直流充电桩用ACDC模块设计及仿真

论文总字数：20829字

摘 要

电动汽车产业发展如火如荼，与电动汽车配套使用的各类充电设施亟待完善。为了满足用户快速充电的需求，大功率的直流充电桩应运而生。然而，传统采用三相不控整流控制的直流充电桩运行时具有产生较大谐波的缺点，会对电网产生相对严重的污染。基于此，本设计提出了一种使用低谐波高功率因数的三电平PWM整流拓扑的直流充电桩AC/DC模块。

本文首先从效率、经济性以及控制策略等方面，比较了多种常用的整流方案，确定了本文最终使用的研究方案——三相三电平二极管箝位PWM整流。接着介绍了此模型的工作原理，对每个桥臂的开关工作状态进行了具体分析。并且，在电路分析时用开关函数对功率管作了等效处理。进而推导出了电路的数学模型。对PWM整流而言，合理的控制方法是抑制谐波的关键。因此，本文重点探讨了稳定直流侧电压的控制方法，针对输入电流的控制，引入了电压外环和电流内环的双闭环控制，通过理论分析选择了合适的调制方法，为仿真模型的搭建提供了根据。最后文章通过搭建仿真模型，验证了控制方法的准确性。

关键词：直流充电桩、三电平PWM整流、前馈解耦、SPWM

Abstract

 Under the rapid development of the electric cars, the supporting charging means need to perfect its current system. To meet the demand that charging the cars quickly, many high power dc charging piles have been designed and implemented. However, great pollution will be generated while using  Three phase uncontrolled rectifier used in DC charging pile, due to the large harmonic it produced. To avoid such disadvantage, this paper designed a new DC charging module which use low output voltage harmonic content, high efficiency three-level PWM rectifier.

This paper firstly compared many commonly used rectifier scheme solutions in the term of efficiency, economy and control strategy, and then determined the final research subject- The neutral point clamped three-level PWM rectifier. And then the paper introduced the operating principle of this model, had specific and detailed analysis on the working status of each arm and used switching function to do the equivalent treatment while in the circuit analysis part. Then, the paper deduced the mathematical model of the circuit. For PWM rectifier, reasonable control methods is the key to suppress harmonic wave. Therefore, this paper continued to discuss approaches to stabilizing the dc side voltage, and in the view of the controlling the input voltage, this paper introduced  the voltage loop and current inner loop double closed loop control. Through the theoretical analysis, this paper chose the suitable stimulation model. Finally, this paper verified the model by launching the stimulation model.

KEY WORDS：DC Charging Pile、Three Level PWM Rectifier、Feedforward Decoupling Control 、SPWM

目录

摘要 2

第一章 绪论 6

1.1 研究背景与意义 6

1.2 电动汽车充电模式的发展现状 7

1.2.1 电动汽车常用充电方式 7

1.2.2 电动汽车的无线充电技术 7

1.2.3 电动汽车充电设施运营模式 8

1.3 电动汽车直流充电桩技术概述 9

1.4 本文主要研究内容 10

第二章 充电用整流电路比较 11

2.1 整流方案选择 11

2.1.1 工业常用整流方案 11

2.1.2 单位功率因数整流技术概述 13

2.2 PWM整流 13

2.3 装置理想参数 15

2.4 本章小结 15

第三章 三相三电平PWM整流电路工作原理 16

3.1 电路拓扑结构 16

3.2 电路工作原理 17

3.3 本章小结 22

第四章 主电路控制方法 23

4.1 主电路数学模型推导 18

4.1.1 abc坐标系下三相三电平PWM整流电路的数学模型 19

4.1.2 dq坐标系下三相三电平PWM整流电路的数学模型 20

4.2 三电平PWM整流器的电压电流双闭环控制 23

4.2.1 电压电流双闭环控制原理 23

4.2.2 电流内环的PI参数设计 25

4.2.3 电压外环的PI参数设计 26

4.3 基于载波的三电平SPWM调制法 27

4.4 本章小结 30

第五章 电路仿真 31

5.1 仿真过程 31

5.2 结果分析 34

5.3 本章小结 37

第六章 展望与总结 38

6.1 总结 38

6.2 展望 38

致谢 39

绪论

研究背景与意义

根据国际能源机构（IFA）最新统计数据，目前整个地球的石油储量约有 1838 亿吨，而现在全世界是燃油的消耗每年达40亿吨以上。如果不找到新的能源，缓解石油消耗的速率，已探明的石油资源再有40年左右就会消耗殆尽。我国虽然幅员辽阔、物产丰富，但是我国却属于一个贫油国家，原油的进口比例由1995年的6.5%已上升至2008年的52%。为了实现我国的可持续发展的目标，解决能源供应的问题刻不容缓。

