充电桩快速充电系统的研究与设计方案.docx

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充电桩快速充电系统的研究与设计方案

充电桩快速充电系统的研究与设计方案

1.1电动汽车充电桩的充电方式

动力电池充电设备是电动汽车充电不可或缺的子系统之一，它是将太阳能光伏电池输出的电能传换为电动汽车车载动力电池的能量。

1.恒压充电法

顾名思义，恒压充电即是在充电过程中将蓄电池两极间电压维持在恒定值的充电方式。

在恒压充电过程中，充电电流是逐渐减小的，即达到了自动调节充电电流的效果，与蓄电池接收能力曲线走势相同。

如果设定的电压恒定值适宜，就既能保证蓄电池的完全充电，又能尽量减少析气和失水。

图1.1恒压充电特性曲线与接收特性曲线

虽然两曲线基本走势相同，但在随着恒压充电的进行，充电电流的下降速度趋于平缓，无法下降到接收曲线的要求值，这时再进行充电就会对蓄电池性能造成一定的影响。

两曲线对比如上图1.1所示。

总体来说，恒压充电有以下优点和缺点：

①充电特性曲线更接近于蓄电池接收特性曲线。

②充电电路易于实现。

③恒压充电电解水很少，避免了由于硫酸铅浓度上升而造成的电池老化。

④但是使用这种方法会造成充电初期电流过大，容易使蓄电池极板弯曲，导致电池报废，且无法在短时间内完成。

综合考虑以上优缺点，恒压充电现阶段已经很少使用，只有在要求低充电电压、大电流时才采用。

2.恒流充电法

与恒压方式相对应，在充电过程中，充电电流维持在恒定值，也是一种目前被广泛采用的充电方法，充电电路多用开关电源控制实现。

充电时可以根据蓄电池的容量和接收特性曲线来确定合适的充电电流值，利用小电流、长时间的充电方式在不伤害蓄电池性能的情况下完成充电。

图1.2恒流充电特性曲线与接收特性曲线

为了尽量减少充电时间，充电电流值的选择不能过小，但是这样就会造成在电池即将充满的后期阶段充电特性曲线超过蓄电池接收曲线的情况。

所以现阶段在恒流充电的基础上，将后期恒流充电阶段置换为小电流连续充电，充电特性曲线如上图1.2所示。

3.快速充电法

①脉冲式充电法，这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高电动汽车蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。

脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。

充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。

②2REFLEXTM快速充电法，这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉电池。

由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。

铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借REFLEXTM充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段。

③变电流间歇充电法，这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上。

其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。

充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。

充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。

通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

④变电压间歇充电法，在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法。

与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。

在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

⑤变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法，合脉冲充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。

脉冲充电法充电电路的控制一般有两种：

1）脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的；

2）脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。

脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。

1.2快速充电系统主电路的设计

快速充电系统的硬件部分主要包括：

主变换电路（高频开关电源电路、斩波电路）和辅助电路（隔离驱动电路、采样电路、辅助电源）。

下面各节将分别对硬件系统的各电路进行设计，主要工作包括电路拓扑选择、原理分析、参数计算及其元器件的选型。

并以此设计为基础，对硬件电路进行搭建和调试。

1.2.1快速充电系统整体设计参数

为实现上述提出的快速充电方法和控制策略，本文选用铅酸蓄电池LC-RA1212，设计了最大输出功率为300W的充电电源硬件系统，硬件系统的整体设计参数如表1.1所示。

表1.1系统的整体设计参数

参数项

参数值

光伏发电系统输出的交流输入电压

220V±15%

直流输出电压

0~15V

直流输出电流

0~20A

开关频率

50KHZ

系统最大输出功率

300W

DC-DC变换器的效率

90%

铅酸蓄电池电压、容量

12V/12Ah

1.2.3快速充电主回路设计

由图1.3所示的快速充电系统硬件部分的主电路结构图可知，硬件系统的主电路由整流电路、高频开关电源电路和斩波电路组成。

光伏发电系统输出的220V交流电经全桥整流、滤波后输出电压约为300V的高压直流电；高频开关电源电路不仅起隔离作用，且将整流后的300V直流电转换为18V低压直流电，为后端的斩波电路提供稳定的电压输入；斩波电路的主要功能是实现能量的双向流动，完成快速充电方法中蓄电池的充、放电功能。

