储能式电动汽车充电桩的充放电控制系统研究

摘要

随着环境和能源问题的日益严峻，电动汽车和新能源发电应运而生。电动汽车以节能、环保、高效的优势成为现代汽车工业发展的主要方向之一，但其随机充电行为对电网造成影响。新能源发电也逐渐成为减少环境污染、满足负荷增长、提高能源综合效率及供电可靠性的有效途径，但其具有很强的间歇性。而储能技术具有削峰填谷、平滑负荷、改善电网特性的功能，可弥补电动汽车充电和新能源发电中的不足。因此，将储能技术与充电装置相结合，构建储能式电动汽车充电桩对电动车的推广应用具有重要意义。
　　本文在蓄电池充放电效率测试系统的基础上，针对储能式充电桩的充放电控制系统进行了研究，设计了一套基于DSP的模拟实验系统，实现交流电网、储能电池、电动车电池间的功率转换和状态监测。论文的主要工作可总结如下:
　　(1)储能式充电桩的可行性分析
　　研究了传统充电桩的工作原理、蓄电池的充放电控制方式和容量检测等理论，分析并总结了其存在的主要问题。并对本文的储能式充电桩的储能容量配置和运行模式进行了分析，归纳出其优缺点。在此基础上，结合传统充电桩的技术现状，给出模拟实验系统的设计指标和总体设计方案。
　　(2)功率转换系统的分析
　　分析总结供电方式和DC/DC变换器的各种拓扑结构的优缺点，选择直流母线供电方式、单相不可控整流、Buck变换器、双向半桥型DC/DC变换器作为系统的变流结构，并利用状态空间平均法建立了Buck和Boost变换器的动态模型;最后通过Matlab仿真验证了Buck和Boost变换器的闭环工作原理，为系统的调试提供了理论依据。
　　(3)硬件设计
　　根据系统的设计指标和总体设计方案，完成了功率转换系统和控制系统的硬件电路设计。选用DSP TMS320F28335微处理器作为主控单元，设计了最小系统、功率转换系统、驱动电路、采集电路、内阻检测电路、通讯电路和辅助电源电路。
　　(4)软件设计与实验测试
　　在CCS5.2软件开发环境下，完成了系统的C语言程序设计，主要包括主程序、中断服务、充放电、通讯和PI控制器等子程序。在完成软、硬件设计和实现的基础上，对模拟实验系统进行了测试，分析了内阻测量模块的准确性和系统的关键波形;并结合上位机存储的数据，对电池的充放电特性和效率进行了分析。实验结果表明，本系统达到了最初的设计目标，能够实现对电池的充放电和状态监测功能。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 储能技术

1．2．2 电动汽车及其基础设施

1．2．3 储能式电动汽车充电站

1．3 本文的主要研究工作

2 储能式电动汽车充电桩的可行性分析

2．1 充电桩技术现状

2．1．1 传统充电桩的定义与分类

2．1．2 蓄电池的充电控制方式

2．1．3 蓄电池的放电控制方式

2．1．4 蓄电池的容量检测

2．1．5 传统充电桩存在的问题

2．2 储能式充电桩

2．2．1 储能式充电桩的储能容量配置

2．2．2 储能式充电桩的运行模式分析

2．2．3 储能式充电桩的优缺点

2．3 系统总体方案设计

2．4 本章小结

3 功率转换系统的分析

3．1 功率转换系统的拓扑分析

3．1．1 供电方式

3．1．2 Buck变换器的拓扑分析

3．1．3 双向DC／DC变换器的拓扑分析

3．2 功率转换系统的建模

3．2．1 状态空间平均法

3．2．2 Buck变换器的小信号模型

3．2．3 Boost变换器的小信号模型

3．3 功率转换系统的仿真

3．3．1 Buck变换器的仿真

3．3．2 Boost变换器的仿真

3．4 本章小结

4 储能式充电桩系统的硬件设计

4．1 最小系统设计

4．2 功率转换系统设计

4．2．1 AC／DC变换器的设计

4．2．2 Buck变换器的设计

4．2．3 双向半桥型变换器的设计

4．3 驱动电路的设计

4．3．1 MOSFET驱动电路

4．3．2 继电器驱动电路

4．4 采集电路的设计

4．4．1 电压采样和调理电路

4．4．2 电流采样和调理电路

4．5 内阻测量电路

4．5．1 测量原理

4．5．2 电路设计

4．6 通讯电路

4．7 辅助电源电路

4．8 本章小结

5 储能式充电桩系统的软件设计与测试

5．1 系统软件设计

5．1．1 软件开发环境简介

5．1．2 主程序

5．1．3 中断服务子程序

5．1．4 充放电子程序

5．1．5 通讯子程序

5．1．6 PI控制子程序

5．2 系统测试与分析

5．2．1 内阻测量实验分析

5．2．2 测试波形的分析

5．2．3 测试数据的分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间科研成果

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