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1、 电动汽车的充电系统设计Electric vehicle charging system design 目 录前 言4PREFACE5第1章 绪 论61.1 课题提出61.2 电动汽车充电系统研究现状61.3 常用蓄电池种类71.4 电动汽车充电模式及充电方法简介91.4.1 常用蓄电池的充电模式91.4.2 常用蓄电池的充电方法介绍101.5 充电结束控制方法的确定161.6 极化现象181.6.1 极化现象产生的原因和种类181.6.2 去极化现象应遵循的准则20第2章 电动汽车充电系统控制方法综述212.1 开关电源控制方式简介212.2 充电系统的结构设计21第3章 电动汽车充电系统硬
2、件设计233.1充电电源主回路设计和实现233.1.1 常用DC/DC拓扑结构的介绍233.1.2 DC/DC变换器结构分析与选择273.1.3 软开关技术概述及应用273.1.4 DC/DC全桥移相变换电路设计293.1.5 全桥移相ZVS变换器存在的问题及其改进313.1.6 带辅助网络全桥移相零电压软开关拓扑工作原理333.1.7 DC/DC变换器中功率开关元件选择353.2IGBT驱动电路的设计353.3 整流电路的设计383.4 能量回馈电路的设计383.5DSP控制器393.6PWM脉冲生成系统设计403.7信号检测单元的设计413.7.1 DSP控制器的模数转换模块413.7.2
3、 电压采集电路的设计423.7.3 电流采集电路的设计433.7.4 温度参数采集433.8功率驱动保护单元的设计443.9辅助电源的设计45第4章 充电控制系统的软件设计464.1 软件设计思想464.2 充电系统的主程序设计464.3 实时时钟中断服务程序设计484.4 基于PID的充电控制算法49参考文献52前 言绿色革命的一个重要体现是绿色交通，作为新型交通工具的电动汽车的研究越来越受到重视，其市场需求量也呈现出愈来愈大的趋势。然而，电源充电问题却成为了其发展的瓶颈，为了能够更充分发挥其无污染，轻便，节能的优势，对电源的要求也变得更加严格，比如要体积小，重量轻，充电快等，同时也要保持电
4、源能有足够长的寿命。电源的充电问题归根到底是电源的充电技术问题，本文立足于当今电动汽车的充电技术，分别总结了市面上流行的大多数充电方式，并在此基础上选用了多段横流与脉冲间歇充电相结合的快速智能充电方案加以详细论述。本文所研究的充电系统主要有充电主回路和充电控制回路组成，主要模块包括：三相输入整流滤波模块、脉宽调制功率变换模块（DC/DC变换器）、电池能量回馈模块、IGBT驱动保护模块、电压电流和温度检测模块以及辅助电源的设计。整个系统由DSP控制，协调实现对电池的智能快速充电。关键字：多段横流与脉冲间歇充电 DC/DC变换器 IGBT驱动保护 辅助电源 DSPPREFACEThe green
5、revolution is one of the important embodiment of green transportation, the research of new vehicles of the electric car has gained more and more attention to the market demand，and it is also showing more and more big trend. However, the power supply recharging problems became the bottleneck of its d
6、evelopment, in order to give full play to its more pollution, deft, energy saving and the advantages of the power supply requirements to also become more strictly, for example ，small volume, light weight, charging fast, etc, also want to keep power can have enough long life. The most important probl
7、em of power charging is the charging technology in the final, based on the current electric vehicle charging technique are summarized in the fashion most charging mode, and the selection of a cross flow and intermittent charging combines fast intelligent charging scheme is discussed in this paper. T
8、his paper studies the charging system are main charging circuit and charging control circuit, the main modules include: three-phase input rectifier filter module, pulse width modulation converter modules ( DC / DC converter), battery energy feedback module, IGBT drive protection module, voltage and
