基于三相PFC的新型15kW充电模块设计.pdf

1、北京交通大学硕士学位论文基于三相PFC的新型15kW充电模块设计姓名：沈志武申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：姜久春201106中文摘要中文摘要摘要：新能源汽车的发展有三个路径：改进现有的发动机和整车系统的能效；在现有发动机上使用清洁的非石油燃料；汽车电动化。综合考量这三个路径，汽车电动化是现今的发展所趋。随着全国充电站的不断兴建，充电设备对电网的污染日益严重，消除电网谐波污染，提高功率因数是这些充电设备的必要前提。本文提出的基于三相P F C 充电模块，具有电网谐波小、功率因数高等特点，可供充电站各选使用。文章介绍了电力电子领域整流器的发展概况，对多种实现三相整流的控制方法

2、进行了总结，指出了各自的优缺点，特别是对电网的谐波污染。相比之下，电压型空间矢量调制方法能实现四象限运行，特别是在整流状态下，S V P W 2 V I控制方法能实现单位功率因数变流，电流波形畸变小。该充电模块很好地解决了新能源电动汽车充电设备对电网的谐波污染、电流波形畸变严重等问题。文章详细推导了S V P W M 控制算法，并在M a t l a b S i m u l i n k 环境下搭建了三相电压型P W M整流器。并选用飞思卡尔公司的D S P 5 6 F 8 0 3 实现三相整流器的数字化，并且成功应用在亚运会充电站充电设备上，验证了该三相P F C 充电模块的良好性能。关键词：

3、电动汽车；充电模块；整流器；S V P W M；D S P 5 6 F S 0 3；分类号：T M 9 2 1 5 2A B S T R A C TA B S T R A C TA B S T R A C T：T h e r ea r et h r e ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n sf o rn e we n e r g yv e h i c l e s，t h e ya r e：i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fe x i s t i n ge n g i n e sa n dv e h

4、 i c l es y s t e m，u s i n gc l e a na n dn o n-o i lf u e li nc u r r e n te n g i n e s，a n dt h ee l e c t r i f i c a t i o no fv e h i c l e s C o n s i d e r i n gt h ed i r e c t i o n sa b o v e，t h ee l e c t r i f i c a t i o no fv e h i c l e si st h ec u r r e n tt r e n d W i t ht h ec

5、 o n s t r u c t i n go fc h a r g i n gs t a t i o n sa r o u n d0 1 1 1 c o u n t r y,p o l l u t i o no fc h a r g i n gm a c h i n e st o w a r d se l e c t r i cp o w e r 西d sh a sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u s，t h e r e f o r e，e l i m i n a t i n gs y s t e mh a r m o n i

6、 cp o l l u t i o na n di m p r o v i n gt h ep o w e rf a c t o ro ft h ec h a r g i n ge q u i p m e n t sh a sr e q u i r e da san e c e s s a r yp r e m i s eo fc h a r g i n gd e v i c e s T h i st h e s i sp r o p o s e st h et h r e e-p h a s eP F Cm o d u l e sw h i c hb a s e do nt h ec h a

7、 r g i n gs y s t e ma n dh a ss m a l lh a r m o n i c，h i 曲p o w e rf a c t o r,t h u sp r e f e r a b l ef o rc h a r g i n gs t a t i o n T h i st h e s i si n t r o d u c e st h eo v e r v i e wo nd e v e l o p m e n to fr e c t i f i e r si np o w e re l e c t r o n i c si n d u s t r i e s，c

8、o n c l u d e st h es e v e r a lc o n t r o lm e t h o d so ft h r e e p h a s er e c t i f i e rr e a l i z a t i o na sw e l la sp o i n t so u tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm e t h o d，e s p e c i a l l yt h ed i s a d v a n t a g e so ft h eh a r m o n i cp o

9、l l u t i o nt oe l e c t r i cp o w e rg r i d s I nc o n t r a s t,t h ev o l t a g es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nm e t h o dC a na c h i e v ef o u r-q u a d r a n to p e r a t i o n E s p e c i a l l yw h e nu n d e rr e c t i f y i n gc o n d i t i o n s，t h ec o n t r o lm e t h o do

10、 fS V P W MC a na c h i e v et h er e c t i f i c a t i o no fu n i tp o w e rf a c t o r,s m a l l e rd i s t o r t i o no fc u r r e n tw a v e f o r m sa n dS Oo n T h i sc h a r g i n gm o d u l es o l v e st h ep r o b l e m so fh a r m o n i c sp o p u l a t i o na sw e l la st h ed i s t o r

