直流充电桩电源模块设计及仿真开题报告

 2020-02-18 07:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.1 研究背景
随着经济的迅猛发展,汽车保有量不断攀升,化石能源的消耗量日益升高,随之而来的能源危机问题和环境污染问题迫使世界各国更加重视新能源的开发,电动汽车和新能源发电技术应运而生。电动汽车具有节能、零排放、低噪声、效率高等优点,逐渐成为世界各国政府和汽车企业关注的焦点,有望成为未来汽车工业发展的主流方向。我国也在积极采取措施,推动电动汽车在我国的发展。
近几年来,我国相继颁布了一系列支持电动汽车发展的政策,例如《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》、《国务院办公厅关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》、《关于电动汽车用电价格政策有关问题的通知》等。从国家出台的相关政策可以看出,大力发展以电动汽车为代表的新能源汽车是我国今后的一个重要战略方向,汽车产业的格局必将迎来重大变化。在国家政策的扶持下,电动汽车的销量逐年上升,人们对电动汽车的认可度逐渐提升,我国以电动汽车为首的新能源汽车保有量不断上升。截至2017年末,我国新能源汽车的保有量已达153万多辆。
在电动汽车快速发展的过程中,必须要解决的问题就是充电问题。大力推进充电基础配套设施——各类分散式交直流充电桩、大型集中式充换电站的建设,是当前推广电动汽车应用的紧迫任务,是推进新能源消费革命的重要战略举措。截至2015 年,我国计划建成的充电站的数量就达到了一千五百多个,并且计划完成的充电桩数量达二十多万个。
充电桩分为交流充电桩和直流充电桩,由于交流充电桩提供的充电速度相对较慢,所以直流充电桩将成为市场发展的主流。直流充电桩电源模块的主要功能是为新能源电动汽车的动力电池充电,其质量直接影响充电的效率和可靠性。作为直流充电桩的核心组件,对于电源模块的研究和设计是一个非常关键的课题。

根据新能源电动汽车行业标准和非车载充电机的相关技术要求,规划了直流充电桩电源模块整体电路结构方案,最终电源模块的电路结构采用ac-dc和dc-dc两级变换器结构。ac-dc 变换器的目的是将交流输入电变换为输出稳定的直流电,dc-dc 变换器的目的是将前级输出的直流电变换为最终满足要求的直流电。


1.2 国内外研究现状
1.2.1 直流充电桩
国家能源局发布的直流充电桩相关的行业标准《nb/t 33001-2010:电动汽车非车载传导式充电机技术条件》中指出,直流充电桩的基本构成包括:功率单元、控制单元、计量单元、充电接口、供电接口及人机交互界面等。功率单元是指直流充电模块,控制单元是指充电桩控制器。直流充电桩本身作为一种系统集成产品,除了 “直流充电模块”和“充电桩控制器”这两个组件构成了技术核心之外,结构设计也是可靠性设计的关键点之一。
直流充电桩的电气部分由主回路和二次回路组成。主回路的输入是三相交流电,经过输入断路器、交流智能电能表之后由整流模块将三相交流电转换为电池可以接受的直流电,再连接熔断器和充电枪,给电动汽车充电。二次回路由充电桩控制器、读卡器、显示屏、直流电表等组成。二次回路还提供“启停”控制与“急停”操作;信号灯提供“待机”、“充电”与“充满”状态指示;显示屏作为人机交互设备则提供刷卡、充电方式设置与启停控制操作。

鉴于直流充电桩的输出功率较大,其输入通常为三相交流电。市场上的直流充电桩电源模块一般采用两级式结构,前级电路是三相有源功率因数校正电路,可以减小输入电流的畸变,提高整机的功率因数,减少对电网产生谐波污染;后级电路采用高频隔离型功率电路,将电网与动力电池进行电气隔离,同时实现输出电压的宽范围调节。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 设计的基本内容
设计额定功率为20kw的直流充电桩电源模块,实现380vac输入,恒定直流电流输出。选择合适的拓扑结构设计硬件电路,采用simulink模块搭建电路并仿真以实现直流充电桩的预期功能。

根据新能源电动汽车行业标准和非车载充电机的相关技术要求,规划了直流充电桩电源模块整体电路结构方案,直流充电桩的整体电路结构如附件所示。

电源模块的电路结构采用ac-dc和dc-dc两级变换器结构。ac-dc变换器的目的是将交流输入变换为稳定的直流输出,dc-dc 变换器的目的是将前级的直流输出变换为满足最终要求的直流输出。而在电源模块进行功率变换工作的过程中,控制电路采集ac-dc变换器以及dc-dc变换器的输出电压与电流,输出驱动信号以控制相应环节开关管的开通以及关断。
根据以上电路结构,具体应当进行以下方面的研究:①ac-dc变换器环节的拓扑结构选取,②dc-dc变换器环节的拓扑结构选取,③控制电路以及驱动电路的设计,④将各个模块环节合并组成直流充电桩电源模块整体电路。


2.2 设计的目标
设计额定功率为20kw的直流充电桩电源模块,实现380vac输入,恒定的直流电流输出。并利用matlab中的simulink模块实现变换器主模块,控制电路模块、控制策略模块的仿真以及直流充电桩电源模块整体电路运行特性的模拟,使该仿真能达到设计要求,得到正确的仿真曲线。

2.3 设计拟采用的技术方案及措施
2.3.1 ac-dc变换器模块
三相三电平三开关 pfc 电路也称 vienna 整流器。相比于传统的三相pwm 整流器,vienna 整流器结构新颖,系统性能优秀,且开关管承受的电压应力低、无电压直通问题、无需设置死区时间、需要控制的开关器件少、控制和驱动相对容易。在大功率应用领域,采用三相vienna 整流器不仅可降低功率开关管及二极管的电流应力,还可减小输入电流的电流波动,减小滤波器的体积。通过采用交错并联技术,使两个三相vienna 整流器的输出高频波动互补,从而达到降低总输出电压高频波动,降低干扰的目的。
因此ac-dc变换模块采用vienna整流器。

2.3.2 dc-dc变换器模块

为了减小直流充电桩电源模块的开关损耗,提高其工作效率,本系统的后级采用全桥llc谐振变换器。全桥三电平 llc 谐振变换器基本的硬件包括两个全桥三电平桥臂 q1 -q8(本样机中,由于q1和q4的关断电流较大,故采样了双管并联)及其并联电容 c1-c8 、输入分压电容滤波电容 cd1和cd2 、四个续流二极管 d9-d12 、两个飞跨电容css1和c ss2 、变压器副边为全桥整流包括四个二极管dr1-dr4、滤波电容 cf 、谐振电感 lr(包含了变压器原边漏感),变压器励磁电感lm(即为变压器原边电感),谐振电容cr。

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3. 研究计划与安排

第一周 调研课题背景与国内外研究现状,查阅相关文献资料,明确研究内容,了解研究所需理论基础。


第二周 熟悉掌握基本理论,完成英文资料的翻译。


第三周 提交开题报告初稿,提交外文翻译。

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4. 参考文献(12篇以上)

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