9、current and temperature detection module and the design of the auxiliary power supply. The system is under the control of DSP, achieving the intelligent fast charging.Keywords: Multi section cross flow and intermittent charging DC / DC converter IGBT drive protection auxiliary power supply DSP第1章 绪
10、论1.1 课题提出我国石油资源十分短缺，人均占有的探明可采储量仅相当于世界平均水平的77；同时，我国资源消耗过多，2004年，我国GDP产出消耗的能源量是世界平均水平的336倍，是美国的4倍多，是日、英、德、法等国的近8倍，2005年，我国石油净进口136亿吨，占石油全部消费量的429。在国际石油价格持续高涨的今天，传统的交通工具汽车面临越来越大的使用压力，而以电动汽车为代表的代用燃料汽车是人类解决这一危机的主要途径。在此形势下，世界各国的汽车制造商都投入了大量资金开发电动汽车。进入二十世纪九十年代以来，国际电动汽车的开发已逐步进入产业化初期阶段。电动汽车具有低噪声、零排放、无污染、综合利用能
11、源的优点，是汽车工业解决能源危机和环境污染这两大突出难题的重要途径，有着广阔的应用前景和巨大的发展空间。如今限制电动汽车发展的瓶颈主要是动力电池能源问题，而改进电池特性是一个漫长的过程，那么在车载电池能量不足时，需要用充电设备及时的对电池进行充电。本文就是基于这样一个背景，以快速智能充电系统为研究对象，对控制方法进行了研究，并对系统进行了设计。本文分析并选择了多段横流与脉冲间歇充电相结合的快速智能充电方案，主要研究了系统主回路中DC/DC变换器的拓扑结构，及相应的驱动电路设计等。1.2 电动汽车充电系统研究现状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
12、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。随着电动汽车技术的发展，在电池能量有限的情况下，研制一种能快速为电池补充能量的充电设备，是延长行驶里程的最好方法。目前，国内外充电设备大体可以分为接触式和感应式两类。接触式充电器是通过金属连接器将电动汽车与充电器和公共电网连接，已达到传递能量的目的。这种能量传递方式结构简单，能量传递效率高而且造价低，目前美国的福特以及日本的丰田和本田等汽车公司开发的充电器均采用的是这种方式。但这种方式的缺点在于它的安全性和通用性。感应式充电是近年来兴起
13、的一种利用高频变压器将公用电网与电动汽车香格里的充电方法。由于感应式充电器与电动汽车之间没有任何金属接触，使得电动汽车的通用性好，而且更为安全可靠。目前美国的通用汽车和日本的日产七尺所研制的充电器都是这种形式，它的缺点是体积庞大。根据充电器是否安装在电动汽车上，又可以分为车载充电器和非车载充电器两种。本文研究的主要是车载充电器，它的特点是充电方式比较简单，但充电时间较长。由于车上空间的限制，也为了减小电动汽车的自重，提高行驶里程，要求车载充电器尽量做到体积小、重量轻。目前我国的大功率充电器大多仍然采用传统的模拟控制方式，人机交互以及维护性差。控制电路的主体很多仍然是模拟电路，外围期间较多，电路
14、复杂，可靠性不高。因而，充电器作为电动汽车重要的辅助设备，对它的研究还是有很大的发展空间。目前，电动汽车充电器的改进方向主要是小型化、快速化和智能化。1）小型化：充分利用数字化技术，选用新型功率器件，通过提高频率的方法，减小电感、电容器件的体积，使系统整体体积减小。2）快速化：根据电池特性，选择电池最优充电曲线充电，加快充电速度，减少充电等待时间。3）智能化：主要表现在系统具有人机交互功能，可以按照用户设定的充电曲线为电池充电，也可以根据电池种类自动选择优化充电曲线；当充电设备出现故障时，具有系统故障报警和保护功能。1.3 常用蓄电池种类随着电子技术的飞速发展，蓄电池已经日益广泛魄运用在交通运
15、输、电力、 通信等部门的设备中，它已经成为最重要的关键系统部件之一。它的安全可靠运 行直接关系到整套设备的可靠运行。蓄电池的充放电过程以及蓄电池系统的可持 续放电时间也会影响整个系统的可靠性。蓄电池按电解质性质不同又分为酸性电池和碱性电池。酸性电池主要指铅酸电池，即采用酸性电解液的电池，碱性电池则指碱性电解液如KOH，NaOH等的 电池，如铁镍电池、镍镉电池、金属氢化物电池、锌镍和锂屯池等。下面主要对铅酸电池，镍镉电池，镍氢电池，锂离子电池做一简单对比介绍。（1）、铅酸电池 铅酸电池已有100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源，它也是成熟的电动汽车蓄电池。铅酸电池正负电极分别为二氧化铅和铅，电解液为硫酸。铅酸电池又可以分为两类，即注水式铅酸电池和阀控式铅酸电池。前者价廉，但需要经常维护，补充电解液；后者通过安全控制阀自动调节密封电池体内在充电或工作异常时产生的多余气体，免维护，更符合电动汽车的要求。总体上说，铅酸电池具有可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点；一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。由于
