC-DC的轉(zhuǎn)換Ml[5]。放電去極化電路可以對(duì)電池進(jìn)行指定電流放電，可以在一定程度上降低充電時(shí)產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，進(jìn)而能夠避免電池被損害。2.2汽車充電樁系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能汽車充電樁的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)主要的工作原理由上圖可知，電源部分由AC/DC模塊，DC/AC模塊組成，而控制部分有輸入保護(hù)檢測(cè)模塊，控制單元，保護(hù)檢測(cè)，通訊模塊組成。交流充電樁控制系統(tǒng)的核心組件要非微控制器莫屬，非微控制器有著非常強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，而其支持多種外設(shè)設(shè)備。其通過(guò)異步串行接口（USART）以及IO端口分別與觸摸屏和指示燈相連，是人機(jī)交互不可缺少的功能。交易結(jié)算模塊主要由兩個(gè)部分構(gòu)成了RFID讀寫(xiě)器和充電卡，其中讀寫(xiě)器通過(guò)串行外設(shè)接口（SPI）[14]和微控制器實(shí)現(xiàn)了交互，用戶可以借助這一交互功能識(shí)別身份或者支付充電費(fèi)用。在設(shè)計(jì)電參數(shù)測(cè)算模塊，綜合各方面考慮，主要由兩部分組成，以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊和內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，二者通過(guò)異步串行接口（USART）與微控制器通信，傳輸數(shù)據(jù)。電氣防護(hù)模塊主要有四部分構(gòu)成，分別是防雷器、交流接觸器、急停開(kāi)關(guān)以及斷路器。電氣防護(hù)模塊工作狀態(tài)也會(huì)受到微控制器的監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中主要通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換端口（ADC）收集充電槍鎖狀態(tài)、接地連續(xù)性狀態(tài)以及充電接口溫度等數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的判斷，通過(guò)IO端口控制交流接觸器斷開(kāi)充電電源，為了增強(qiáng)系統(tǒng)抗擾性能，本文對(duì)所有功能模塊設(shè)計(jì)都是采用的獨(dú)立設(shè)計(jì)方式，如圖2.9的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖[4]。圖2.9的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第3章充電樁控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)3.1微控制器的選擇與設(shè)計(jì)3.1.1微控制器的選擇與資源分配分析微控制器模塊交互硬件資源功能要求，本文制定了該模塊運(yùn)行原理以及硬件分配表，詳細(xì)見(jiàn)下圖：圖3.1STM32F103VET6系統(tǒng)硬件圖綜合各方面因素考慮，在選擇本系統(tǒng)的微處理器時(shí)，本文選擇的是TI公司TMS320系列的STM32F103VET。STM32F103VET6因?yàn)槠漭^高的性價(jià)比和較為成熟的技術(shù)所以在大功率充電系統(tǒng)中使用較為普遍。STM32F103VET6微處理器特點(diǎn)如下：電壓為3.3V,能耗低；處理指令響應(yīng)時(shí)間快，指令周期短，僅有33ns,由強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制力；（3）數(shù)據(jù)所占內(nèi)存小，F(xiàn)LASH和程序RAM各占32KB和1.5KB；（4）DARAM和SARAM一個(gè)是544B,一個(gè)是2K；（5）具有可擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)程序存儲(chǔ)空間有擴(kuò)展空間，其擴(kuò)展空間大小在64K左右；（6）有EVB和EVA兩個(gè)事件管理模塊；（7）10位A/D轉(zhuǎn)換速度非?？?