具有有源功率因数校正的多模块并联充电装置

摘要

汽车经过百年来的发展，各方面技术已经非常成熟。随着人们环保意识的日益提升，绿色能源已经成为目前汽车动力发展的重点。为改善传统汽车能源所带来的环境问题，以电能为动力的汽车应运而生。它以各种类型的蓄电池为能量载体，控制性、稳定性以及安全性都更为优秀，并且由于其零排放、无污染、可再生等优点使其获得了广泛的认可和关注。本文针对目前较为热门的电动汽车设计了具有有源功率因数校正(Active Power Factor Correction APFC)的多模块并联充电装置。
　　谐波为电子电力装置产生的主要污染，为从本质上消除谐波污染、减小开关损耗，本文设计了一种高效无桥Boost型PFC电路拓扑，实现了具有软开关的功率因数校正功能;采用Buck电路实现充电控制。
　　充电装置采用多模块并联的方式可提升直流供电装置的容量以及可靠性。本文详细分析了并联装置均流的原理，并对目前主流的均流控制策略的优缺点进行比较，确定了平均电流控制的校正策略。设计了基于CAN总线的平均电流均流控制策略。
　　采用分级定电流的充电模式为锂离子电池进行充电，解决了传统充电方式对锂离子电池的充电效果不理想的问题。结合锂离子电池的充电特性，确定充电曲线每个阶段的转换闽值，进行基于PI控制器的电流单闭环和电流电压双闭环的分段控制。
　　对APFC变换器以及Buck电路建立小信号模型，采用频域法设计控制系统中的电压和电流控制器，计算了电路的主要参数，完成了具体器件的选型。利用MATLAB/SIMULINK软件进行了仿真，验证了拓扑设计的正确性以及控制策略的合理性。
　　根据设计的输入输出指标，设计了前级基于UC3854芯片的功率因数校正模块，后级基于数字控制器STM32F407为核心控制系统的DC-DC模块，三模块并联的电动汽车充电装置。在理论分析设计以及仿真实验的基础上搭建了单模块实验装置，进行了必要的实验，进一步证实了电路参数计算的合理性以及控制策略的正确性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景及意义

1．2有源功率因数校正的研究现状

1．2．1功率因数校正的发展现状及研究意义

1．2．2功率因数校正的定义

1．2．3功率因数校正拓扑结构分类

1．3多模块装置并联均流技术发展概况

1．3．1均流控制的意义

1．3．2均流控制性能的衡量标准

1．4充电电源发展状况

1．4．1充电控制策略研究现状

1．4．2充电电源发展现状

1．5基于CAN的并联均流控制

1．6本课题研究的主要内容

第2章充电装置拓扑分析与建模

2．1无桥功率因数校正拓扑结构设计

2．1．1图腾式无桥Boost PFC电路

2．1．2双向开关型无桥Boost PFC电路

2．1．3双二极管型无桥Boost PFC电路

2．1．4双二极管型Boost PFC电路与传统Boost PFC电路能效对比

2．2改进的ZVZCS无桥BOOST PFC电路拓扑及工作原理

2．2．1高效无桥Boost型PFC电路拓扑结构设计

2．2．2电路模态分析

2．3有源功率因数校正变换器控制策略分析

2．3．1峰值电流控制策略(PCMC)

2．3．2滞环电流控制策略(HCC)

2．3．3平均电流控制策略(ACMC)

2．4无桥Boost型APFC主电路建模

2．4．1 APFC电路大信号建模

2．4．2 APFC电路小信号建模

2．4．3 APFC控制电路建模

2．5 DC-DC变换器建模与控制

2．5．1 Buck变换器小信号建模

2．5．2 Buck变换器的控制策略

2．6本章小结

第3章多模块并联充电装置均流控制研究

3．1均流的一般原理

3．2传统的均流方法分析

3．2．1主从均流法

3．2．2平均电流自动均流法

3．2．3最大电流自动均流法

3．2．4外加均流控制器均流法

3．3均流方案的优缺点分析及对比

3．4基于CAN和平均电流自动均流法相结合的均流控制策略

3．5本章小结

第4章充电装置软硬件设计

4．1单相有源功率因数校正变换器参数设计

4．1．1 APFC主电路参数设计

4．1．2基于UC3854的无桥Boost型APFC电路控制电路设计

4．2 DC-DC电路设计

4．2．1 Buck变换器主电路参数设计

4．2．2 Buck变换器控制回路设计

4．2．3基于STM32F407IG的控制电路设计

4．3 CAN通讯硬件电路设计

4．4主电路输出并联连接方式

4．4．1采用直流接触器连接方式

4．4．2采用功率开关管连接方式

4．4．3传统的并联输出连接方式

4．5并联充电电源的软件设计与实现

4．5．1主程序设计

4．5．2数字PI控制器软件设计

4．5．3单模块电源软件设计

4．6本章小结

第5章多模块并联充电装置仿真及实验结果分析

5．1多模块并联充电装置仿真

5．1．1充电装置仿真模型

5．1．2单相有源功率因数校正模块仿真

5．1．3单模块装置仿真

5．1．4多模块并联装置仿真

5．1．5多模块并联装置充电仿真

5．2单模块装置实验验证

5．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