1、1湘潭大学毕业设计文档汇编题 目： 电动汽车充电桩设计 学 院： 兴 湘 学 院 专 业： 自 动 化 学 号： 姓 名： 指导教师： 2完成日期： 2016 年 5 月 1目录一、毕业设计说明书(论文)二、毕业设计开题报告三、毕业设计中期检查及评语四、学生答辩记录表五、文献翻译21湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目： 电动汽车充电桩设计 学 院： 兴 湘 学 院 专 业： 自 动 化 学 号： 姓 名： 指导教师： 2完成日期： 2016 年 5 月 1湘 潭 大 学毕业设计任务书设计题目： 电动汽车充电桩设计 学号： 姓名： 专业： 自动化 指导教师： 系主任： 一、主要内容及基本要求主
2、要内容：设计基于 DC/DC 功率变换器的充放电控制系统的电动汽车充电桩，主要工作包括 PWM 整流逆变器的设计及其调制策略，控制策略；双向DC/DC 变换器的主拓扑选型，实现系统对蓄电池先恒流再恒压的充电及恒流放电控制策略；建立实验仿真模型，对充电系统及其控制策略进行验证。 基本要求：（1） 掌握电动汽车充电桩设计的总体方案 （2） 掌握整流逆变器的工作原理，研究其调制策略控制策略 （3） 掌握双向 DC/DC 功率变换器的工作原理，研究其控制策略 （4） 学会建立适用于电动汽车充电电池的电池模型 （5） 实现系统对电池先恒流再恒压的充电模式及恒流放电模式 （6） 建立系统的仿真模型，对充电
3、系统及控制策略进行验证 2二、重点研究的问题（1） 整流逆变器的工作原理及其调制策略控制策略 （2） 双向 DC/DC 功率变换器的工作原理，研究其控制策略 （3） 系统对电池先恒流再恒压的充电模式及恒流放电模式 1三、进度安排序号 各阶段完成的内容 完成时间1 查阅资料、工作条件准备 2016.1.16 之前2 理解基本原理和设计方法 2016.1.172016.3.143 仿真模型搭建和调试 2016.3.152016.4.214 中期检查 2016.4.215 系统改进和撰写毕业设计说明书 2016.4.222016.5.106 修改毕业设计说明书 2016.5.112016.5.207
4、 答辩 2016.5.21四、应收集的资料及主要参考文献1李俄收，吴文民.电动汽车蓄电池充电对电力系统的影响及对策.华东电力 2010 2李瑞生，周逢权，李献伟.潮流控制的电动汽车智能化充电站.电力系统保护与控制，20103夏德建.电动汽车研究综述.能源技术经济，20104李晓华，钱虹.新能源汽车行业技术瓶颈及发展趋势.电源技术，20115袁琦.可再生能源发电中的储能技术.电力电容器与无功补偿，20096宋晓芳，薛峰，李威等.智能电网前沿技术综述.电力系统通信，20107寇凌峰.区域电动汽车充电站规划的模型与算法.现代电力，20108李瑾.智能电网与电动汽车双向互动技术综述.供用电技术，201
5、09李立理，周原冰.我国发展电动汽车充电基础设施若干问题分析.能源技术经济，2011210 鲁莽，周小兵，张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究.华中电力，201011刘刚，胡四全，姚为正.电池储能系统双向 PCS 的研制.电力电子技术，201012王兆安，黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社，200213张崇巍，张兴.PWM 整流器及其控制.北京:机械工业出版社，200314 伍小杰，乔树通.三相电压型 PWM 整流器控制技术综述.电机工程学报，200515王英，陈辉明.三相 PWM 整流器新型相位幅值控制.中国电机工程学报，200317唐杰，邹爱，李胜刚.逆变器用 SPWM 波形发生
6、器的设计.控制技术，2010湘 潭 大 学毕业设计评阅表学号 姓名 专业 自 动 化 毕业设计题目： 电动汽车充电桩设计 评价项目 评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；34.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是
