最新电动汽车充电桩的设计毕业汇编.docx
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最新电动汽车充电桩的设计毕业汇编
最新电动汽车充电桩的设计--毕业汇编
辽宁科技大学
毕业设计（论文）
题目名称
电动汽车充电桩的设计
题目类型
毕业设计
系部
电子信息与工程系
专业班级
自动化12
学生姓名
张樱舰
指导教师
程万胜
辅导教师
程万胜
时间
2016.5.04至2016.6.04
摘要
随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动汽车以其零排放，噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，电动汽车已成为2l世纪汽车产业的发展方向．电动汽车的迅速发展，对电池能源的要求越来越高，因而电池运行状态的管理变得越来越重要。
本文深入地研究电动汽车的电池管理系统，并提出合理的系统设计思想与实现方法。
首先介绍了电动汽车的发展历史和电池管理系统的技术现状，以及剩余电量预测的几种模型，以删一Ni电池作为研究对象，在分析MH-Ni电池的工作原理、电池的电压、电流和温度特性和传统预测方法的基础上，提出采用经验与积分计算结合的电池剩余容量预测方法。
在对蓄电池快速充电原理和目前各种充电方法的研究基础上，提出了两阶段充电模式，即在充电前期采用多段恒流充电和脉冲充电相结合的快速充电方法，而在充电后期采用定电压补足充电法；对蓄电池快速充电的控制技术进行了探讨，在设计中，采用了具有电池电压负增量控制、电池最高电压控制和电池温度控制功能的综合控制法。
综合以上研究，本文介绍了所研制的一种分布式、功能模块化的车载电池管理系统，它主要由主控模块、可控充电系统模块、电压采集子模块、温度采集子模块，电流测量子模块及显示模块构成，通过LIN总线实现相互通讯。
并根据该总体设计，具体分析讨论了各个模块电路具体设计及实现方法。
关键词：
电动汽车：
电池管理系统：
剩余容量：
快速充电
Abstract
Withthesocialdevelopment，increasinglyprominentenergyissuesandenvironmentalprotectionissues．pureelectricvehicleswithzeroemissions,lownoiseadvantagesarcgettinggrowingattentionbytheword,electricvehicleshavetobethecurrentofautomohileindustrygreencar．Asthefastdevelopmentoftheelectricvehicle,therequirementtothebatterytechnologyishigherandhigher．Sothemanagementofthebatteryworkingstateisalsomoreandmoreimportant．Thepaperhasdeeplystudiedthetractionbatterymanagementsystemofelectricalvehiclesandtheloficaldesignthoughtsandrealizedmethodshavebeenputforward．Atfirstintroducedelectricvehicleandthehistoryofthedevelopmentofthebatterymanagementsystemcelltechnology,andtheremainingmarginsofseveralmodels．InthispaperMH-Nibatteriesisresearched,bycarefulanalysisofMH-Nibatteriesworkprinciples,thebatteryvoltage,currentandtemperaturecharacteristics．ThenalogicalSOCmeasuringmethodhasbeenraised,whichisthecombinationofexprienceandintegralcalculation．Onthebaseofresearchingquick-chargingtheoryandsomechargingmethod,thetwophaseschargingmodehasbeenputforward；probedintothecontroltechniqueofquick-chargingforbattery,intheactualdesign,usedthecolligationcontrolmethod,whichmadeupbyvoltagenegative-incrementcontrol、topmostvoltagecontrolandtemperaturecontrol．