电动汽车充电桩设计毕业论文

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：

完成日期： 2016年5月

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

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：

完成日期： 2016年5月

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，对充电系统及控制策略进行验证

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

三、进度安排

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，2010

[3]夏德建.电动汽车研究综述.能源技术经济，2010

[4]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，2011

[5]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，2009

[6]宋晓芳，薛峰，李威等.智能电网前沿技术综述.电力系统通信，2010

[7]寇凌峰.区域电动汽车充电站规划的模型与算法.现代电力，2010

[8]李瑾.智能电网与电动汽车双向互动技术综述.供用电技术，2010

[9]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，2011

[10 ]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，2010 [11」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，2010

[12]王兆安，黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社，2002

[13]张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制.北京:机械工业出版社，2003

[14 ]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，2005

[15]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，2003

[17]唐杰，邹爱，李胜刚.逆变器用SPWM波形发生器的设计.控制技术，2010

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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

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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

目录

摘要................................................................ I Abstract........................................................... II 第一章绪论. (1)

1.1课题研究背景及其意义 (1)

1.2充电系统国内外研究现状 (2)

1.2.1国外研究现状 (2)

1.2.2国内研究现状 (2)

1.3研究主要方案简介 (3)

1.4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 (4)

2.1锂电池的介绍 (4)

2.1.1工作原理 (4)

2.1.2结构 (5)

2.1.3充放电特性 (5)

2.2充电技术 (6)

2.2.1理论依据 (6)

2.2.2充电方式 (7)

2.2.3锂电池的充电方式 (8)

2.2.4极化现象 (9)

2.3电池模型 (10)

2.3.1内阻模型 (11)

2.3.2 Thevenin模型 (11)

2.3.3四阶模型 (11)

2.3.4 PNGV模型 (12)

2.3.5 GNL模型 (12)

2.4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 (13)

3.1 PWM整流器基本原理概论 (14)

3.2可逆充放电装置中PWM整流器的选择 (16)

3.2.1 PWM整流器的分类 (16)

3.2.2 PWM整流器的选择 (16)

3.3三相PWM变流器的工作原理 (17)

3.4三相PWM整流器的数学模型 (20)

3.4.1三相VSR一般数学模型 (20)

2.4.2两相静止坐标系下的数学模型 (22)

2.4.3基于旋转坐标的数学模型 (22)

3.5三相PWM整流器的控制策略 (24)

2.5.1间接电流控制 (24)

2.5.2直接电流控制方式 (26)

2.5.3电压定向的空间矢量控制 (27)

3.6本章小结 (29)

第四章应用于充电桩的双向DC-DC变流器的研究 (29)

4.1双向DC/DC变换器的拓扑选 (29)

4.1.1单向DC／DC变换器的拓扑结构 (29)

4.1.2双向DC／DC变换器的拓扑结构 (30)

4.2双向DC/DC变换器的原理介绍 (32)

4.2.1双向Buck/Boost变换器 (32)

4.2.2双向半桥变换器 (32)

4.2.3双向Cuk变换器 (33)

4.2.4双向SEPIC变换器 (33)

4.3双向DC/DC变换器的工作模式 (34)

4.4双向DC/DC变换器的控制策略 (38)

4.4.1控制双向功率流的两种方法 (38)

4.4.2双向DC/DC控制变换器控制策略 (39)

4.5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 (41)

5.1充电桩控制系统总体控制策略方案研究 (41)

5.1.1几种充电模式比较 (41)

5.1.2充放电控制策略 (42)

5.2充放电系统主电路参数选取 (45)

5.2.1 IGBT的选取 (45)

5.2.2整流器交流侧电感的选取 (45)

5.2.3整流器直流侧电容的选取 (47)

5.2.4 DC/DC储能电感的选取 (47)

5.2.5电池的选取 (48)

5.3三相电压型PWM整流器控制系统设计 (48)

5.3.1电流内环设计 (49)

5.3.2电压外环设计 (51)

5.4双向DC/DC控制系统设计 (52)

5.4.1控制系统的动态结构图 (52)

5.5充放电系统建模与仿真 (54)

5.5.1充电桩充电状态仿真结果分析 (55)

5.5.2充电桩放电状态仿真结果分析 (57)

5.5.3充电桩充放电状态仿真结果分析 (59)

5.6本章小结 (61)

第六章设计总结与展望 (62)

参考文献 (64)

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

Design of charging pile for electric vehicle Abstract：Electric vehicle ACcharging 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 marketization of electric vehicles.