；（8） 基于鎖相環(huán)原理的時(shí)鐘發(fā)生器；STM32F103VET6在工作時(shí)可以在外圍電路進(jìn)行工作。圖3.2為最小系統(tǒng)復(fù)位電路和圖3.3圖如下所示[11]。圖3.2復(fù)位電路圖3.3晶振電路表3.1STM32F103VET6的資源分配表3.2汽車充電樁的充電的主電路設(shè)計(jì)3.2.1充電主電路設(shè)計(jì)主電路圖見(jiàn)圖所示，首先輸入的是三相交流工頻直流電，之后其在整流濾波的處理下會(huì)轉(zhuǎn)變成直流電，之后流經(jīng)高頻逆變電路，經(jīng)過(guò)該電路的轉(zhuǎn)化，從該電路輸出的電流則變?yōu)榱烁哳l交流電[10]，高頻交流電進(jìn)入高頻電壓后，高頻電壓會(huì)對(duì)高頻交流電進(jìn)行降壓，再進(jìn)行整流濾波，將其接到電池組兩端開(kāi)始充電。圖3.4充電主電路圖3.2.2濾波整流電路設(shè)計(jì)根據(jù)圖3.4能夠得知，充電使用三相橋式電路整流處理的三相交流工頻電之后再進(jìn)行濾波處理然后獲得穩(wěn)定直流電[3]。三相整流濾波電路見(jiàn)圖3.5所示，電路由6個(gè)二極管構(gòu)成，其中，D1~D3的三個(gè)二極管被接成共陰極形式，D4~D6的三個(gè)二極管被接成共陽(yáng)極形式，二極管有有單向?qū)щ娦?一旦通電，那么就有兩個(gè)二極管導(dǎo)通，然后形成供電回路，而且通電時(shí)間較短，只有導(dǎo)通周期的三分之一[12]。LC濾波電路主要有兩部分構(gòu)成，一是電容Ca，二是電容La。LC濾波電路的作用是對(duì)直流電中的紋波成分進(jìn)行整流，這樣能夠保障后續(xù)電路在不受紋波干擾的情況下工作。圖3.5三相濾波電路圖3.2.3DC-DC全橋功率變換電路開(kāi)關(guān)電源會(huì)對(duì)三相交流電進(jìn)行處理，主要流程如圖可示：圖3.6開(kāi)關(guān)電源的能量變換換過(guò)程充電電路中有電容、變壓器以及電感等器件，器件大小取決于電路體積。為了避免交流電樁占據(jù)較大占地面積，在設(shè)計(jì)充電電路時(shí)會(huì)使用高頻開(kāi)關(guān)電路。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是在開(kāi)關(guān)頻率比較大且受到電磁干擾比較大的情況下產(chǎn)生的。基于此，本文在設(shè)計(jì)DC-DC功率變換電路時(shí)，便使用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[14]。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以使得開(kāi)關(guān)電流和電壓通過(guò)正弦波的形式輸出。一般情況下來(lái)講，若開(kāi)關(guān)電流是0，那么開(kāi)關(guān)就會(huì)關(guān)閉，若電壓是0，則會(huì)打開(kāi)。所以能夠避免出現(xiàn)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟或者關(guān)上時(shí)同時(shí)存在電流或者電壓的情況，進(jìn)而可以達(dá)到節(jié)約開(kāi)關(guān)損耗的目標(biāo)。圖3.7全功率變換電路全功率變換電路如圖3-7所示。Q1、Q2、Q3、Q4四個(gè)橋臂互補(bǔ)導(dǎo)通來(lái)調(diào)節(jié)充電電壓，信號(hào)采集單元結(jié)合PID子程序則可以控制電流，讓電流恒定。但電流發(fā)生改變時(shí)，PID子程序會(huì)對(duì)比實(shí)際電流和設(shè)置的電流，然后從DSP中PWM的輸出，這種情況下就會(huì)影響以上四個(gè)橋臂的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而調(diào)節(jié)充電電壓，令電路中的電流可以實(shí)現(xiàn)恒定目標(biāo)[15]。