摘 要

汽车作为当今世界上人们不可或缺的代步工具，每天都会消耗掉大量的石油资源，所以为了减少一次能源的损耗，开发出使用二次能源作为动力的汽车是当今世界上的主要研究方向。而能通过光伏发电、潮汐发电、风能发电、地热发电、水力发电等多种形式产生的电能成为了世界各国作为替代石油能源的首选能源。产生电能的能源都是取自自然界且能源可再生，在消耗过程中也不会对自然界产生任何污染，这将使汽车的发展与应用带到一个新的高度，所以电动汽车是未来汽车的发展趋势，并且最终会取代传统能源汽车的地位。作为电动汽车的主要动力来源的电池是可以进行反复充电的，所以充电桩的建设成为了目前致力于开发新能源车的国家的主要发展项目。

本文基于现代社会对电动汽车的充电装置的需求，研究了一种隔离式DC-DC车用充电装置。首先根据中华人民共和国国家标准文件《电动汽车传导充电用连接装置》确定了充电电源，根据中国电动汽车常见型号和中国国情选定了充电对象的型号，分析了隔离式DC-DC车用充电装置的主电路基本结构图，进行了系统的各组成部分的选型与论证，完成了整流电路、滤波电路、隔离电路以及逆变电路的设计及相关参数计算，综合所设计的各组成部分绘制出车用充电装置电路结构拓扑图，然后根据车用充电装置电路的拓扑结构，利用MATALB内置的Simulink软件平台，建立了其仿真模型，对电路的各组成部分设置了相关参数，最后对已建立的仿真模型进行了电路模型仿真实验，研究并分析了仿真结果。

仿真结果表明该充电装置电路设计方案正确，参数计算无误，模型建立正确，根据计算出的参数进行的参数设置正确，较好的完成了本文所提出的模型的建立与仿真。

关键词：DC-DC车用充电装置；整流桥；逆变器；LC滤波电路；隔离电路

ABSTRACT

As an indispensable tool for people in today's world, automobiles consume a lot of petroleum resources every day. In order to reduce the loss of primary energy, developing automobiles powered by secondary energy is the main research direction in the world today. The electricity generated by photovoltaic power generation, tidal power generation, wind power generation, geothermal power generation, hydroelectric power generation and other forms has become the preferred energy alternative to petroleum in the world. The energy that generates electricity is from nature and renewable, and it will not pollute the nature in the process of consumption. This will bring the development and application of automobiles to a new height. Therefore, electric vehicles are the development trend of future automobiles and will eventually replace the status of traditional energy vehicles. As the main power source of electric vehicles, batteries can be recharged repeatedly, so the construction of charging piles has become the main development project of countries devoted to developing new energy vehicles.

In this paper, based on the demand of modern society for charging device of electric vehicle, an isolated DC-DC charging device for electric vehicle is studied. Firstly, according to the National Standard Document of the People's Republic of China "Connecting Device for Conductive Charging of Electric Vehicles", the charging power supply is determined. According to the common models of electric vehicles in China and China's national conditions, the models of charging objects are selected. The basic circuit structure diagram of the isolated DC-DC charging device for vehicles is analyzed, and the selection and demonstration of various components of the system are carried out, and the rectifier electricity is completed. The design of circuit, filter circuit, isolation circuit and inverter circuit and the calculation of related parameters are presented. The circuit structure topology diagram of vehicle charging device is drawn by synthesizing the components of the design. Based on the circuit topology of vehicle charging device, the simulation model is established by using Simulink software platform built in MATALB, and the relevant parameters are set for each component of the circuit. After that, the circuit model simulation experiments are carried out on the established simulation model, and the simulation results are studied and analyzed.

The simulation results show that the circuit design of the charging device is correct, the parameters are calculated correctly, the model is established correctly, and the parameters are set correctly according to the calculated parameters, which completes the establishment and Simulation of the model proposed in this paper.

Key words: DC-DC vehicle charging device; rectifier bridge; inverter; LC filter circuit; isolation circuit

