电动汽车充电系统中AC/DC变流器及电池均衡技术

摘要

国家经济发展带来的环境污染问题严重影响了人民的生活，电动汽车低碳环保，有利于减少污染，而电动汽车成功地普及必须有先进的充电技术作为基础。因此，对直流充电系统进行研究具有深远的意义和广泛的应用前景。本文以直流充电系统中的AC/DC变流器为核心展开研究，又在此基础上设计了一种新型电池均衡电路，使电动汽车在充电时提升电池组剩余电量的一致性。
　　本研究首先分析了PWM整流器的工作原理，选定三相半桥拓扑结构的主电路后，建立了三相电压型PWM整流器在三相静止对称坐标系下的数学模型，并利用两种坐标变换推导出了整流器在两相静止垂直坐标系与两相同步旋转坐标系下的数学模型。研究了LCL滤波器的滤波原理，根据滤波器传递函数的频域特性曲线分析稳定性，利用无源阻尼法对系统谐振进行抑制。根据整流器在两相同步旋转坐标系下的数学模型及性能要求，采用基于电网电压定向的直接电流控制策略对电流内环进行前馈解耦，消除了耦合项与干扰项，从而实现对有功与无功电流的独立控制。完成了双闭环控制系统的设计，并根据控制系统性能要求，详细介绍了PI调节器的设计。深入研究了空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)技术的原理与实现方法。为消除充电过程中电动汽车电池组剩余电量不一致所导致的安全隐患，设计了基于反激式变压器拓扑结构的均衡电路，并将LCD吸收回路应用至变压器功率管支路以减小漏感产生的电压尖峰，详细分析了电路的原理和工作模态，通过公式推导证明在开关时刻功率管可以实现软开关功能，最后制定了行之有效的控制策略。完成了12kW实验系统的研制。计算硬件部分的主要参数并对电路进行设计，设计软件部分的控制逻辑与程序流程图，利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型验证理论分析、控制逻辑与主要参数的正确性。完成实验系统的搭建工作并进行上电实验，实验波形证明充电系统能够实现预期效果，与理论和仿真分析相吻合，能够说明对于充电系统的研究与设计是可行的且具有一定的先进性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 PWM整流器的研究现状

1．3 均衡技术的研究现状

1．4 研究内容及工作

第二章 三相电压型PWM整流器的数学建模

2．1 PWM整流器的工作原理

2．2 三相电压型PWM整流器的数学模型

2．2．1 三相静止对称坐标系下的数学模型

2．2．2 两相旋转坐标系下的数学模型

2．3 LCL滤波器的研究

2．4 本章小结

第三章 三相电压型PWM整流器的控制系统设计

3．1 双闭环控制系统设计

3．1．1 电流内环控制器设计

3．1．2 电压外环控制器设计

3．2 三相电压型PWM整流器的SVPWM控制

3．2．1 SVPWM的基本原理

3．2．2 空间电压矢量的合成

3．3 本章小结

第四章 三相电压型PWM整流器的系统设计

4．1 系统的硬件设计

4．1．1 主电路参数设计

4．1．2 控制电路设计

4．1．3 信号采样及调理电路设计

4．1．4 IGBT驱动电路设计

4．1．5 保护电路设计

4．2 系统的软件设计

4．2．1 主程序设计

4．2．2 中断服务子程序设计

4．2．3 保护中断程序设计

4．2．4 运算中断子程序设计

4．2．5 SVPWM子程序设计

4．3 本章小结

第五章 电动汽车电池单体间电量不一致时充电的研究

5．1 均衡电路的拓扑结构

5．2 均衡电路的模态分析

5．3 均衡电路的控制策略

5．4 本章小结

第六章 系统仿真及实验结果分析

6．1 系统仿真分析

6．1．1 整流器部分仿真分析

6．1．2 均衡电路部分仿真分析

6．2 实验结果分析

6．2．1 整流器部分实验结果分析

6．2．2 均衡电路部分实验结果分析

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况