3.2.4IGBT的選擇與驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)交流充電樁系統(tǒng)使用的開(kāi)關(guān)元件，經(jīng)過(guò)多方面的考量，本文使用的是IGBT。IGBT主要有2部分構(gòu)成，一是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，二是雙極型三極管。其具有導(dǎo)通壓低等等優(yōu)勢(shì)，所以絕大部分的充電裝系統(tǒng)都會(huì)選擇使用它。為了方便后期維護(hù)，本文使用的是模塊化的三菱IGBT，型號(hào)是CM300HA-12H(E)。其具有耐壓性能強(qiáng)，速度快等等優(yōu)勢(shì)，所以特別適合在大功率充電路當(dāng)中使用。綜合各方面考慮，本文使用的是富士公司的EXB841驅(qū)動(dòng)模塊。而只有在Vcc=20V,Iin=10mA的情況下，EXB841才能夠驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)，在使用EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT一定要特備注重驅(qū)動(dòng)電流和電壓的選擇，過(guò)高和過(guò)低都不適宜，如果過(guò)高，則可能會(huì)燒壞IGBT管，如過(guò)低則會(huì)增加其ON電壓；同樣的電流選擇也應(yīng)該適中，過(guò)大和過(guò)小也都不合時(shí)宜，若驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大，那么可能會(huì)延遲電路信號(hào)，如果過(guò)小，則可能會(huì)影響電路穩(wěn)定性，IGBT驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)下圖：圖3.8IGBT驅(qū)動(dòng)電路3.2.5充電單元電路參數(shù)設(shè)計(jì)（1）整流二極管的選擇。假如輸入電源是380V三相交流電，在充電過(guò)程中，電壓不會(huì)一直是380v，其是會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)的，一般情況下會(huì)有-15%-+15%,的波動(dòng)，為避免整流二極管不會(huì)因過(guò)壓而損壞，在計(jì)算其電壓時(shí)要代入最大輸入電壓。XAVD（選擇器件時(shí)要留有安全余量，所以整流電壓等級(jí)在800-1200間，交流充電樁最大輸出功率為12KW，將以上數(shù)據(jù)代入以下公式可計(jì)算出二極管有效電流值：ID（1）濾波電容可根據(jù)以下公式計(jì)算：C=（5～8）（6f×2RL）=（0.63～1）mFRL值可根據(jù)由交流充電樁設(shè)計(jì)功率以及效率來(lái)計(jì)算。Vin(min)=1.35×0.8×380=410V

Y輸出功率和頻率分別是12KW和50HZ，效率為95%，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算可知電容大小是0.63mF-1mF。濾波電容最大電壓：UC（max選用C濾波為1mF，1000V的耐壓值（2）選擇高頻變壓器考慮兩方面因素為變壓器的變比和副邊的最大電流，其變比可使用以下公式計(jì)算：N=Ucap×2×DIGBT輸入端PWM占空比D和輸出電壓Uout。變壓器輸入功率值為12.63KW，計(jì)算變壓器原邊最大電流為：Iy高頻變壓器副邊的最大電流為：If=I3.3充電樁控制電路的設(shè)計(jì)3.3.1信號(hào)采集單元設(shè)計(jì)交流充電樁的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)與充電安全性有很大關(guān)聯(lián)，若能夠準(zhǔn)確獲得當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)則能夠了解充電過(guò)程是否安全。所以設(shè)計(jì)信息采集單元電路還是非常重要的。信息采集電路主要包括兩種，一種是電壓檢測(cè)電路，一種是電流檢測(cè)電路。