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内外电动汽车的研究现状 2

1.2.2 国内外电动汽车充电装置的研究现状 3

1.3 论文研究的主要内容 4

1.4 本章小结 4

第2章 充电装置结构与元件选型 5

2.1 充电对象与充电电源的选定 5

2.2 充电装置的结构及原理 5

2.2.1充电装置的基本结构 5

2.2.2 整流电路的选择 6

2.2.3 滤波电路的选择 8

2.2.4 逆变器的选择 9

2.2.5 高频变压器的选择 10

2.2.6 充电装置电路保护电路 10

2.3 系统仿真软件的选择 11

2.4 本章小结 12

第3章 充电装置电路设计与参数计算 13

3.1 整流电路的设计与参数计算 13

3.1.1 输入侧整流电路设计与参数计算 13

3.1.2 输出侧整流电路设计与参数计算 13

3.2 滤波电路的设计与参数计算 13

3.3 逆变电路的设计与参数计算 14

3.4 高频变压器的设计与参数计算 14

3.5 保护电路的设计与参数计算 14

3.6 本章小结 15

第4章 充电装置的建模与参数调整及系统模型仿真研究 16

4.1 充电装置的建模 16

4.1.1 电源模块 16

4.1.2 整流桥和逆变器模块 18

4.1.3 电容电感模块 20

4.1.4 变压器模块 22

4.1.5 保护电路 23

4.1.6 输出电压监控模块组 23

4.1.7 “powergui”模块 25

4.2 模型的整体建立 25

4.3 模型仿真 26

4.4 仿真结果分析 27

4.5 本章小结 28

第5章 总结与展望 28

5.1总结与展望 29

5.2 建模与仿真中的问题及改进 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

本章节主要介绍了本文所做研究的背景基础，说明了研究的主要意义，对比了国内外的电动汽车和充电装置的研究现状，阐述了所做研究的意义。

1.1 研究的背景与意义

随着现代科技的快速发展，对自然环境的破坏也日益明显，如全球气温升高，厄尔尼诺现象导致自然灾害的多发，在我国尤其明显的雾霾等异常天气效应。这一切都是建立在对地球化石能源的利用及燃烧，而化石能源作为一种不可再生的一次能源也将逐渐消耗殆尽，据国际能源机构2013年统计估算，未来一百年内，石油能源将消耗殆尽。

汽车作为当今世界上人们不可或缺的代步工具，每天都会消耗掉大量的石油资源，所以为了减少一次能源的损耗，开发出使用二次能源作为动力的汽车是当今世界上的主要研究方向。而能通过光伏发电^[5]、潮汐发电、风能发电、地热发电、水力发电等多种形式产生的电能成为了世界各国作为替代石油能源的首选能源。产生电能的能源都是取自自然界且能源可再生，在消耗过程中也不会对自然界产生任何污染，这将使汽车的发展与应用带到一个新的高度，所以电动汽车是来汽车的发展趋势，并且最终会取代传统能源汽车的地位。

想要减小目前中国电动汽车电池容量小和续航能力不能满足大众需求的影响，发展电动汽车的配套设施——充电站，是比较符合我国国情的解决方案。

虽然我国电动汽车续航能力较外国而言有一定的差距，但我国对于充电设施的建设进行了很好的先期工作，这对我国的充电站以及充电桩建设的后续建设起了一个很好的开头作用。中国地大物博，以充电站的覆盖密度来弥补电动汽车续航能力不足的缺点是很好的解决方案。

现今的社会的生活节奏很快，燃油汽车能源的快速补充是目前电池充电技术无法比肩的。一辆燃油汽车可以在5min内甚至更快的时间内完成加油工作。但相对于燃油汽车来说，电动汽车的锂离子电池如果采用恒流恒压（CC-CV）充电方法，能够使锂电池在2~4 h内完成充电。虽然这种方法可以避免过充电并且能获得几乎全部的电池容量，但会造成充电时间的增加，对于电动汽车的车主来说肯定是不能接受的。但是如果只是一味的使锂电池充电电流增大，从而加快其充电速度，会导致电池的安全性能越来越差。过充、过热或短路充电可能引起锂电池自燃甚至爆炸。针对电池充电的快速及安全问题，近年来国内外许多学者耗费了大量人力物力，从快速、高效和不损伤电池的角度对锂电池展开了深入的研究，锂电池的充电方式也有了决定性的进展，出现了锂电池快速充电方法^【12】。

所以，对于充电桩的研发与快充技术的升级应该会成为我国电动汽车的主要研究方向。^【4，13】

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内外电动汽车的研究现状

早在19世纪90年代美国人就建造出了第一辆纯电动汽车，，那时还未发明出容量大，能量密度高且重量较轻的锂离子电池，而是容量与体积重量成正比的铅酸蓄电池，虽然铅酸蓄电池拥有性价比高、使用寿命长、输出电压稳定等优点^【9，16】，但以铅酸蓄电池为动力电池制造出的电动汽车重量过大，汽车自重在行驶过程中对电量的损耗过多，而且由于电子启动器的发明和电动汽车动力性差缘故，美国在20世纪30年代就放弃了电动汽车的开发，进入到燃油汽车的黄金时代。

在21世纪时，燃油汽车的弊端已逐渐显露，各国又开始了对电动汽车的研究，由于电池容量、充电速度等相关问题的有待完善，所以电动汽车也是在近几年才逐渐普遍，在此之前，各个汽车厂商都在尝试改变汽车的主动力，如燃料电池、油电混动等以此为动力基础的汽车，直至能够满足各国国民出行要求的电动汽车的推出。^【8】

现在市面上流通的电动汽车全部是以锂离子电池为基本动力。经过国内外研究人员的长期研究以及科技发展，工作输出电压稳定、同体积下储能大、记忆效应几乎没有以及在非工作情况下自放电量低且安全环保，符合现代科技发展低碳、环保的新理念，是几乎所有类型的电子设备的最理想的动力源。电动汽车（EV）属于较大型的耗电设备，这种类型的汽车相对于燃油汽车有很多优点，如无尾气废弃排量、电动机噪声小、机械传动结构简单、电能利用效率高和发动机废热减少等。由于电动车所配备的锂离子电池的充电时间长、运行成本较高和使用寿命短，严重的影响了电动车的使用和普及。因此，减少电池的充电时间、提高电池的能量利用效率以及延长电池使用寿命是当前汽车厂商的研究重点^【12】。

