电动汽车锂电池组双向充电逆变一体机设计开题报告
2021-03-10 11:03
1. 研究目的与意义（文献综述）
| 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 1.1 目的及意义 进入二十一世纪以来，人类对能源的需求越来越大，化石能源是人类应用最广泛的能源，其存量越来越少，能源问题已经成为制约各国经济发展的主要因素之一。另外，化石能源的燃烧产生的温室效应和大气污染等问题，给全球生态环境造成了无法估量的损失。因此，世界各国纷纷采取措施减少对化石能源的依赖，推广使用以电能为首的一类清洁能源。 交通运输方面，各国都在发展和普及电动汽车，以替代以汽油为燃料的传统汽车。在电动汽车各类储能元件中，锂电池具有更轻的重量，更小的体积，更高的能量密度，更长的使用寿命，和越来越低的价格，广泛应用于电动汽车中。 电动汽车的使用将会越来越广泛，但是其充电标准却还没得到统一。研究更便捷使用的充电机将有利于扩大电动的使用范围。本文希望设计一种充电逆变一体机，使得电动汽车不仅是一种环保的交通工具，也是一种分布式储能单元，在用电低谷时由电网为新能源汽车智能充电，在用电高峰时实现新能源汽车向电网馈电，从而起到对电网负荷削峰填谷的作用。 1.2 国内外研究现状 为了实现车载充电器双向充电逆变的一体化功能，同时避免充电时对电网的谐波污染，逆变时为负载提供正弦度好的正弦信号。本设计主要涉及双向DCDC变换器的研究、充电放电控制策略的研究等部分。 1.2.1 双向DCDC变换器研究现状 双向DCDC变换器是指在保证输入端和输出端电压极性不变的情形下，根据外界需求改变输入输出电流的方向从而调节能量流动的方向。根据电路中是否需要电气隔离，可分为非隔离型拓扑结构和隔离型拓扑结构两种。 双向非隔离型DCDC变换器的常用拓扑结构结构是将基本的直流变换器中的无源开关用有源开关代替构成的，具有电路简单，所需元件数目少等优点，在不需要电气隔离的场合得到广泛应用。 双向隔离性DCDC变换器是通过在非隔离的双向DCDC变换器中增加高频变压器实现的，按照输入端直流电源的性质可分为双电压源型双向DCDC拓扑结构结构和电流-电压源型双向DCDC拓扑结构两种，基本拓扑结构结构如图1-1和1-2所示[3][6][7][16]。
图1-1 双电压源型双向DCDC拓扑结构结构
图1-2 电流-电压源型双向DCDC拓扑结构 图1-2为双电压源型拓扑结构，其特点是变压器两侧的变换器均为电压源型，通过移相角来控制功率的流向和大小，变压器环流大，容易造成磁芯饱和，损耗大，效率低。另一方面因为没有额外的电感，系统功率的传输借助于变压器的漏感来完成，传输的效率低，在工作时电流纹波相对较大，功率管所承受的电流应力大，容易误动作。 图1-3为电流-电压源型双向DCDC拓扑结构结构，为了保证低压侧电流近似为一恒流源，在低压电源侧串接一大电感来降低电流纹波，故低压侧称为电流型变换单元。而高压侧由于电流小无需大电感通常并联大的滤波电容，因而称为电压型变换单元。当低压侧电池放电时，可通过采集输出端电压参数的闭环控制来实现对高压侧输出电压稳定的要求；当高压侧母线向低压侧电池充电时，为了延长电池的使用寿命，要求对其进行恒流充电，所以需要对充电电流进行闭环控制。 目前电流-电压型双向DCDC变换器性能优于其它类型，使用最为广泛，本设计也将针对这一电路拓扑结构进行研究。 隔离型双向DCDC变换器的都有两个相同的特点[7]：一是变换器能量的储存和传递都是通过变压器的漏感和变压器所串联的电感来完成的，它们是变换器进行能量传递的核心元件，也是确保变换器实现软开关的关键元件。二是通过合理地控制开关器件的通断，使隔离变压器两侧的等效单元之间产生功率流动。根据控制功率流动的方式的不同，双向DCDC变换器有以下三种控制方式[5][8][9][10]。 （1）占空比控制方式 占空比控制是一种定频调宽的控制方式，主要通过脉冲宽度的调节来实现对双向DCDC变换器的控制。具有电路拓扑结构简单，动态响应速度快，控制策略简单等优点。但不容易实现软开关，使得系统损耗增加，效率下降。 （2）移相控制方式 对于隔离型的双向DCDC变换器，以变压器为分界，参照二端口网络的定义，从其原副边往外看分别等效为两个产生电压方波的独立单元，通过调节两方波电压之间的相位差使输入输出电流大小及方向发生变化，从而达到控制传输功率大小和方向目的，即为移相控制。移相控制可以实现变换器开关器件的软开关，降低损耗，文献[11][12][13]指出，移相控制有个缺点，当变压器两端方波电压不匹配时传输功率达不到额定值，且流进变压器原边的电流峰峰值增大，损耗增加，传输效率减小，因而移相控制仅在电压匹配的情况下使用。 （3）移相加PWM控制方式 考虑到移相控制在变压器左右两等效单元电压不匹配时的弊端，文献[11]提出了一种新型的控制方式，移相加PWM控制。在移相控制的同时加入PWM控制，通过实时调整占空比，相当于在原电路中增加了一个电子变压器来达到两个方波电压源电压匹配的目的。通过移相控制来改变传递功率的方向和大小。 1.2.2 车载充电器控制策略研究现状 目前，车载充电器主要由整流装置和高频DCDC变换器构成，由于它是非线性元件，会给电网带来谐波污染，因此充电环节需要增加功率因数校正电路。 