（1）電壓檢測(cè)電路充電電壓大小與充電樁運(yùn)行狀況直接掛鉤，電壓檢測(cè)電路并不復(fù)雜，為提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。在采集電壓后介入模擬隔離芯片ISO12414，其可以將大電壓轉(zhuǎn)化為小電壓，小電壓更方便檢測(cè)。將小電壓接入ADC0832。ADC0832可以將小電壓從電量變成數(shù)字量，這樣DSP可以直接使用，電壓檢測(cè)電路具體如下：圖3.9電壓檢測(cè)電路（2）電流檢測(cè)電路對(duì)于一些比較大的電流，通常會(huì)使用霍爾電流傳感器，該傳感器不僅靈敏度高，而且安全可靠。所以本設(shè)計(jì)使用他來(lái)檢測(cè)充電樁的充電電流，該傳感器最大電壓是2V也可測(cè)量-350A~350A間的電流量;低于ADC0832的輸入電壓5V進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換是無(wú)法轉(zhuǎn)換測(cè)量精度。故需要AD263將最大電壓放大2倍，這樣電壓的差距會(huì)縮小，之后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換便可以獲得較大的轉(zhuǎn)換精度，電流檢測(cè)電路如下：圖3.10電流檢測(cè)電路3.3.2溫度檢測(cè)電路在充電時(shí)，溫度也是非常重要的指標(biāo)，在測(cè)量溫度時(shí)，本文使用的是DS18B20傳感器。該傳感器最大的特點(diǎn)是輸出是數(shù)字化信號(hào)，而且在處理輸入微處理器時(shí)可直接處理，不需要進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。在實(shí)際的運(yùn)用中溫度過(guò)高和過(guò)低都會(huì)造成元器件造成不良的影響，新能源汽車充電樁充電時(shí)，需要將最高溫度通過(guò)檢測(cè)充電單元給體現(xiàn)出來(lái)。傳感器采集溫度信號(hào)時(shí)，將溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（如圖3.11所示）。但由于充電過(guò)程中的電流較大，所以為了防止傳感器損壞，讓傳感器可以正常工作，需要接入電阻。圖3.11溫度檢測(cè)電路圖3.3.3人機(jī)交易模塊為方便后期維護(hù)，在設(shè)計(jì)智能充電樁時(shí)，需要存儲(chǔ)電壓、電流等等歷史充電數(shù)據(jù)，這樣需要的時(shí)候可以隨時(shí)查詢，Nand結(jié)構(gòu)讀寫(xiě)速度快，能夠滿足數(shù)據(jù)村塾要求，但是由于NandFlash與TMS320LF2407間缺少可以直接讀寫(xiě)的接口，所以需要進(jìn)行相應(yīng)編程，讓NandFlash能夠讀寫(xiě)。綜合多方面考慮，本文使用的Nand型存儲(chǔ)芯片是三星K9F5608UOB型號(hào)，如圖3.12。圖3.12處理芯片與FLASH的接口3.3.4IC卡讀卡器模塊IC卡能夠幫助用戶支付充電費(fèi)用，而且這種方式比較方便，所以需要設(shè)計(jì)IC卡讀卡器模塊。在充電時(shí)，用戶要先將IC卡放在讀卡區(qū)域，刷卡成功后才可以充電。當(dāng)充電完畢后，需要再次刷卡，然后讀卡區(qū)域會(huì)顯示此次充電花費(fèi)了多少費(fèi)用，之后將費(fèi)用從卡的總費(fèi)用當(dāng)中扣除。IC卡的余額，用戶名信息，卡號(hào)等等都需要能夠在充電樁上顯示出來(lái)[4]。本文使用的是射頻卡/IC卡手插式讀卡器CRT-288-E,其具有可靠性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，性價(jià)比好以及讀寫(xiě)速度快等等優(yōu)勢(shì)。讀卡器見(jiàn)下圖：圖3.13讀卡器實(shí)物圖3.3.5電能計(jì)量模塊電能計(jì)量模塊是否能夠計(jì)量準(zhǔn)確與智能充電樁能否獲得收益有很大關(guān)聯(lián)，綜合各方面因素考慮，本文使用的是DTZ341三相四線能電能表，其具有準(zhǔn)確度高，測(cè)量電流范圍大等等特點(diǎn)。