目前，欧美国家的交通能源消耗占总能源消耗的比重达到了32%，目前我国达到了14%的比例。可以看出，交通能源消耗是能源消耗的大头之一。所以，寻找出可以替代石油的新交通能源，发展新能源汽车是当前交通业的一个趋势。近年来，我国的电力供应状况有了很大的改善，然而，全国电力峰谷差每日达到两千亿度，电网负荷严重不平衡，低谷的时候电力资源产生了巨大的浪费。倘若利用低谷时电网资源给电动汽车蓄电池充电，高峰时通过电动汽车蓄电池里的电能向电网回馈电力，既可以平衡供电电网的负荷差距过大情况，又可以解决传统交通系统对石油产品的依赖。^[1][1]

发展电动汽车，可以减少城市的大气污染和噪章污染。机动车、火电厂、建筑扬尘三城市空气污染，特别是雾霾污染的主要污染物来源。而电动汽车以电能为能量运行，具有节能、环保、清洁等优点，发展电动汽车，可以有效地抑制汽车尾气和汽车噪音带来的污染。我国的工业起步比较晚，可以说，从改革开放开始，现代化的汽车工业才算是正式起步，与国外先进水平差距较大。采取传统的“引进、吸收、改进”的工业发展方式难以消除这数十年的鸿沟。但是，相比传统汽车工业，在电动汽车这个领域，我国并没有落后太多。国内对电动汽车和电动汽车配套的供电设备的研究日益升温、如火如荼地发展。特别是借2008年北京奥运会这个契机，配套了50辆纯电动大巴车，以满足运动员出行的需求，建设了我国第一个集中式供电站。此后，电力行业、石化行业、汽车行业都纷纷加入了汽车充电桩配套建设领域。我国完全有能力在电动汽车领域赶超世界发达国家。

因此，发展新能源汽车（NEV），包括纯电动汽车（EV）、混合动力汽车（PHEV），是满足可持续发展、符合中国社会国情的诉求。

电动汽车充电模式的发展现状

发动机产生动力，通过一系列的动力传动装置，汽车就能前进了。电动汽车是指部分或者全部利用电能提供动力驱动的汽车，根据车辆能源的供应方式和驱动技术，可简单划分为燃料电池汽车（FCEV）、混合动力汽车（PHEV）和纯电动汽车（EV）三种类型。

电动汽车常用充电方式

对于减碳环保的电动车来讲，它的动力来源是车上的蓄电池，所以，配套的充电设备是必不可少的，它的功能是从电网吸收电能转化成化学能，存储在电动车车载蓄电池内，为电动车提供动力。世界上常用的电动汽车充电方式有三种，包括：交流慢充、直流快充和电池快换。^[2][2]

（1）交流慢充。慢充一般采取的是交流充电桩，使用220V、50Hz的市电，通过车载的小型充电器对电动汽车进行充电，充电时间较长。慢充方式一般利用汽车晚间停在停车场时进行充电，晚间充电可以缩小日夜的负荷峰谷差，使得电网能够更平稳地运行，也可以降低车主的充电成本，对电网和车主均有益处。缺点是带来“里程恐慌”，造成续航能力不足。

（2）直流快充。直流快充，将三相的交流电进行整流、升压，通过大电流在短时间（1—2h）内对汽车电池进行快速充电。快充模式可以解决车主需要紧急充电时电能补给问题，通常把直流充电桩架设在城市主要干道、高速公路等地。然而快充方式对蓄电池的耐用性是一个考验。而且充电电流可以达到上百安培，设备的防触电保护、接地措施必须完善。

（3）电池快换。快换方式最为便捷，直接通过更换汽车电池的方式补充电能，做到“满血复活”，仅需要5—10min的操作时间即可完成，不需要现场充电，充电过程由充电公司统一完成。不过，这种充电方式需要统一标准，将电动汽车的车载电池、接口实现标准化。快换在小型的网点即可完成，可以利用物流网络大规模在城市中心布点，深入我们生活的每个角落。 ^[3][3]