Thedesignofadistributed,modularizedelectricbatterymanagementsystemcomprisedbycentercontrol、intelligentcharging、andvoltage、temperature、currentmeasuringmoduleswasdescribed,inwhichthedatacornmunicationbyLINBus.Concretelyanalyzedthecircuitparameterinhardwaredesign,usedtheAtmegaolastheMCU。
Keywords:
Single-chip;internalcontrol;DS
1绪论
目前，我国石油资源十分短缺，人均占有的探明可采储量仅相当于世界平均水平的7．7％；同时，我国资源消耗过多，2004年，我国GDP产出消耗的能源量是世界平均水平的3．36倍，是美国的4倍多，是日、英、德、法等国的近8倍，2005年，我国石油净进口1．36亿吨，占石油全部消费量的42．9％。
本文内容安排如下：
首先，阐述了选题的目的和意义，然后介绍了电动汽车充电桩，电动汽车的产生背景以及国内外发展历史和趋势。
其次，研究电动汽车在电力电子方面的原理，为后文理论奠定基础。
再次，设计整流与逆变电路。
第四步，编写编码程序，实现面板上的操作。
最后，对全文进行总结。
2选题背景
2.1选题目的和意义
本课题属于国家高技术研究发展计划（863计划）电动汽车重大专项的子项目“杭州市工况下电动汽车运行考核试验研究”（课题编号：
2005AA501980），由万向电动汽车有限公司承担，项目主要研究
内容包括：
（1）研究杭州市工况下电动汽车运行维护体系建设规范（充电桩布局、充电模式及充电设备的技术参数要求）；
（2）完成基于快换式电池组的智能充电桩信息系统的建设；
（3）完成一套车载测试系统的开发；
（4）完成车载信息平台的开发，完成车辆运行信息的采集、显示、报警与传输；
（5）应用车载测试系统，对杭州市公交车进行行驶工况的统计及分析研究；
（6）依托所开发的车载信息平台与车载测试系统，研究电动公交车和电动出租车在杭州市工况下的运行参数和运行模式，对电动汽车的设计及产品改进提供依据；
2.2国内外现状和发展趋势
智能充电桩的研究是与电动汽车产业化同步发展的，我国与西欧、北美等发达国家基本上处于同一起跑线上。
但在一些简易充电桩的建设上，北美等发达国家显然已经走在前头，譬如美国，由于政府的鼓励与法律政策的扶持，电动汽车数量相对较多，通用汽车公司生产的EVl、日本丰田公司的RAV4EV等已经在美国进入了家庭，在其大多数城市内均已建立了多个简易充电桩，包括非接触式充电桩与接线式充电桩。
在我国，充电桩的研究随着电动汽车示范运行的开展也已经开始取得了一些突破性的进展。
总的来讲，国内在充电桩的研究的已经展开，但目前仍然局限于多台充电机的简单组合，在电动汽车动力电池组的快速充电与正常充电的充电模式、充电参数的设置方面仍处于经验设置、摸索阶段，在充电过程中电池的温度、绝缘、过充的报警和保护这些应用方面的研究则有待深入。
国内所开发的电动汽车充电桩有些虽已投入运行，但其综合性能指标并不太理想，进一步开发高效、高可靠性、高适应性和高通用性的智能充电桩系统仍有大量研究工作需要深入开展。
2.3课题的设计目的
1.巩固、加深和扩大电力电子应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决问题的能力。
2.培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。
3.通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉电力电子的开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。
3基本理论
3.1实现电动汽车充电的基本条件
标识系统交流充电桩整体形象满足国家电网公司标识系统的一般要求。
有明显的发光指示，确保夜间使用易于查找和辨别。
并配备户外遮雨设施。
结构要求交流充电桩壳体应坚固；结构上须防止手轻易触及露电部分。
设计外观标识应符合国家电网公司统一要求标准。
电源要求：
50电源要求采用单相220V；允许电压波动范围为220V±10%；频率：
Hz±1Hz。
IP防护等级交流充电桩应遵守IP32（在室内）或IP54（在室外），室外环境应用时应设置必要的遮雨设施。