圖3.14電能表實(shí)物圖3.3.6緊急停止單元設(shè)計(jì)緊急停止單元在智能充電樁充電過(guò)程中也發(fā)揮著非常重要的作用，在充電過(guò)程中，若發(fā)生經(jīng)濟(jì)狀況，若有緊急停止單元可以保護(hù)智能充電樁。為安全起見(jiàn)，可以設(shè)計(jì)人工操作按鈕在突發(fā)狀況下直接強(qiáng)制切斷電源?？蓪⒃摪粹o設(shè)計(jì)在智能充電樁顯示屏下方。強(qiáng)制關(guān)閉按鈕觸點(diǎn)要與電源交流接觸器相連，當(dāng)按下該按鈕時(shí)，觸點(diǎn)回路會(huì)斷開(kāi)，那么智能充電樁的電源交流接觸器就會(huì)掉電，其常開(kāi)觸點(diǎn)就會(huì)斷開(kāi)，進(jìn)而整個(gè)電路就會(huì)被切斷。3.3.7電氣防護(hù)單元組成電氣防護(hù)單元作用非常大，既能夠在發(fā)生雷擊或者短路狀況時(shí)及時(shí)保護(hù)充電樁，又能夠防止靜電干擾智能充電樁[18]。有兩種防護(hù)方式分別為硬件防護(hù)和軟件防護(hù)。在設(shè)計(jì)中使用的是硬件防護(hù)方式，硬件防護(hù)器件名稱和型號(hào)見(jiàn)下表：表3.2電氣保護(hù)器件名稱及其型號(hào)名稱型號(hào)斷路器SchneiderC65C40漏電保護(hù)器CHNTDZ47LE-63電涌保護(hù)器PeopleRDSP6靜電會(huì)干擾電子設(shè)備運(yùn)作，所以應(yīng)防止靜電干擾智能充電樁，以免發(fā)生安全事故，危害用戶安全。所以很有必要采取相應(yīng)的靜電保護(hù)措施?？蓮囊韵聝蓚€(gè)角度入手來(lái)設(shè)計(jì)靜電防護(hù)模塊：電路防靜電：使用屏蔽線連接控制系統(tǒng)通信線，這樣即便控制系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤指令或者動(dòng)作也能夠確保電路的安全性。接地防護(hù)：將充電樁金屬柱體與接地線相連。第4章充電樁控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)的主程序充電樁主程序流程圖見(jiàn)圖4.1。當(dāng)充電樁通電后，其控制系統(tǒng)會(huì)開(kāi)始初始化檢測(cè)外部功能，若一切順利沒(méi)有故障，那么正式開(kāi)啟工作模式。這個(gè)時(shí)候用戶在讀卡區(qū)域刷卡便可以充電。一般來(lái)講都會(huì)將充電樁設(shè)立在鬧市區(qū)，鬧市區(qū)的特點(diǎn)就是人流量大，為了避免其他人操作充電樁，損壞充電樁所以設(shè)置了門(mén)卡，即只有擁有IC卡的用戶才能夠使用充電樁。用戶刷卡成功后，用戶可選擇充電服務(wù)，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)有沒(méi)有外部連接，若有，那么智能充電樁則會(huì)進(jìn)行充電。智能充電樁有三種充電模式，一，自動(dòng)充電。在該模式下，智能充電樁會(huì)對(duì)電池目前的電量等進(jìn)行識(shí)別，之后根據(jù)充電策略輸出電流，直到電池電量滿了之后會(huì)結(jié)束充電。二，按金額充電。在該模式下，用戶可以直接在智能充電樁上輸入自己想要充電的金額，然后充電樁會(huì)計(jì)算金額對(duì)應(yīng)的電量，之后識(shí)別電池電量狀況，然后按照充電策略開(kāi)始充電，當(dāng)充電量達(dá)到了充電金額所對(duì)應(yīng)的電量后，充電結(jié)束。三，按電量充電，在該模式下，用戶可以直接在智能充電樁上輸入自己想要充電的電量，若電量達(dá)到了設(shè)置的數(shù)值，那么充電就會(huì)結(jié)束。用戶完成充電后一定要記得刷卡，這個(gè)時(shí)候智能充電樁會(huì)計(jì)算本次充電費(fèi)用并將費(fèi)用從卡費(fèi)中扣除[2]。圖4.1主程序流程圖4.2PID子程序充電時(shí)需要精準(zhǔn)控制電流，而若要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)則可以借助PID技術(shù)，該技術(shù)可以比較設(shè)定的電流值和充電時(shí)手機(jī)到的電流值信號(hào)，然后基于二者的差值來(lái)對(duì)DSPPWM輸出進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，讓充電樁能夠使用充電策略充電。