电动汽车的无线充电技术

无线能量传输也被称作非接触能量传输（Contactless Power Transfer，CPT）。无线能量传输的实现主要有三种方式，一是感应能量传输（Inductive Power Transfer，IPT），利用磁场传递能量，这也是当下最流行的无线能量传输的解决方案；二是所谓的微波WPT，是微波为载体（300kHz-300GHz）在自由空间无线传播电磁能量的技术；三是电容能量传输技术（Capacitive Power Transfer，CPT），利用电场无线地传输能量。电动汽车主要涉及的是感应能量传输技术，该技术是基于电磁感应及耦合原理，利用现代功率变换技术，磁场耦合技术，借助现代控制理论，实现用电设备以非接触方式获取电能的一种电能传输方式。感应能量传输也被称作感应耦合能量传输（Inductive Coupled Power Transfer，ICPT）。在最近的20多年内，感应能量传输以其安全性和便利性，逐渐得到人们的青睐。

近年来，有学者提出了一种新的感应能量传输的应用场合——公路供电系统。在公路下埋设线圈，当电动汽车在这样的公路上行驶的时候，就能完成充电。由此可见，感应式能量传输系统有着非常广阔的应用前景，在许多行业都有其应用价值。

2011年，东南大学黄学良教授课题组针对无线输电在电动汽车中的应用进行了研究，以耦合模理论为基础，对线圈参数和传输效率的关系进行了分析。^[4][4]他们设计了一种相控电感电路，通过调节开关管的触发角，实现动态调谐，有效解决了负载变化导致谐振电容变化的问题，保证了系统的最大功率输出。

2012年起，南京航空航天大学陈乾宏教授与中兴股份有限责任公司展开合作，研发电动汽车大功率无线输电系统。于2014年9月在湖北襄阳上线国内首条商用无线充电大巴示范线，功率等级达到30kW。

可见，在可以预见的未来，电动汽车的无线充电技术将得到广泛应用。

电动汽车充电设施运营模式

上述的三种充电模式大致对应大型充电站模式、停车场充电桩模式、电池更换站模式三种充电设施运营模式。

公用充电站发展的主要障碍在于行业标准缺失、土地占用面积大。如今城市高楼密布，土地资源稀缺，大型充电站很难在城市大规模布点。例如作为我国中部重要城市的武汉，到最近才建成一座大型的公用充电站，其占地面积达2400平方米。充电站最大的优势在于快充，根据报道，武汉充电站内的快充电桩，可以在半个小时内充满汽车80%的电量，但是现在快充技术还必须减小对蓄电池寿命的伤害。综上所述，公用充电站不应作为主要的充电方式，公用充电站应该定位于满足各种社会车辆，特别是公共交通车辆的应急充电需求，以提供快充服务为主。这样可以提高单位时间内的面积利用率，变向节省土地成本。

停车场充电桩模式的主要特征在于其功率较低、使用方便、布点容易。从对基础设施的依赖程度上说，充电桩比加油站要容易得多。充电桩主要建在写字楼、住宅区、商业街的停车场，也可以建在人流量少的道路停车位两边，或者私人的车库中，一个充电桩约占地一两平方米。目前我国大城市停车困难，停车场充电桩模式难以发展的问题在于，停车费用高昂，私人停车位没有得到普及。城市中，充电桩之于电动汽车的数量，应该远远大于加油站之于燃料汽车的数量。在美国，大多数的个人汽车，一天 95%以上的时间都大致按照同样的日常作息时间表停放，所以，将充电桩建在停车场和路边则基本可以满足车主日常充电的需要。因此，当我国电动汽车的保有量达到一定规模时，停车场和路边的充电桩将成为最普及的充电设施。

电池更换站模式的主要特征类似于洗车店或者汽车装潢店。车主将汽车停在店面的小型停车场，更换站的工作人员使用专业设备对电池进行更换和维护。充电公司统一配送电池给门店，门店仅仅为车主提供更换电池和电池维修等服务，电池统一由充电公司进行大规模充电。这种模式对土地面积要求很低，占地面积较公用充电站小；更换站技术含量不高，可以大规模布点。最重要的是，这种模式可以杜绝电动汽车的无序充电行为，对电网稳定、经济运行十分有利。大规模统一充电方便集中调度、管理和监控，能够最大程度地利用低谷的电能，减轻电力系统峰谷差，有利于电力系统的安全稳定运行和电力资源的优化配置。但是，这种模式要求全行业必须建立统一的行业标准，规范汽车电池的接口，对行业的工业设计和标准化生产提出了更高要求。^[5][5]