7、否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评价评阅人： 年 月 日1湘 潭 大 学毕业设计鉴定意见学号： 姓名： 专业： 自 动 化 毕业论文（设计说明书） 64 页 图 表 张设计题目： 电动汽车充电桩设计 内容提要： 目前全世界对电动汽车的研究己经进入白热化，人们试图使其成为 21 世纪汽车的发展主流。电动汽车充电设施是电动汽车产业链中不可忽视的重要组成部分,在大力发展电动汽车产业的同时还应充分兼顾充电设施的发展，同时，电动汽车充电桩的设计及其控制方
8、法的研究对国家发展新能源方向也具有重要意义。本课题主要研究纯电动汽车蓄电池的充电系统，基于 V2G 技术充电装置即结合三相电压型 PWM 整流器和 DC/DC 变换器，实现可逆充放电，低谐波污染、提高网侧功率因数、避免能量浪费。可逆 PWM 整流部分选用的是三相电压型 PWM 整流器，即可作电动汽车的2充电电源，又可作电动汽车的放电负载，且在电池的充放电过程中，可实现单位功因数，电能双向流动，低谐波污染等;充放电部分采用的是双向半桥 DC/DC 变换器，运用其独特的升降压功能，自动调节降压充电和升压放电的转换，采用恒流恒压充电技术，消除电池的极化现象，缩短充电时间，延长使用周期。本设计通过建立
9、系统仿真模型，对系统进行调试及仿真波形图的可行性分析，完成对充放电系统控制策略的正确性验证。通过仿真研究，以双向半桥 DC/DC 变换器为基础，研究一种基于 DC/DC 变换器的电动汽车充电桩的拓扑结构，同时，对双向 DC/DC 变换器的控制策略进行研究，充电桩的电路结构简单，设计合理，工作可靠，性能完全符合设计要求。I指导教师评语指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组组长： 年 月 日II答辩委员会意见答辩委员会主任： 年 月 日I目 录摘要 IAbstract.II第一章绪论 11.1 课题研究背景及其意义 11.2 充电系统国内外研究现状 21.2.1 国外研究现状 21.2.
10、2 国内研究现状 21.3 研究主要方案简介 31.4 本论文完成的主要工作 4第二章锂电池充放电特性及模型分析 42.1 锂电池的介绍 42.1.1 工作原理 42.1.2 结构 52.1.3 充放电特性 62.2 充电技术 62.2.1 理论依据 62.2.2 充电方式 82.2.3 锂电池的充电方式 92.2.4 极化现象 92.3 电池模型 .102.3.1 内阻模型 .112.3.2 Thevenin 模型 11II2.3.3 四阶模型 .112.3.4 PNGV 模型 122.3.5 GNL 模型 .122.4 本章小结 .13第三章 三相电压型 PWM 整流器的基本原理与建模分析
11、 143.1 PWM 整流器基本原理概论 .143.2 可逆充放电装置中 PWM 整流器的选择 .163.2.1 PWM 整流器的分类 .163.2.2 PWM 整流器的选择 .173.3 三相 PWM 变流器的工作原理 .173.4 三相 PWM 整流器的数学模型 .203.4.1 三相 VSR 一般数学模型 .202.4.2 两相静止坐标系下的数学模型 .222.4.3 基于旋转坐标的数学模型 .233.5 三相 PWM 整流器的控制策略 .252.5.1 间接电流控制 .252.5.2 直接电流控制方式 .262.5.3 电压定向的空间矢量控制 .273.6 本章小结 .29I第四章 应
12、用于充电桩的双向 DC-DC 变流器的研究 304.1 双向 DC/DC 变换器的拓扑选 .304.1.1 单向 DCDC 变换器的拓扑结构 304.1.2 双向 DCDC 变换器的拓扑结构 314.2 双向 DC/DC 变换器的原理介绍 .324.2.1 双向 Buck/Boost 变换器 324.2.2 双向半桥变换器 .334.2.3 双向 Cuk 变换器 .344.2.4 双向 SEPIC 变换器 .344.3 双向 DC/DC 变换器的工作模式 .354.4 双向 DC/DC 变换器的控制策略 .394.4.1 控制双向功率流的两种方法 .394.4.2 双向 DC/DC 控制变换器