PID算法形式如下[3]：（1）完全微分型PID設(shè)PID控制系統(tǒng)充電的過(guò)程中，完全微分型PID公式為：U(t)=KPe(t)+1Ti對(duì)（4-1）進(jìn)行數(shù)字化，得其位移公式為：Un式中，調(diào)節(jié)器輸出以及調(diào)節(jié)器的第n次偏差分別是Un和en；采樣周期、積分器的微分系數(shù)、微分系數(shù)分別是T、KI和KD。完全微分型使用有非常明顯的弊端，其工作在一些干擾性極強(qiáng)和噪聲比較大的環(huán)境下調(diào)節(jié)能力比較弱。（2）不完全微分型PID不完全PID在一定程度上對(duì)完善了完全微分的缺陷。在充電過(guò)程的完全微分型PID流程圖如下：圖4.2PID控制流程圖4.3停充判斷子程序?yàn)榇_保在沒(méi)有工作人員監(jiān)控的情況下充電樁也能夠自動(dòng)判斷充電是否停止，所以需要設(shè)計(jì)停充判斷子程序。根據(jù)充電樁狀態(tài)以及聽(tīng)充電數(shù)據(jù)為條件進(jìn)行邏輯判斷，若符合該程序設(shè)計(jì)的邏輯條件，那么充電則應(yīng)停止。首先，檢測(cè)充電電源電力溫度，若溫度較高超出了設(shè)定范圍，這種情況下為了避免高溫而引發(fā)安全事故，為了防止事故的發(fā)生需要通過(guò)繼電器關(guān)斷來(lái)控制是否停止充電。假設(shè)停充判斷子程序讀取SOC值需要選擇自動(dòng)充電模式，該SOC值達(dá)到100%，這就意味著電池電量已滿，這個(gè)時(shí)候就要停止充電；若用戶選擇的模式是按金額充電，停充判斷子程序要讀取金額，假如該值達(dá)到了設(shè)定金額，這個(gè)時(shí)候就要停止充電；若用戶是按電量充電，停充判斷子程序要讀取電量，假如該值達(dá)到了設(shè)定值，這個(gè)時(shí)候就要停止充電。若檢測(cè)溫度時(shí)，溫度在正常范圍內(nèi)，且還沒(méi)有達(dá)到停充條件，這種情況下便繼續(xù)充電。停充判斷子程序流程圖如下[6]。圖4.3系統(tǒng)停充判斷流程圖4.4電氣防護(hù)子程序設(shè)計(jì)電氣防護(hù)子程序，其主要由以下部分組成：圖4.4電氣防護(hù)子程序4.5故障分析與保護(hù)子程序設(shè)計(jì)故障分析與保護(hù)子程序，讀取當(dāng)前電壓值是否在正常范圍內(nèi)。當(dāng)電壓值大于正常值范圍，被認(rèn)定為過(guò)電壓故障。當(dāng)電壓值小于正常值范圍內(nèi)，則為欠電壓故障，程序返回時(shí)做出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作以及報(bào)警信息和顯示，如圖4.5故障分析與保護(hù)子程序流程圖所示[9]。圖4.5故障分析與保護(hù)子程序第5章新能源汽車充電樁的仿真與調(diào)試5.1新能源汽車充電樁濾波技術(shù)電動(dòng)汽車車載充電機(jī)中有很多的非線性電子器件，所以充電時(shí)會(huì)有諧波產(chǎn)生，為了避免諧波進(jìn)入到電網(wǎng)以后影響電子器件的正常運(yùn)作，需要設(shè)置濾除諧波設(shè)備。目前常用的主要是兩種，分別為有源波濾波設(shè)備和無(wú)源濾波設(shè)備，通過(guò)兩種設(shè)備的比較。無(wú)源濾波設(shè)備功能不齊全，而且效果容易受環(huán)境干擾，性能相對(duì)差一些；與之相比較來(lái)講，第一種有源濾波靈敏度高，功能豐富，補(bǔ)償方式多，而且動(dòng)態(tài)性能非常好，適用范圍廣，可以處理很多類型的諧波，并實(shí)時(shí)追蹤這些諧波將其消除。有源濾波設(shè)備又被細(xì)分為了兩種，一種是并聯(lián)型有源濾波，一種是串聯(lián)型有源濾波時(shí)，前者主要適用于電流諧波消除場(chǎng)景，后者則主要適用于電壓諧波消除場(chǎng)景。