图1.3快速充电系统的主电路图

由图1.3可知，220V的单相交流电由全桥电路进行初级整流，并经过大电容低频滤波稳压，输出电压为300V左右的直流电。

输出直流电压：

（4-1）

考虑到电网电压的波动需选取一定的裕度，低频滤波电容的耐压应大于：

（4-2）

单相整流电路需滤除较高幅值的纹波电压，并保证稳定的直流输出电压，因此需要大电容的滤波电容器。

为获得大电容的同时又尽可能的减小电容器的体积和成本，所以本课题选用330uF/400V的铝电解电容。

由桥式整流电路分析可知，流过二极管中的平均电流只有负载电流的一半。

若忽略二极管的正向压降，二极管所承受的最高反向电压见公式（4-3）。

（4-3）

设计中考虑到光伏电源电压波动和整流电路中的器件损耗，二极管的最大反向工作电压和最大电流均选取一定的裕度。

实际电路中选用1N5408硅整流二极管，其反向工作峰值电压为1000V，最大工作电流为3A。

1.3快速充电系统斩波电路的设计

研究蓄电池快速充电的关键任务之一是在充电过程中通过负脉冲放电及时缓和铅酸蓄电池的极化现象，提高蓄电池的可接受充电电流比。

为提高充电过程的能量利用效率，负脉冲放电回路采用能量回馈型。

因此，为实现充电桩快速充电，斩波电路的设计必须具备充、放电功能，即斩波变换电路可逆，能量可双向流动。

图1.4Buck/Boost型斩波电路拓扑结构图

基于上述分析，本文的斩波电路选Buck/Boost型拓扑，即充电时为Buck电路，放电时为Boost电路，Buck/Boost型斩波电路的拓扑结构如图1.4所示。

1.Buck/Boost型斩波电路的原理分析

（1）当充电电源对蓄电池充电时，开关管Q3开通，Q4关断。

直流电压经过Q3、滤波电感L1、续流二极管D5组成Buck电路。

通过控制Q3的开通与关断，实现对充电电压或电流的控制。

（2）当蓄电池进行去极化负脉冲放电时，开关管Q4开通，Q3关断。

蓄电池通过L1、D4、Q4向电容C1充电，形成Boost电路。

因此蓄电池放出的电量被储存在C1中，当去极化结束时，由于C1两端电压较高，能量通过上述的Buck电路流回电池。

当电压低于一定值时，由光伏电源通过充电装置向蓄电池供电。

下面将分别介绍Buck和Boost电路的参数计算和元器件选型。

2.蓄电池充电Buck电路的设计

降压斩波电路（BuckChopper）的原理图如图1.4所示。

当开关管V闭合时，电源E同时为负载和电感供电，从而完成电感的储能；续流二极管VD在开关管V关断时给负载中的电感电流提供通道。

图1.6为降压斩波电路电流连续时的工作波形。

由图1.5中开关管V的栅射电压UGE波形可知，在t=0时刻驱动开关管V导通，电源E向负载供电，负载电压U0=E，负载电流i0按指数曲线上升。

当t=t1时刻，控制开关管V关断，负载电流经二极管VD进行续流，而负载电压U0则近似为零，负载电流呈指数曲线下降。

为了使负载电流连续且脉动小，通常串接较大电感值的电感L。

至一个周期T结束，再驱动开关管V导通，重复上一周期的过程。

当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。

图1.5降压斩波（Buck）电路原理图

负载电压的平均值：

（4-4）

式（4-4）中，ton为一个周期内开关管V处于通态的时间，toff为一个周期内开关管V处于断态的时间，T为开关管的周期，D为占空比。

图1.7压降斩波（Buck）电路电流连续时的波形

2.蓄电池充电Buck电路的设计

Boost电路即升压斩波电路（BoostChopper），其电路原理图如1.7所示。

图1.7升压斩波（Boost）电路原理图

首先分析Boost变换器的工作原理，首先假设电路中电感L值很大，电容C也很大。

当开关管处于通态时，二极管截止，电源向电感L充电，充电电流IL基本恒定，输出电压Vout靠输出滤波电容C维持，由于C值很大，输出电压Vout基本保持恒定，设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为LinVonIt，其等效电路如图1.8a所示；当V出于断态时，二极管导通，电感把前一阶段储存的电能全部释放给负载和电容，同时电源也向负载R提供能量，设开关管处于断态的时间为toff，则在此期间电感L释放的能量为（Vout－Vin）ILtoff，其等效电路如图1.8b所示。

当电路工作于稳态时，一个周期内T中电感积蓄的能量与释放的能量相等，即：

（4-5）

化简得公式（4-6）：

（4-6）

上式中T/toff≥1，即输出电压高于输入电压，故称该电路为升压变压器。

因此式（4-6）可以表示为下式：

（4-7）

a.V导通，VD截止b.V截止，VD导通

图1.8Boost变换器两种开关状态的等效电路

升压变换器之所以能提高直流电压，使得输出电压高于输入电压，主要基于两点：

（1）电感L储能之后有电压泵升的作用；

（2）电容C可以保持住负载两端的输出电压。