13、控制策略 .394.5 本章小结 .40第五章电动汽车充电桩系统的总体设计与仿真 .415.1 充电桩控制系统总体控制策略方案研究 .415.1.1 几种充电模式比较 .415.1.2 充放电控制策略 .435.2 充放电系统主电路参数选取 .455.2.1 IGBT 的选取 455.2.2 整流器交流侧电感的选取 .465.2.3 整流器直流侧电容的选取 .475.2.4 DC/DC 储能电感的选取 .485.2.5 电池的选取 .485.3 三相电压型 PWM 整流器控制系统设计 .49II5.3.1 电流内环设计 .495.3.2 电压外环设计 .515.4 双向 DC/DC 控制系统设
14、计 .525.4.1 控制系统的动态结构图 .525.5 充放电系统建模与仿真 .545.5.1 充电桩充电状态仿真结果分析 .555.5.2 充电桩放电状态仿真结果分析 .575.5.3 充电桩充放电状态仿真结果分析 .595.6 本章小结 .61第六章设计总结与展望 .62参考文献 .64I电动汽车充电桩设计摘要：电动汽车交流充电桩是电动汽车充电设备中最常见的基础设施之一，也是电动汽车实现产业化与市场化的重要前提。本文首先详细介绍了电动汽车充电桩技术，并对其功能做了详细的分析，根据电动汽车充电站的特殊要求，选择了电动汽车充电装置的主电路拓扑。分别推导 PWM 变流器电路和双向半桥变换器的数
15、学模型，对变流器传统控制方法和空间矢量控制方法做了对比仿真，通过仿真结果分析证明了 SVPWM 具有更好的控制性能，在开关频率较低情况下可以得到良好的波形。其次建立电动汽车充电装置仿真模型，对蓄电池充电、放电做了仿真研究。结果表明电动汽车充电装置可以实现在电网不稳定时向网侧提供能量，并且在充电过程中注入电网电流为正弦波相位与电网电压相同，放电时候过程中网侧电流正弦相位与电网电压相差 180，直流母线电压波动小，系统动态性能好、能够实现单位功率因数校正。搭建了实验仿真系统，对控制策略进行验证。仿真分析和实验结果验证了电动汽车充电桩可以实现单位功率因数校正、滤除谐波污染，并能够实现能量双向流动提高
16、了电网的稳定性。关键词:PWM 变流器;双向半桥变换器;空间矢量控制;功率因数校正IIIIIDesign of charging pile for electric vehicleAbstract：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
17、marketization 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 ma
18、thematical 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 betterSecondly, this article also establishes the electric vehicle charging machin
19、e 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
20、 when 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 achi
21、eve 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 bidire
22、ctional flow of energy, it improves the stability of grid.Keywords: PWM converter; Bidirectional half-bridge converter; SVPWM; PFCIV1第一章绪论1.1 课题研究背景及其意义随着不可再生能源的不断消耗，即将到来的能源危机迫使各国更加重视新能源的开发。作为一个国家经济发展重要支柱的汽车产业一直是一个高能源消耗产业。现在越来越多的人拥有家用汽车，可以预见在将来人们对石油资源的需求将会越来越大。节能与新能源汽车是汽车产业解决能源问题的重要突破口，将成为拉动国内经济增长的一