在使用充電樁充電時(shí)，電動(dòng)汽車電流變化幅度較大，會(huì)產(chǎn)生諧波影響電網(wǎng)，所以本文選用單相并聯(lián)型有緣濾波來(lái)消除充電過(guò)程中電流產(chǎn)生的諧波。5.2有源濾波系統(tǒng)的工作原理單相并聯(lián)型有源電力濾波器（APF）的工作原理是，其能夠疊加方向相反諧波與無(wú)功電流，讓二者相互抵消，這樣則能夠?qū)崿F(xiàn)消除濾波目標(biāo)，防止濾波進(jìn)入電網(wǎng)。電網(wǎng)電壓Us和電網(wǎng)電流is。負(fù)載電流iL和APF補(bǔ)償電流ic。APF系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)負(fù)載電流，提取出無(wú)功電流與諧波，然后借助驅(qū)動(dòng)和控制電路調(diào)制PWM消除諧波及無(wú)功電流[13]。5.3有源濾波系統(tǒng)空間矢量脈寬調(diào)制方式有源電力濾波器PWM驅(qū)動(dòng)策略正弦脈寬調(diào)制（SPWM）和電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）[14]。相較于前一種驅(qū)動(dòng)策略，后一種驅(qū)動(dòng)策略具有諧波小，數(shù)字化控制方式簡(jiǎn)單以及電壓利用率高等等優(yōu)勢(shì)。所以，絕大多數(shù)情況下會(huì)使用這一驅(qū)動(dòng)策略。下面系統(tǒng)分析下單相SVPWM。單相逆變電路各開(kāi)關(guān)狀態(tài)都有著輸出，具體結(jié)構(gòu)如下：圖5.1單相逆變電路全橋逆變電路的四種工作狀態(tài)，如表5-2所示：表5-2全橋逆變電路的四種工作狀態(tài)SaSbUab對(duì)應(yīng)矢量000V001-UdcV110UdcV2110V3單相逆變電路四種開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量負(fù)矢量正矢量各有一個(gè)，因此其調(diào)制Uref電壓只會(huì)在正負(fù)半軸移動(dòng)[17]若采樣周期是Ts，若Uref處在正半軸。那么則有：UrefTs=U可得：T1=UT0=T若Uref大于等于零，那么Uref（1，0）的T1和T0時(shí)間相等。假如Uref恰巧處在負(fù)半軸，若采樣周期是Ts，那么則有：UrefTs=可得：T2=UT0=T若Uref小于零，那么Uref（1，0）的T2和T0時(shí)間相等。因此，兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期持續(xù)時(shí)間可使用以下兩個(gè)公式來(lái)計(jì)算：有效時(shí)間：Tx=Uref零矢量時(shí)間：T0=T5.4空間矢量調(diào)制的仿真驗(yàn)證SVPWM調(diào)制能過(guò)在一定程度上降低開(kāi)關(guān)功耗，SVPWM調(diào)制仿真模塊詳細(xì)見(jiàn)下圖：圖5.2SVPWM調(diào)制模塊仿真圖通過(guò)PI控制器進(jìn)行控制，再與Uabc，Iabc通過(guò)鎖相環(huán)控制參考Uabc再與Iabc，Udc，U1，U2通過(guò)SVPWM調(diào)制輸出調(diào)制信號(hào)PWMA，PWMB，PWMC對(duì)MOFET管子進(jìn)行開(kāi)通與關(guān)斷，如圖5.3所示。PWM調(diào)制波形如圖5.4所示[12]。圖5.3PI控制與SVPWM控制PWM模型圖5.4調(diào)制的PWM控制信號(hào)波形5.5新能源汽車充電樁濾波技術(shù)仿真與調(diào)試串并聯(lián)LLC諧振變換若要較為精準(zhǔn)地追蹤諧波電流，需要滿足一定的條件，即電流側(cè)電容電壓值是一個(gè)適宜的值時(shí)。但在充電過(guò)程中，串并聯(lián)LLC有一定的損耗，所以直流側(cè)電壓會(huì)減小，如何使其定值不變呢，這種情況下就需要采取措施控制直流側(cè)電壓。具體可通過(guò)疊加電網(wǎng)側(cè)有功電流與諧波電流的方法來(lái)進(jìn)行控制，令直流側(cè)電業(yè)維持不變[15]。具體來(lái)講就是PI控制側(cè)電容電壓值Udc與給定值Udc*之差△U，然后將有功電流指令峰值和電網(wǎng)電壓相位sinwt相乘，進(jìn)而疊加有功電流指令與諧波電流指令，達(dá)到控制電流環(huán)的目的。