电动汽车直流充电桩技术概述

电动汽车用直流充电桩，其实就是一个高频开关整流电源，俗称“快充”。作为为非车载电动汽车提供电能的供电装置，直流充电桩固定安装在停车位旁，是一种高电压、大电流、大功率的设备，它的输入电压采用三相四线制AC380±5%V，50Hz，输出的500V以上的可调直流电压，直接为车载电池进行充电，足以实现快充的要求。

图1.1 电动汽车直流充电桩

目前，电动汽车充电电源主要采用的直流充电桩，其主功率电路一般包括整流桥、LC滤波电路、高频变压器隔离DC/DC变换器等部分。对于大功率充电电源，通常采用不控整流桥，经LC滤波后，为DC/DC变换器提供直流输入，变换器的输出经过滤波后为电动汽车充电；为了减小开关损耗，其高频隔离DC/DC变换器的拓扑往往采用ZVS、ZCS技术。^[6][6]

本文主要研究内容

课题主要从探究最合适的整流拓扑开始，比较了多种工业上经常应用的大功率整流方案，选定了低谐波高功率因数的PWM整流方案。为了进一步降低谐波，提高电路性能，本设计在传统二电平整流电路的基础上，扩展出了三电平的PWM整流方案。并根据电路的开关函数推导出了拓扑在dq两相旋转坐标系下的数学模型。同时，基于前馈解耦方案，对d轴和q轴的电流进行了解耦，形成了直流侧电压对指令电压的跟踪和控制。选取SPWM调制方案，调制得到功率管的控制脉冲。最后利用MATLAB/SIMULINK仿真软件对整流电路进行仿真，利用其丰富的分析功能记录波形和实验结果。主要工作如下：

（1）简要介绍了整流电路的发展历史，论述了多种不同整流方案下的优缺点，叙述了电动汽车充电谐波的产生途径和抑制方法，提出了使用单位功率因数的整流器改善电能质量。并且，为了进一步降低偶次谐波含量，在硬件电路上选择使用电平数较多的三电平的二极管箝位PWM整流电路。对三电平的二极管箝位PWM整流电路的电路拓扑和工作原理进行了了简单的介绍，得出该电路是目前大功率整流领域改善电能质量的最有效的手段之一。

（2）着重分析了三电平PWM整流电路的运行原理，设定PWM整流电路的开关函数，列出了对应的数学表达式。根据电路等效图完成了三相abc静止坐标系的数学模型，通过3s-2r的坐标变换，进而得到了到两相dq同步旋转坐标系的坐标变换，推导出了两相dq旋转坐标系下电路的数学模型，为进一步分析电路的控制方法奠定了理论基础。

（3）明确了电压电流双闭环的电流直接控制方案，使用前端解耦的方法，分别对d轴和q轴的电流进行解耦后的控制。根据解耦之后的模型，画出了电压外环和电流内环的结构图，在此基础上，针对两个闭环的PI参数的确定进行了计算。

（4）根据主电路对电路控制的要求，分析两种PWM调制策略：SVPWM（空间矢量脉宽调制）调制策略和SPWM（正弦脉宽调制）调制策略，从方法的本质来对比两者的不同，以及各自的利弊分析了二者的原理和特点，本设计最终采用了三电平SPWM调制策略。

（5）文章的最后对于上述检测、控制策略、调制方法都进行了仿真研究，同时记录了实验数据和波形，分析了实验结果。

充电用整流电路比较

电力电子技术的诞生于1956年，当时的通用电气公司研制出第一个低导通电压的晶闸管，大幅度增长了半导体功率器件的功率变化范围。从电动机—发电机组，到电子管和离子管整流器，再到以电力半导体器件组成的换流器（Converter），电能的变换和控制方法随着器件的发展不断变化。整流方式也从二极管不控整流（Diode Rectifier）发展为硅晶闸管的相控整流（Phased Rectifier），再到可关断的全控型器件GTR、GTO，直至被高频IGBT构成的PWM（脉冲宽度调制）整流取代。我今天才敌法访问范畴赤西

整流方案选择

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