11、t i o no fc u r r e n tw a v e f o r m ss u c c e s s f u l l y T h i st h e s i sd e r i v e st h eS V P W Ma l g o r i t h mi nd e t a i l，a n dc o n s t r u c t sat h r e e-p h a s eP W Mv o l t a g er e c t i f i e ri nM a t l a b S i m u l i n ke n v i r o n m e n t,i m p l e m e n t st h ed i

12、g i t i z a t i o no ft h r e e-p h a s er e c t i f i e ru s i n gF r e e s c a l eD S P 5 6 F 8 0 3a sw e l la sa p p l i e si ti nt h ec h a r g i n gd e v i c e so ft h eA s i a nG a m e ss u c c e s s f u l l y,t h u sv a l i d a t e si t sg o o dp e r f o r m a n c e K E Y W o R D S：V S R；S V

13、P W M；D S P 5 6 F 8 0 3；C L A S S N O：T M 9 2 1 5 2V致谢本论文的工作是在我的导师姜久春教授的悉心指导下完成的，姜久春教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢在两年多的时间里姜久春老师对我的关心和指导。张维戈副教授耐心指导我的试验，并与我们大家一起同甘共苦。无论在学习还是生活上，都很关心我们。在此对张维戈副教授表达我诚挚的感谢。从理论到实践的整个过程中，冯韬师兄对我的细心栽培和无微不至的关怀让我受益匪浅，特向冯韬师兄表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间，牛利勇博士，张亚娟、林培峰、李剑、冯悦、上官明珠等同学对

14、我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。同时，也感谢我的父母和姐姐，他们对我学业的支持和无私的奉献，让我完成了研究生学业。序序本人在北京交通大学电气工程学院读研究生阶段，实验室已经有动力电池充放电系统项目的多项研究成果，并且成功应用到很多国内重大项目中。本人于2 0 1 0年3 月始，进行亚运会1 5 k W 三相P F C 充电模块的设计、实验验证工作以及产品调试等工作。自上而下的经历了理论知识的储备、系统关键参数的选型到实验平台的搭建、再到产品的成型。总结起来，主要掌握了S V P W M 控制的思想和控制算法，对诸如电感、电容、I G B T 等关键电路器件参数的选型

15、有一定的工程经验，D S P 的数字算法实现和编程能力得到进一步提升，对P C B 板的调试和设计有一定的工程经验。在实验过程中得到实验室诸多老师的热心帮助，以及北京优科利尔能源设备有限公司的领导和许多员工的积极配合，在此深表感谢，没有他们的帮助，就无法圆满完成该项目。诚然，该系统还有一些瑕疵，譬如工艺做的并不是很完美等，以后还应做相应的完善工作。绪论1 1课题背景与意义1 绪论我们国家现在正经历一个新能源产业高速发展的历程，各种新能源产业蒸蒸日上，诸如风力发电、光伏逆变、电动汽车。汽车电动化是一个有着广阔前景的产业，许多汽车巨头已有正式的电动汽车产品问世，并投入使用。从国外情况来看，电动汽车

16、的发展有以下几个特点：第一是混合动力汽车已经开始大规模产业化，第二是插电式混合动力汽车越来越受到重视，第三是纯电动汽车开始进入市场，并有快速增长的趋势。就我们国家而言，国家电网、南方电网、中海油、中石油在电动汽车产业里也起着至关重要的作用，他们对电动汽车产业的发展方向甚至有着决定性的引导。这种局势下，各种不同的规范纷纷出台，导致行业内部矛盾加剧。整个电动汽车产业链当中，充电站的建设以及充电装置的选择对电动汽车动力电池充电而言，显得尤为重要。主要考虑有两点，一是充电装置对电网的谐波污染问题。电力电子变流装置的控制方式和拓扑有许多，如不控整流、移相控制整流等都会在网侧产生严重的电流畸变，给电网注入丰富的无功，造成电网严重污染，使得电网电能质量下降。二是动力电池本身所固有的充电特性，要求充电设备在充电过程中必须符合电池本身的充电特性，不能随意充电。这样不仅会导致电池寿命大大缩短，还有可能损坏电池本体。这就要求一种智能化的充电装置，对电池的各个充电阶段实施有效的控制，使得充电特性符合电池本身所固有的特性。对于问题一，随着电力电子技术的不断发展，控制方式的研究和应用，功率半导体开关器件本身性能的