當(dāng)△U<0，從電網(wǎng)吸收有功，Udc升高；當(dāng)△U>0時(shí)，回饋電網(wǎng)發(fā)出有功，Udc下降。這種情況下，電壓控制與電流環(huán)控制則構(gòu)成了單相并聯(lián)有源濾波器的控制系統(tǒng)[3]。詳細(xì)見(jiàn)下圖：圖5.5單相并聯(lián)有源濾波器控制仿真圖5.6電流內(nèi)環(huán)PI控制器設(shè)計(jì)和電壓外環(huán)PI控制器設(shè)計(jì)5.6.1電流內(nèi)環(huán)PI控制器設(shè)計(jì)電流環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)下圖。在該圖中，Ts、Tic、Kic分別代表的是采樣周期、反饋與指令電流時(shí)間常數(shù)以及電流反饋系數(shù)，KiI為積分系數(shù)，Kip為電流環(huán)控制器的比例系數(shù)，ic和ic*分別是輸出電流和指令電流，Us和Kpwm，一個(gè)是電網(wǎng)擾動(dòng)，一個(gè)是PWM的等效增益[9]。圖5.6電流內(nèi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)PI控制器的傳遞函數(shù)為：Gi（S）=其中：τi電網(wǎng)電壓前饋可以和電網(wǎng)擾動(dòng)相互抵消，因此這種情況下電網(wǎng)擾動(dòng)可以忽略不計(jì)，電流環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可使用以下表達(dá)式來(lái)描述：Gic令Tic=0.5Ts，Kic=1，上式可化簡(jiǎn)為：Gic令τiGic(S)=K可得電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為：?ic根據(jù)二階最佳設(shè)計(jì)原則，上式可轉(zhuǎn)換為：?ic可得：ξ=131.5LTs令ξ=0.707，代入式5-12可得；Kip=L本文的取得開(kāi)關(guān)頻率以及取采樣周期分別是10KHz和Ts=100e-6s，交流側(cè)電感以及線路等效電阻分別是，L=0.8mH,R=0.05歐，在公式5-14中，將Kpwm值代入，該值取1，京計(jì)算可以獲得電流環(huán)控制器PI參數(shù)：Kip=2.67，Kip=166.67，可使用以下表達(dá)式來(lái)描述電流環(huán)的PI控制器傳遞函數(shù)：?i將(5-17)代入式（5-10）和（5-11），得到開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：Gvc閉環(huán)傳遞函數(shù)：?ic5.5.2電壓外環(huán)PI控制器設(shè)計(jì)電壓外環(huán)可控制直流側(cè)電壓，但是由于電容電壓UC在充電時(shí)其會(huì)持續(xù)變化，不是一成不變的，所以在生成補(bǔ)償電流時(shí)，還應(yīng)使用部分有功功率來(lái)維持直流電壓穩(wěn)定，輸出直流側(cè)電壓的PI控制器如圖5-8所示[11]。圖5.7電壓外環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中，反饋增益Kv取1，反饋延時(shí)時(shí)間常數(shù)Tv、輸出端直流側(cè)電容C。將電流環(huán)傳遞函數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)組合構(gòu)成新的慣性環(huán)節(jié)：1TGvc根據(jù)典型二階系統(tǒng)設(shè)計(jì)可得：Kvp取hv=5，代入上式可得：KvpKvi采樣周期、電壓環(huán)延遲時(shí)間常數(shù)為1e-4s，1e-4s，C=500e-6F，將其代入（5-23）可以計(jì)算出：Ki=0.1，KP=0.0002。電壓外環(huán)PI控制器的傳遞函數(shù)：Gv5.7新能源汽車充電樁的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文搭建了仿真模型圖（圖5-8），在搭建該圖時(shí)運(yùn)用到了軟件MATLABSIM