与国外不同的是我国地大物博，电池的容量和车辆的续航时间成为了我国电动汽车发展的首要问题。比如说在荷兰也许一辆电动汽车的续航能力最多要求在120km左右^【15】，但在中国则可能需要这个数值的三倍以上。

在2015年召开的联合国气候变化大会上，包括英国、德国、荷兰、挪威以及美国18个州等在内的国家和地区，宣布组成了“零排放车辆同盟”，并承诺在2050年内该联盟内国家将不再对国内公民销售燃油车。随后，挪威、荷兰、德国、英国、西班牙等国家、地区及城市陆续公布禁售燃油车的时间表，都将2050年这一时间提前了，其中最早的是意大利和罗马的2024年，最晚的则是以法国为代表的2040年，在中国加入到此联盟后，中国的禁售燃油车法令的具体实施时间成为了联盟中最晚的。

在电动汽车的研究进度上，由于各国的起跑线基本一致，所以我国与国外的技术差距不算太大，甚至在某些特定领域上，如锌-空气电池和锂电池两种电池的开发研究上是处于世界领先水平的。在技术开发方面上，中国的电机驱动装置已与国际先进水平持平，但电池能量管理系统尚有不足，而且锂离子电池能量密度的不足也限制了中国车企生产的电动汽车产品的续航能力。

由于电动汽车的种种优点，促使着我国对于电动汽车的发展和更新换代的重视，目前我国正在致力于全国公交汽车和A00级乘用车实现全电动化，减小公共交通的燃油使用量和废气排放量。

在私家车方面，中国对车企发展电动汽车产业的大力支持和对购置私家电动车的公民的大力补贴和购置税减免等优惠政策是别的国家所没有的，这也足以看出我国对于发展电动汽车的决心。

1.2.2 国内外电动汽车充电装置的研究现状

目前，美国和欧洲地区的部分国家的电动车整体研制是出于世界领先地位的，特斯拉作为美国的新能源车研制的中坚车企，在电池能源利用效率、电池容量以及电动汽车充电技术也是十分完善和领先的，在强大的续航能力和先进的充电技术的影响下，特斯拉曾一度成为中国国内电动车的代名词，但是由于美国的基础电压与中国的基础电压完全不同，所以购买了特斯拉品牌的电动车的中国用户，还需要负担成本较高的充电装置建设费用，因此促进了中国电动车品牌的自主研发，根据中国现有的基础电压指数研制充电装置，使中国用户降低电动车使用成本，促使中国早日实现全电动车化。

中国在电动车发展上紧随国际的大潮流，其中最具代表性的车企就是比亚迪，该车企在车辆外观、整体操控性和车辆传动系统上进行了深入研究，最新推出的比亚迪唐系列的电动车甚至做到了4.5秒时速达到一百公里，但是汽车的续航时间不能让用户感到满意，随着国内电动车数量的激增，电动车充电装置的研制与建设是中国目前主要的电动车发展方向。中国不同于“零排放车辆同盟”的其余国家，中国幅员辽阔，且国内各地区发展情况不同，所以很难进行各区域的同步发展，而且也无法与荷兰一样全国实施成本高昂的充电站更换电池服务^【15】，因此方便快捷并且易于建设的快速充电桩的研制和普及是中国目前迫在眉睫的项目。

国家电网公司虽然已经在普及充电桩的安装以及建设，并且现在一些高速公路上的服务站内也开始普及了电动汽车的专用充电位，但是并不能满足广大电动车用户的使用需求，而且由于在近几年内国家的自主电动车品牌才逐渐走入用户的视线，所以国家电网公司所统一安装的充电装置并不能满足所有已有电动汽车用户的充电需求，还是会出现充电插头不兼容、充电时间过长（额定充电电压不同）和充电点卡不能统一等情况，因此在进行全国统一的进程中，私人的电动汽车充电装置还是更加便利、易于使用。

所以本文需要研制一种结构简单、经济适用的私人车用充电装置，减少公用充电装置使用时的等候时间和解决部分充电插头不匹配的问题，为电动汽车用户带来更为便利的生活。

1.3 论文研究的主要内容

本文基于中国现代社会对电动汽车的充电装置的需求，研究了一种隔离式DC-DC车用充电装置^【17】，首先确定了充电电源和充电对象的型号，分析了隔离式DC-DC车用充电装置的主电路拓扑结构^【7】，进行了系统的各组成部分的选型与论证，完成了整流电路、滤波电路、隔离电路以及逆变电路的设计及相关参数计算，并对电路中电压经过各个电路组成部分后的波形变化以及电压数值进行了相关预测，然后根据系统电路的拓扑结构建立起数学模型，基于Simulink软件平台，建立了其仿真模型^【2】，设置了相关参数，最后对已建立的仿真模型进行了仿真实验，分析了仿真结果。^【14】

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