功率因数校正电路按照实现功率因数采用元件的不同可分为无源功率因数校正电路和有源功率因数校正电路[14][15]。无源功率因数校正电路通过在电路中加入无源网络，能抑制电路中的电流脉冲，从而减小输入电流的谐波含量，改善系统的功率因数。具有拓扑结构简单，稳定性强等优点。但无源功率因数校正电路一般只能将功率因数校正到0.8左右。有源功率因数校正电路则应用全控功率器件构成有源网络，采用合适的控制方式来达到输入电流与输入电压波形相位相同且均为不失真的正弦波的目的，从而可以使得功率因数近似为1。这种方式可使得系统输入电流高频谐波分量少，功率因数高，输入电压在宽范围波动的情况下仍然能正常工作，具有控制方便，系统能输出较稳定的电压，体积小、重量轻，抗电磁干扰能力强，效率高等优点，但电路相对于无源PFC而言较复杂。 1.2.3 车载逆变器控制策略研究现状 逆变器为实现直流电能到交流电能转换的装置。逆变器按照不同的分类方式可分为： （1）按照电路拓扑不同有桥式和非桥式电路，其中桥式电路又可分为半 桥电路和全桥电路。 （2）按照控制方式有调频式（PFM）逆变器和调脉冲式（PWM）逆变器。 （3）按照输出电能是否回馈电网有源逆变电路和无源逆变电路。 （4）按照直流侧滤波形式有电压源逆变器和电流源逆变器。 逆变器多采用脉冲调制技术（PWM）来控制电路，即通过限定开关周期和 更改导通比来实现对输出电压的控制。其中PWM控制技术中脉冲的宽度按照正弦规律变化而和正弦波等效的控制称为SPWM控制。SPWM控制以调节输出电压中基波电压值，提高输出电压最低次谐波的阶次并降低谐波次数，提高效率而得到广泛应用。 |
2. 研究的基本内容与方案
| 2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 2.1 设计的基本内容 （1）系统总体方案设计：包括功能需求，充电逆变双向一体化主电路拓扑结构，充电方法选择； （2）充电逆变一体化硬件设计：包括输入电源整流电路，功率输出主电路，MCU控制电路，功率驱动电路，电压、电流温度采集处理电路，通信电路的设计； （3）充电逆变一体化软件设计：包括系统软件结构和功能，控制系统主程序，信号采集与处理软件，IGBT驱动控制软件，通信软件设计，控制算法的设计； （4）系统仿真与测试：掌握Matlab仿真工具及Excel数据库软件，进行相关系统仿真与测试。对主电路进行仿真，控制算法仿真，系统测试。 2.2 设计的基本目标 通过对硬件、软件的理论设计和系统仿真，完成电动汽车锂电池双向充电逆变一体机的设计，使其满足如下参数要求： （1）充电时：具有任意设定、自动恒流充电和自动恒压充电功能； 输入：额定交流AC电压单相220V10% ，额定电流23A； 输出：直流DC标称电压360V，电压范围300~460V，电流范围0~14A；额定功率5000W；效率90%； （2）放电时：具有逆变功能； 输入：锂电池直流DC标称电压360V，电压范围300~460V，电流范围0~14A；额定功率5000W 输出：逆变额定交流AC电压单相220V10%；额定电流23A；效率大于90%； （3）保护功能：过压保护，欠压保护，过流保护，短路保护，过温保护； 2.3 采用的技术方案及措施 2.3.1 双向DCDC变换器采用的方案 本设计将采用电流-电压型双向DCDC变换器方案，其拓扑结构如图2.1所示。
图2.1 电流-电压型双向DCDC变换器拓扑结构 当电动汽车作为储能单元向电网馈电时，系统执行特定的控制策略和算法，将高频变压器原边工作在类似于Boost电路，通过对Q1和Q2导通时间(占空比)的调节，可以在半桥中点获得不同的电压。同时利用Q1和Q2的轮流导通，在变压器原边得到正负交替的脉冲电压，传递给高频变压器T1副边，通过Q3和Q4的反并联二极管整流成直流，并对电容C3、C4充电。在电容C3、C4足够大的情况下，电容上的电压可以认为不变。然后通过DCAC逆变器产生220V交流电，为逆变并网提供稳定、干净的交流电流。 当电网向电动汽车锂电池充电时，电能流向相反。来自电网的交流电能经过DC/AC逆变器转换为直流电。控制算法使高频变压器副边工作在类似于Buck电路，利用Q3和Q4的轮流导通，在高频隔离变压器T1的副边得到正负交替的脉冲电压，传递给高频变压器T1的原边；利用Q1和Q2的反并联二极管进行整流，把高频变压器T1上的脉冲交流电压整流成直流，给动力电池充电。 电动汽车的充电环节会给电网带来谐波污染，因此需要增加功率因素校正电路。功率因素校正是由DC/AC逆变器结合一定的控制算法实现的，其拓扑结构如图2-2所示。
图2.2 DC/AC变换器拓扑结构 为了实现功率因素校正，当电动汽车连接电网进行充电时，通过控制算法使DC/AC逆变器工作于数字无桥APFC状态，提供补偿处于充电工作状态下DC/DC所消耗的无功功率，减少了无功功率在电网中的流动，降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗。 2.3.1 充放电控制策略采用的方案 采用智能控制算法对蓄电池的充放电电流、电压进行动态控制，使锂电池组始终工作在最佳的维护状态。 如果电池要求充电，双向一体电源系统开始工作，对锂电池组的充电采用智能动态控制。BMS先检测锂电池参数，若电池端电压低于给定最小值（电压过低），则进入涓流充电的预充模式，并实时监测电池的端电压，直到电压达到给定值。当端电压等于或大于给定值时，立刻进入恒流充电模式以提高充电速度。恒流充电阶段时，与最大充电电压进行实时比较，当检测到的电压到达额定最大值时，进入恒压充电模式，这样可以保证锂电池不过充，从而避免损坏电池。恒压充电阶段，充电策略通过检测电池温度，保证充电安全，若温度过高，则停止充电。当电池端电压达到设定值后，进入涓流充电模式，经过浮充充电后，电池端电压稳定为额定值，以保证电池充满。 |
