高功率密度电动汽车充电桩的研究与设计

摘要

由于石油等自然资源的枯竭和环境污染问题越来越严重，电动汽车作为环保型交通工具，受到了诸多方面的重视。如何解决充电问题又是电动汽车普及的重要因素，充电桩作为解决充电核心问题，设计一款高功率、高密度、高效率的充电桩有着重大意义。本课题采用两级结构设计充电桩，前级三相三电平VIENNA整流器作为功率因数校正（PFC）电路，后级全桥LLC谐振变换电路，三相三电平VIENNA整流器所使开关器件少，电压应力低，结构简单。后级采用全桥LLC谐振变换器，降低电路损耗，提高整个电路的输出功率。　　首先详细叙述了VIENNA整流器的工作原理，分析了在不同开关状态和电流极性下的电路状态。在此基础上，推导并建立了在abc、α-β和d-q三种不同坐标系下的整流器数学模型和等效电路。采用三电平SVPWM，为了便于计算，将三电平SVPWM转换为等效两电平SVPWM。　　其次对比分析了VIENNA整流器内环采用电流前馈解耦控制和无差拍功率预测控制的优缺点，采用功率无差拍控制因为有预测误差，改进算法预测了K+2时刻的功率，在K+1时刻提前执行，减小了延时和滞后的影响。电压外环采用PI控制，稳定输出电压，提高抗干扰能力，并搭建MATLAB仿真，验证算法的可靠性。　　对后级全桥LLC谐振电路进行了电路工作状态分析，利于基波近似法推导出等效电路，并推导出谐振电路的等效电压增益，对电路工作区域的划分，对电路的稳态进行了分析，以及对谐振腔参数的计算，并搭建了仿真验证其电路工作的可靠性。　　最后针对选定的充电桩设计方案，搭建了实验平台，对电路参数，采样调理电路，隔离驱动电路进行了计算和设计，给出了软件设计流程图，并验证了相关控制算法，结果表明整体电路结构基本符合性能指标要求，当输出电压大于500V时THD值可以降低到5%以下，最大输出功率可以达到15kw。

目录

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致谢

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 充电桩的发展及趋势

1.3.1 常用功率因数校正电路

1.3.2 基于VIENNA整流器的前级功率因数校正电路

1.3.3 VIENNA整流器控制策略

1.4 充电桩后级DC/DC变换器

1.5 本文主要研究内容

2充电桩前级VIENNA整流器原理及建模

2.1 VIENNA整流器工作过程分析

2.2 建立VIENNA整流器的数学模型

2.2.1 基于abc自然坐标系下的数学模型

2.2.2 基于d-q旋转坐标系下的数学模型

2.3 基于VIENNA整流器的三电平SVPWM调制策略分析

2.4 本章小结

3VIENNA整流器的控制方法的研究

3.1 电流前馈解耦控制

3.2 无差拍直接功率预测控制

3.2.1 无差拍控制的基本原理

3.2.2 基于α-β坐标轴下的改进无差拍直接功率预测模型

3.3 直流输出电压外环PI控制

3.4 系统仿真分析

3.4.1稳态仿真

3.4.2 动态仿真

3.5 本章小结

4充电桩后级全桥LLC谐振电路

4.1 全桥LLC谐振变换器的工作原理

4.2 全桥LLC谐振变换器的等效电路模型

4.3.1 电压增益分析

4.3.2 阻抗特性分析

4.4 LLC谐振变换器的电路参数设计

4.4.1谐振变换器的参数设计和计算

4.4.2 功率开关管和二极管选择

4.5 仿真研究

4.6 本章小结

5充电桩的硬件设计与调试

5.1 VIENNA整流器主电路的设计

5.1.1 交流侧电感的选择

5.1.2 直流侧电容的选择

5.1.3 电路二极管及功率开关管的选择

5.2 控制系统的硬件设计

5.2.1 采样电路和保护电路

5.2.2 隔离驱动电路

5.3 控制系统的软件设计

5.4 实验结果与分析

5.5 本章小结

总结与展望

1、总结

2、展望

参考文献

作者简历

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