Firstly, this article describes Electric vehicle charging pile technology, andanalyses its function in detail. It selects electric vehicle charging machine maincircuit topology according to the special requirements of electric vehiclechargingstations.Then,the mathematical model of PWM converter andhalf-bridge converter are deducedrespectively. Comparing the traditional controlmethods and SVPWM in simulation, the results confirms that the control performance of the SVPWMis better..Secondly, this article also establishes theelectric vehicle charging machine simulation model, then the charging and discharging simulation are completed. The results can prove that the electricvehicle 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 issynchronized with the grid voltage when the charging station is in charging mode. While the current is also a sine wave and its phase with a difference of 180 withthe grid voltage when the charging station is in discharging mode, its DC busvoltage fluctuations is small, and system dynamic performance is good,meanwhile it can achieve unity power factor correction.

Finally,simulationsystemexperiment platform is built,validatingthe controlstrategy.Simulation analysis and experimental results certify that electric vehicle charging machine not only can own factor correction and eliminate harmonics, but also can achieve bidirectionalflow of energy, it improves the stability of grid. Keywords: PWM converter; Bidirectional half-bridge converter; SVPWM; PFC

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。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:①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;②现场工业总线技术，如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术平台作为重点研究工作，并在一些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，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：

(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，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:

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2-1

2.1.2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)电解质溶液:电解质盐和碳酸酷溶液的混合液;

5)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2-2

2.2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。

图2-3 图2-4

如图2-4，电池在充电过程中，适当的对其大电流放电或停充，可加快充电速度、提高充电效率、消除极化现象等。

1.马斯第一定律:电池用任何给定电流放电，充电时电流接受率。和放电容量C的平方根成反比，有:

（2-4）

蓄电池开始充电时，接受的电流为:

（2-5）

联立式(2-4)和(2-5)得:

（2-6）

式中:K一放电电流常数由放电电流大小决定。

2.马斯第二定律:电池对任何给定的放电量C，充电时电流接受率。和放电

电流Id对数成正比，有:

（2-7）

将式(2-5 )带入式( 2-7 )得:

（2-8）

式中:k一计算常数。

3.马斯第三定律:电池用不同的放电率放电，其能接受的总电流h是各个电流总和，有:

（2-9）

综述，电池的总电流接受率为:

（2-10）

式中: I1,I2 , I3 ,I4......一各放电率允许充电电流; Ct一各放电量总和。

马斯三定律说明:一个蓄电池，当充入任一容量C时，它的充电接受率越高，充电速率越快。蓄电池大电流充电时，可适当的加入反向瞬时大电流放电，消除极化，使电池的充电接受能力恢复到原来状态，减少充电时间。

2.2.2充电方式

动力电池是电动汽车关键性技术之一，它直接影响着电动汽车的整车性能。电池是它的核心，而充电方法则是核心中的重点，选择正确的充电方法对于电动汽车来说是非常重要。下面介绍了凡种传统充电方法波形如图2-5如下。

（a）恒流充电（b）恒压充电（c）压限流充电

图2-5

1.恒流充电

如图2-5（a），充电时，电池电压不断升高，电流不断下降，为了保持电流不变，要不断升高电源电压，这对充电装置的自动调节度就高。在电池允许的最大充电电流范围内，充电电流越大，充电速度越快。但一直大电流充电，电池内部会因温升过高，造成极板上的活性物质大量脱落和弯曲，电池容量也会急速下降，造成电池提前报废，该法使用较少。

2.恒压充电

如图2-5 (b)，充电时，电压一直不变，充电启动电流很大，随着充电的进行，电池端电压不断升高直至充电电压值，充电电流减小约为零，该法严重影响电池使用寿命，不可取。

3.恒压限流充电

在充电的整个过程中，分两个阶段。如图2-5(c)，在充电的第一阶段，用恒定的电流充电;当电池的端电压达到一定的电压后，保持此电压不变，转入第二阶段的充电，当充电电流下降到一定值后，继续维持恒压充电大约一小时即可停止充电，该法节能，充电彻底，是目前常用充电法。

2.2.3锂电池的充电方式

锂电池是个特殊的电池，所以对其充电方式的要求很高。主要有常规和脉冲快速充电。