三防（防潮湿，防霉变，防盐雾）保护：
交流充电桩内印刷线路板、接插件等电路应进行防潮湿、防霉变、防盐雾处理，保证充电机能在室外潮湿、含盐雾的环境下正常运行。
防锈（防氧化）保护：
交流充电桩铁质外壳和暴露在外的铁质支架、零件应采取双层防锈措施，非铁质的金属外壳也应具有防氧化保护膜或进行防氧化处理。
平均故障间隔时间（MTBF）：
MTBF应不小于30000h。
3.2硬件设计理论
1、充电机以隔离型桥式DC／DC变换器为主体结构。
2、控制系统由驱动板和单片机（CPU）控制系统组成。
3、人机接口由按键和六位数码管组成。
4、充电机内部装有输入／输出电能计量装置。
5、最大输出功率50KW，最大输出电流100A，最高输出电压500V。
长期额定使用的最大输出电流为80A，最高输出电压为480V。
6、具有恒流和恒压运行模式。
7、充电过程的多模式控制。
整个充电过程都由充电机内部的CPU控制，最多可以将整个充电过程分成六个阶段，每个阶段的运行参数和不同阶段间的转换条件都存储在非易失性存储器（EEPROM）中，可以通过充电机的键盘或计算机监控网络来修改参数。
8、具有计算机远程监控能力。
充电机带有隔离485通信接口，通过隔离485通信接口可以组成计算机监控网络，监视和记录每台充电机的运行数据、修改每台充电机的运行参数、控制充电机的启动和停机。
9、具有并联运行能力，两台甚至三台充电机可并联运行。
每台充电机都有工作模式选择开关，可以选择单机或并联运行模式。
当多台充电机并联运行时，其中一台充电机应设置为并联主机，其余设置成并联从机。
所有操作在并联主机上进行。
并联从机会自动跟随并联主机运行。
10、具有完善的保护功能。
充电机提供两大类故障保护：
可恢复故障和不可恢复故障。
对于可恢复故障，当故障消失后，充电机可自动恢复运行。
对于不可恢复故障，为保证人身及设备安全，必须人工恢复。
4电动汽车智能充电电路设计
4.1系统基本功能
电动汽车智能充电系统的设计，主要目的是实现铅酸蓄电池组智能充电，具体而言，智能充电系统的设计应该实现以下几点t
（1）它在较短的时间内能够实现对蓄电池组的充电，使其电池容量达到工作的要求。
能够对电池组的初始状态做出检测，确定蓄电池组的初始荷电状态，端电压，电池温度。
如果初始电压值低于系统设定的阀值（最小电压值，又称门限值）时，则首先对电池组进行小电流涓流充电。
直到电池组的端电压达到设定的阀值时，系统再自动转入快速充电阶段，按照设定的快速充电策略对电池组进行快速充电。
当蓄电池充满电之后，系统自动转入浮充状态，对蓄电池组进行补足充电。
系统在渭流充电，快速充电和浮充三种状态之间能够根据实际情况，自动做出切换实现充电的智能性。
（2）系统电路在工作时，能够对蓄电池组的状态做到实时监测，对系统参数进行实时采样和分析，并及时做出反馈调整蓄电池充电的相关参数，保证蓄电池组在其充电电流曲线近似逼近理想曲线的状态下对电池组进行充电。
（3）能防过充、去硫化，对蓄电池组存在的不均衡性进行调整，减小每个蓄电池之间的差异性，延长蓄电池组的使用寿命。
（4）系统在充电的整个过程中，从充电初期到最后充电结束，通过硬件和软件的手段提高电路的可靠性，使得电路能够正常的工作，不会出现意外情况造成设备严重损坏和人员伤亡，如能够对蓄电池的温度进行检测，当温度出现异常时能够对电路采取保护措施，同时对其他电路元件（如IGBT）也起到很好的保护，从而保证电路和蓄电池组的安全性以及人身安全。
如果出现异常，能够自动转入安全状态或者停充。
4.2充电主电路
充电主电路原理图如图5．1所示，主电路主要有市电输入端、三相桥式整流滤波电路、DC．DC全桥功率变换电路、放电回路构成。
充电主电路原理图
电路输入为三相380V交流市电，市电输入端电路接有保险丝或者闸刀，以防止电网输入时出现波动对电路造成的损害，对电路起到保护作用。
采用三相桥式整流电路，对输入交流电进行整流；其输出端由滤波电感和滤波电容构成三相输入整流的滤波电路，对整流电压和电流波形做平滑化处理。
DC．DC全桥功率变换电路是充电主电路的核心部分，通过IGBT电路和高频变压器的作用提高系统的能量转化效率，并通过控制器DSP的控制实现多段恒流充电与脉冲充电的控制策略。
去极化回路由IGBT开关管Q5和滤波电容构成，由于电池在消除极化时需要负脉冲放电，因此它构成蓄电池放电通路。
4.3充电系统基本参数的确定
充电系统的设计，需要考虑两个方面的因素，其一是蓄电池组的相关信息，其二是电动汽车的要求，因为充电系统的设计是依托于电动汽车进行的，所以在设计时这两种因素都要考虑进去。
（1）充电电压范围
针对某具体项目的要求，动力电池组采用阀控铅酸电池，电池组由10个12V10Ah的蓄电池构成，总动力电压为120V。