23、个新兴产业。我国目前己经是世界第一的汽车产销国，今后一端时间内汽车需求量仍将继续保持增长的势头，由此带来的能源问题将更加严重，汽车产业急需升级和转型来应对此问题。所以大力发展节能与新能源汽车，既是有效化解能源危机的重要手段，也是缩短我国与发达国家在汽车产业上的差距，实现国内汽车自主创新的重要举措。要真正实现电动汽车的大面积普及和使用，我国还有很长的路要走，要解决的问题还有很多。2012 年 4 月国家发发布了节能与新能源汽车产业发展规划(2012 一 2020 年),规划指出今后将以纯电动汽车作为主要的战略取向,其主要任务包括了积极推进充电设施建设，因地制宜建设慢速充电桩、公共快速充换电设施。
24、与传统的充电站相比，电动汽车充电桩占地面积很少，路边只需要1 平方的空地就能建设一个充电桩，成本很低，很适合在城市中的超市、停车场、住宅小区等车辆密集停放的区域建设。近几年来国家出台了一系列电动汽车方面的优惠政策和措施推动了电动汽2车及其配套基础充电设施的飞速发展。(1)2001 年“十五”863 计划电动汽车重大科技专项3;(2)2006 年“十一五”863 计划节能与新能源汽车重大项目;(3)2009 年 1 月“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”，对试点城市新能源汽车补贴，促进试点城市充电基础设施建设;(4)2012 年电动汽车科技发展“十二五”专项规划5，促进能源供给基础设施平
25、台建设;(5)2012 年节能与新能源汽车产业发展规划(2012 一 2020 年)，积 极推进充电设施建设，因地制宜建设电动汽车充电桩设施。从国家出台的各项措施可以看出国家发展新能源汽车决心之大，可以预见一旦电动汽车生产达到预期目标，配套的充电设施将有很大的需求量。所以本课题所研制的电动汽车充电桩作为充电基础设施的一部分对于推进电动汽车的普及具有重要的意义。1.2 充电系统国内外研究现状1.2.1 国外研究现状近年来从产品和技术两个层面上讲，国外的充电系统都取得了较好的进展:充电产品随着控制技术、人工智能等先进技术的发展，摆脱了单一型，朝着多功能、更安全智能的方向发展;现场工业总线技术，如
26、CAN, RS485, LIN 总线的发展使得监控系统的通信手段多样化、高速化、安全化。法国多用核能和水力发电，其发电能力充足，据统计法国总发电量的四分之三来自核电站，六分之一来自水电站，因而其发电源干净、电价便宜，汽车工业发达，因而是世界上最早研制和推广电动汽车的国家之一。法国政府协同 EDF(法国电力)公司，并3与 PSA 公司、Renault(雷诺)汽车公司等多家公司合作，开发电动汽车。在LaRocheHe(拉罗切里市)投资生产了小型 4 座电动汽车 50 辆，并建造了 12 座(包括 3 座快速和 9 座普通)充电站，目前己经投入使用并进行了超过 2 年的试验。口本的新能源汽车也一直处
27、于世界领先水平，东京电力公司己宣布其成功研发出大型快速充电器，该充电器大大缩短了充电时间，这对口本电动汽车普及提供了较大的可能性。就充电桩的设计和控制为主的充电设施的建设，美国的First Solar 公司最早在加州的高速上建造了 5 座快速充电桩，能够在 240V/ 70A条件下，于 3. 5 小时内完成对电动汽车的充电。1.2.2 国内研究现状由于技术发展的限制，我国进入电动汽车充电技术的研究领域晚于国外，但是近年来得益于相关的扶持政策，以及高校、科研机构和企业在相关领域的合作，目前电动汽车充电技术己取得了一定的突破，电动汽车充电设施建设也呈现良好发展势头。深圳的比亚迪公司在 2006 年
28、建立了电动汽车研究所，在其厂区内还建设了一些电动汽车快速充电站和充电桩。不得不提的是，2008 年北京奥运村运行的纯电动公交车，该公交车的充电控制系统具有自主知识产权，其能源补给的方式是快速更换充电电池。该充电站到目前为止仍是世界第一的规模。2009 年 12 月底，深圳两座电动汽车充电站，134 个充电桩正式投入使用，这是由南方电网在深圳投资建设的首批充电设施;2010 年 3 月份，唐山的南湖电动汽车充电站也正式地投入了商业运营，这是由华北电网建设的第一座典型大型电动汽车充电站。为加快电动汽车推广的进程，在地方政府的大力支持下，我国各地纷纷建立了电动车充电站。自 2010年起，己有多个省市