3. 研究计划与安排
| 2.17 - 2.23 撰写并完成开题报告，无错字、别字，格式规范。 2.24 - 3.02 修改、完善开题报告，进行开题答辩，主要对研究意义（1-3句话）、目标（1-3句话）、内容（1-3句话）、技术路线，重点就技术路线中主电路框图、控制电路框图进行讲解。 3.03 - 3.09 撰写毕业设计论文目录，需要获得指导老师认可。 3.10 - 3.16 深化、细化技术方案内容，搜索并理解相应。 3.17 - 4.06 根据理论，采用Matlab搭建模块进行仿真理论。 4.07-5.27 仿真结果优劣进行具体分析，提出改进思路和办法，针对研究目标、内容进一步细化课设内容。（优化） 4.28-5.25 根据论文目录撰写正文，内容层次清楚，格式规范。 5.26-6.01 修改、完善论文。 6.02-6.08 打印论文，准备答辩。 |
4. 参考文献（12篇以上）
| 4、参考文献 [1] 滕乐天. 电动汽车充电机（站）设计[M]. 北京：中国电力出版社，2009. [2] 陈无畏. 汽车车身电子与控制技术[M]. 北京：机械工业出版社，2008. [3] 阮新波，严仰光. 脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术[M]. 北京：科学出版社，1999. [4] 李俄收，朱会田. 电动汽车蓄电池的充电方法和充电设备[J]. 电源技术，2010. [5] 王兆安，刘进军. 电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，2009. [6] 肖华锋. 基于电流源型半桥拓扑结构的双向直流变换器技术研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2007. [7] 陆芬. 电流—电压型半桥双向直流变换器的研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2010. [8] 吴爱国，李际涛.DC-DC变换器控制方法研究现状[J]. 电力电子技术，1999，33(2)：75-78. [9] 刘春美. 光伏发电系统移相全桥DC/DC变换器及控制方法研究[D]. 西安：西安理工大学，2010. [10] 马学军. 数字移相控制隔离型半桥双向DC/DC变换器研究[J]. 华中科技大学博士学位论文. 武汉：华中科技大学，2005，10. [11] 吴雪花. PWM加移相控制双半桥双向DC-DC变换器[D]. 南京：南京航空航天大学，2012. [12] Li H, Peng F Z, Lawler J S. Anatural ZVS high-power bi-directional DC-DC converter with minimum number ofdevices[C].Industry Applications Conference, 2001. [13] Holland K, Shen M, Peng F Z.Z-source inverter control for traction drive of fuel cell-battery hybridvehicles[C].Industry Applications Conference, 2005. [14] 胡雪梅，孙旭松. 有源功率因数校正技术及发展[J]. 电气时代，2006(4)：116-118. [15] Huaiying C，Wenjuan L，Bo J.Simulation and experiment of single-phase APF with one-cycle control[C].Measurement, Information and Control (ICMIC), 2013. [16] Samavatian, V.,Bathaee, S.M.T,Fereidunian,A. et al.Half-bridge current-fed multi-resonant bidirectional three-port DCDCconverter for flexible distributed generations[C].//2014 5th PowerElectronics, Drive Systems and Technologies Conference: 2014 5th PowerElectronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC 2014), 5-6Feb. 2014, Tehran, Iran.2014:172-176. |