单格蓄电池理想电压为2．0V，其充电饱和电压如果假设为2．5V，那么就有蓄电池组的极限端电压为：
120Vx2．5／2．0=150V。
充电电路在工作时还需要考虑到一定的域量，也就是说为了保证电路的可靠性和安全性，我们将蓄电池的充电电压最大值取为180V,这样，充电系统的输出端电压应在0～180V内可调。
（2）充电电流范围
充电电流的大小要求在工作时也是可调的，系统采用10Ah的蓄电池，如果采用lC的充电率进行充电，充电电流大小为10A；采用2C的充电率时，系统充电电流大小为20A。
在设计充电电路时还要考虑到电路的通用性，即保证充电电路可以对至少同一型号的不同电压值（蓄电池端电压值<120V）的蓄电池组充电，所以系统充电电流设定在0,--60A内可调。
4.4充电电路结构
根据智能充电系统的功能设计目标确定充电电路的基本功能电路，进而确定智能充电电路的大致结构（如图4．1所示）。
充电电路从根本上讲是一种大功率的高频开关电源。
所谓开关电源，是指采用t·交流一直流一交流—直流’’电路结构的电源装置。
采用开关电源设计的突出优点是其工作频率较高的交流环节可以使变压器和滤波器体积变得很小，从而使得充电电路的体积和重量大大降低，具有较好的实用性。
智能充电系统结构图
智能充电系统的电路包括两大部分，充电主电路和充电控制回路。
充电主电路由三相输入整流滤波电路、DC．DC全桥功率变换电路构成，充电主电路是主要功能是为蓄电池充电提供电能。
控制回路主要由DSP控制器，扩展RAM，IGBT驱动保护电路，IGBT温度监测电路，去极化放电回路，三相电流电压监控电路，蓄电池状态监测保护电路等构成，目的是实现充电的智能化。
充电系统在工作时，主电路和控制回路相互作用，实现对铅酸蓄电池组的安全、快速和智能充电。
5整流电路的设计
三相桥式整流电路
三相整流滤波电路由6个二极管，滤波电容C1，交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感h构成。
理想情况下，不考虑Lb的存在，只考虑含有Cl的情况。
此时，当其中某一对二极管导通时输出的直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压向电容供电，也向负载供电。
当没有二极管导通时，由电容向负载放电，砜按指数规律下降。
假设二极管在距离线电压过零点6角处开始导通，并以二极管VD6和VDl开始导通的时刻为时间零点，则线电压为
而相电压为
当W1=0时，二极管VD6和VDl开始同时导通，直流侧电压等于Uab；下一次同时导通的一对管子是VDl和VD2，直流测电压等于U∞。
对于充电系统而言，电路中存在交流侧电感和为抑制冲击电流而串联在电路中的滤波电感h。
此时，电路中电流波形的前言会比较平缓，有利于电路的正常工作，可见滤波电容与滤波电感同时存在能够保证电路的合理性。
6逆变电路的设计
6.1DC．DC全桥变换器结构的选择
全桥变换器目前应用比较较为广泛的主要有零电压软开关（zvs）和零电压零电流软开关（zvzcs）两种，此外还有零电流软开关（ZCS）的形式。
（1）零电压软开关[zvs]
（2）零电流软开关[zcs】
（3）零电压零电流软开关[zvzcs]
通过综合分析，智能充电系统通过移相PWM控制技术，采用零电压软开关全桥变换器。
6.2移相脉冲宽度调制零电压软开关（zvs）全桥变换器
（1）电路构成
采用移相脉冲宽度调制技术控制的零电压软开关全桥变换器，由四个IGBT开关管构成，如图5．2所示。
每个IGBT管都有一个内部寄生二极管和寄生电容，为了能够清晰的说明电路的构成，在电路图中已经标识出来。
Tl为高频变压器部分，k表示电路中的谐振电感，包含高频变压器的漏感。
4个IGBT管与变压器构成了变换器的逆变部分，负责将三相整流电路输出的直流逆变为交流；变压器的副边整流电路，则将变压器输出的交流再整为直流，整个变换器实际是实现“DC．AC．DC”功能。
工作时，Q1，Q3两个IGBT管组成超前桥臂，而Q2，Q4组成滞后桥臂。
（2）工作过程
移相PWM全桥变换器一个开关周期具有12种开关状态即12个工作阶段，上半周期和下半周期各包含6个阶段，而且上半周期与下半个周期工作基本类似，所以只对上半周期的6个阶段做了阐述。
首先我们假设电路中所有开关管、二极管、电容、变压器器件均为理想元件，变压器的原副边比为K，则全桥变换器的工作过程分析如下。
变换器在0-to阶段时，Ql与Q4处在导通状态，原边电流ip流经Ql、变压器原边和Q4，副边电流流经副边绕组。
此时，整流管D01和D03导通，D02与D04截至。
t0-t1阶段，t0时刻Ql关断，Q4继续处在导通状态。
ip转到cpl和cp3支路，对cpl充电，cp3放电。
由于寄生电容epl和cp3，所以Ql是零电压关断。