29、开始建造充电站，包括了上海、北京、浙江、湖北、河南、重庆等。北京交通大学研发的 30kw 大功率单体充电机，比较有代表性，该技术较为成熟，可三台并用，其输出电压为可调 300V-500V，并可选择多种充电模式。同时，包括很多国内高校在内的研究机构在电动汽车充电监控领域正进行着较多的科研工作。我国 2012 年前陆续建设了包括 36200 个快速充电桩和7400 个慢速充电桩，充电桩加快发展。在“十五”计划期间，为实现能源安全、改善大气环境，国家制定了跨越式发展的战略并设立了“电动汽车重大科技专项”，集中了企业、高校、科研院所的力量进行攻关，把电动汽车的产业化技4术平台作为重点研究工作，并在一些
30、关键技术上取得了较好地进展。1.3 研究主要方案简介如图 1-1 它是基于 V2G 技术的整体充电框图，主要包括 PWM 整流部分、DC/DC 充放电部分及电池组。从网侧直接引交流电经整流装置转换为直流电，再经 DC/DC 变换装置给电池组充放电。图 1-1可逆 PWM 整流部分选用的是三相电压型 PWM 整流器，即可作电动汽车的充电电源，又可作电动汽车的放电负载，且在电池的充放电过程中，可实现单位功率因数，电能双向流动，低谐波污染等;充放电部分采用的是双向半桥DC/DC 变换器，运用其独特的升降压功能，自动调节降压充电和升压放电的转换，采用脉冲快速充电技术，消除电池的极化现象，缩短充电时间，
31、延长使用周期。1.4 本论文完成的主要工作本课题主要研究纯电动汽车蓄电池的充电系统，基于 V2G 技术充电装置即结合三相电压型 PWM 整流器和 DC/DC 变换器，实现可逆充放电，低谐波污染、提高网侧功率因数、避免能量浪费。本文主要研究工作有：5(1)通过查阅和搜集各种文献资料，首先简单介绍了课题研究背景和意义;然后阐述了电动汽车的国内外发展状态，最后给出了系统的主要方案框图。(2)了解电动汽车充电桩系统的结构组成及电池的充放电特性及模型分析。确定整流逆变器的拓扑电路选型，然后分析三相全桥 PWM 整流器的工作原理，并对三相 PWM 整流器建立数学模型，总结电压型 PWM 整流器的控制方式，
32、重点分析充电桩整流器所采用的空间矢量(SVPWM) 控制方法。(4)确定直流变换双向 DC-DC 电路拓扑结构选型，然后概述双向 DC/DC 变换器的原理、工作模式及控制模式。(5) 最后建立了充放电机的 matlab 仿真模型，对充电系统及其控制策略进行验证分析。第二章锂电池充放电特性及模型分析2.1 锂电池的介绍2.1.1 工作原理锂是锂电池的核心，是自然界最轻的金属，想获得高比能量的铿，需让锂电池的电极材料嵌入大量的锂。锂电池的种类虽多，工作原理却均相似。如图 2-1,锂电池充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱离出来，经电解质溶液和隔膜，嵌入负极材料的晶格中;放电时，则是相反过程。在充放电
33、全过程中，钾离子往返于负极材料间，称为“摇椅式电池。锂电池充放电的化学反应公式:6正极反应 （2-1)负极反应: （2-2 )电池充电的总反应: （2-3）锂电池放电则是逆反应。图 2-12.1.2 结构主要由正极、负极、电解质溶液、隔膜及外壳组成，主要材料组成如下:1)正极材料:活性物质是钻酸铿、锰酸铿、磷酸铁锂、镍钻锰酸锂、镍钻酸 锂等及其混合物。导电集流体厚度是 0.1-0.2mm 的电解铝箔;2)负极材料:活性物质由人造石墨或近似于石墨结构的碳。导电集流体厚度 是 0.07-0.15mm 的电解铜箔;3)隔膜材料:是聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜或由两者组成的复合膜，通锂离子阻电子;4)电解质
34、溶液:电解质盐和碳酸酷溶液的混合液;75)外壳:钢壳、铝壳、镀镍铁壳、铝塑膜等。2.1.3 充放电特性在不同倍率的充放电条件下，锂电池的充放电特性曲线也存在差距性。图2-2 为苏州星恒电源有限公司生产的 XH-lOAh 型铿离子电池组，在不同倍率下的充放电特性曲线图。(a)倍率不同时的充电曲线 (b)倍率不同时的放电曲线 (c)不同温度下的放电曲线图 2-22.2 充电技术2.2.1 理论依据美国科学家马斯(JosephA “ Mas )，在第二届国际电动车辆会议上，提出了著名的马斯三定律，为电池快速充电提供了理论依据。如图 2-3，充电时，任何超过充电接受曲线的电流，不仅不能提高充电效率，反而会增加析气量和极化现象;低于充电接受曲线的电流，才是电池允许的充电电流，不会对电池造成伤害。