此阶段中，谐振电感与滤波电感串联，而且由于滤波电感很大所以ip近似等于一个恒流源。
寄生电容cpl的电压线性上升，cp3的电压则线性下降。
到tl时刻，cp3的电压变为O，Q3的反并二极管自然导通。
此过程结束。
t1-t2阶段，Q3的反并二极管导通后使得Q3的电压箝在零位，此时开通Q3则Q3正好为零电压开通。
t2-t3阶段，到达t2时刻时，关断Q4，ip转移到寄生电容印2和cp4中，此时cp2放电而cp4处在充电状态。
此时Q4的电压从零开始慢慢上升，因此Q4是零电压关断。
变压器副边绕组电势出现上正下负，整流管D02、D03导通。
ts时刻时，cp4的电压上升至Vin，Q2的反并二极管自然导通，本阶段结束。
t3一t4阶段，在时刻t3，Q2的反并二极管自然导通，使得Q2的电压箝在零位，所以Q2此时为零电压开通。
但是由于Q2与Q4之间存在驱动信号的死区，因此虽然Q2处在开通状态，但没有电流流过Q2。
ip经过Q2的反并二极管导通，并通过能量回馈电路的谐振电感反馈到输入电源。
工作波形
t4一t5阶段，在t4时刻时原边电流ip下降至零，Q2与Q3导通，Q2与Q3的反并二极管同时关断无电流流过。
此时，原边电流由正方向过零，并沿负方向线性增加，但是原边电流的大小不足以提供负载电流，因此整流管依然为负载电流提供回路，所以实际上原边绕组的电压值等于零，原边电流沿负方向线性增加。
至t5时刻，整流管Dol、D04才关断，负载电流全部经D02、D03形成回路。
t5-t6阶段，电源对蓄电池供电。
到达t6时刻时，Q3关断，全桥变换器进行下半个周期的工作，下半周期的工作情况与上半周期的工作基本类似。
6.3开关元件IGBT工作原理与工作特性
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）,即绝缘栅双极型功率管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
IGBT工作原理
IGBT是三端器件，分别是栅极G、集电极C和发射极E。
IGBT分为N沟道和P沟道两种。
以N沟道IGBT为例，它比VDMOSFET多一层P+注入区，从而形成了一个大面积的PN结J1，使得IGBT导通时P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。
IGBT等效于双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个有MOSFET驱动的厚基区PNP管。
因此，IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，也是一种场控器件，它的开通和关断是通过栅极G和发射极E间的电压UOE决定的，当UGE为正且大于开启电压UaE（th）时，MOSFET内形成沟道并为晶体管提供基极电流从而使IGBT导通。
同时，由于电导调制效应高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。
当栅极和发射极间施加反向电压或者不加信号时，MOSFET内的沟道消失，IGBT管的基极电流被切断，IGBT关断。
IGBT工作特性
在此我们只讨论IGBT的静态特性。
IGBT的静态特性包括转移特性，输出特性（伏安特性）。
IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压U嚣之间的关系曲线。
它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压U擎（th）时，IGBT处于关断状态。
在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与U鼬呈线性关系。
最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。
开启电压U擎（m）在+25。
C时取2-6V。
6.4IGBT的选择
我们选择模块化的IGBT，同单个的IGBT相比它更安全，性能更可靠，使电路设计更为合理。
所以，我们选择富士公司的2MBll00L-120快速型IGBT模块，它非常适合高速开关电路，耐压高VcEs=1200V，允许电流Ic=100A；而且具有较低的通态压降VcE的最大值也只有5V；开通时间和关断时间分别只有1．29．s和1．51．ts，具有良好的开关速度；额定功率为800W，触发电压为20V。
6.5IGBT驱动电路
驱动芯片选择
本智能充电系统中，根据系统要求选择EXB841驱动器，对系统IGBT模块进行驱动。
驱动芯片EXB84
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