摘 要

随着中国经济的快速发展，中国已成为世界上最大的汽车市场和生产者，汽车带来的能源和环境问题不容忽视。为了减少传统汽车的污染、提倡节能环保，电动汽车的发展是解决上述问题的有效方法之一。因此，研究和设计具有良好性能的汽车充电器具有十分重要的意义。

电动汽车双向充电器根据需求有时会直接连在电网上。由于电网对于并网电源的效率和功率因数、谐波、频率、电压、电流等参数都有比较苛刻的要求，因此，选择合适的拓扑结构和控制手段成为设计电动汽车双向充电器的重要研究课题之一。

本文设计了一款功率为3.3kW的双向充电器。分析对比了不同拓扑结构，选择并设计了前级为三相三电平T型双向PWM变换器，后级为CLLC双向DC/DC变换器的车载充电机，并用同步整流的方法提高充电机的效率。

本文分析了前级三相三电平T型双向PWM变换器与后级CLLC双向DC/DC变换器的工作原理，详细设计了电路参数与控制方式，并用PLECS进行了仿真，验证了设计的可行性。

关键词：双向充电；V2G；同步整流；CLLC

Abstract

With the rapid development of China's economy, China has become the world's largest automobile market and producer. In order to reduce the pollution of traditional cars and advocate energy conservation and environmental protection, the development of electric cars is one of the effective ways to solve the above problems. Therefore, it is of great significance to research and design automobile charger with good performance.

Two-way chargers for electric cars are sometimes connected directly to the power grid as needed. Due to the grid for the interconnection of power supply efficiency and power factor, harmonic, parameters such as frequency, voltage, current has more stringent requirements, therefore, choose the appropriate topology and control means to become two-way design electric car charger of one of the important research topic.

A 3.3kw two-way charger is designed in this paper. Analysis compared the different topology structure, the choice and design of the former level three phase three level T bidirectional PWM converter, the level to CLLC bi-directional DC/DC converter for car charger, and synchronous rectification method to improve the efficiency of the charger.

This paper analyzes the former three-phase three-level T level bidirectional PWM converter with the CLLC working principle of the bidirectional DC/DC converter, the detailed design the circuit parameters and control mode, and PLECS are simulated, verify the feasibility of the design.

Key Words: bidirectional charging；V2G； synchronous rectification； CLLC

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究的目的及意义 1

1.2国内外V2G技术研究现状 1

1.3本论文的研究内容与预期目标 2

第2章 车载充电机的整体结构 3

2.1 车载充电机的结构分析 3

2.2三相整流电路的电路拓扑与控制方式的选择 3

2.2.1三相不可控整流拓扑 4

2.2.2三相两电平PMW整流拓扑 4

2.2.3三相三电平PMW整流拓扑 5

2.2.4变换器中滤波器的选择 7

2.3本章小结 8

第3章 T型双向AC/DC变换器设计 9

3.1 T型双向AC/DC变换器拓扑结构 9

3.2直流侧电容设计 10

3.3开关器件的选型 10

3.4输出滤波器设计 11

3.5本章小结 13

第4章 双向DC/DC变换器的设计 14

4.1 CLLC拓扑及其电压增益特性 14

4.1.1收益分析 14

4.1.2增益曲线 16

4.2动力阶段的设计方法 17

4.2.1参数的设计考虑 17

4.2.2电磁集成变压器的设计 18

4.3控制阶段的设计方法 19

4.3.1闭环控制策略 19

4.3.2基于同步整流的CLLC 21

4.4本章小结 22

第5章 车载充电机的整体仿真与分析 24

5.1 CLLC双向DC/DC变换器仿真分析 24

5.1.1充电电路仿真 24

5.1.2放电电路仿真 25

5.2 本章小结 27

结论 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1课题研究的目的及意义

近年来，石油资源日益紧张，而环境问题也日趋凸显，随着电池技术的发展，以电代油、噪音低、零排放，并且在性能和经济性方面兼优的电动汽车已悄然成为一种生活流行新品，并逐渐开始在世界范围内推广使用，大有替代传统燃油汽车的趋势。汽车工业发展朝着以电动车为代表的新一代节能环保汽车工业趋势方向发展已经成为普遍共识。目前，电动汽车制造的最大问题就是电动汽车的电池制作以及充电装置的制作。其中，电池的制作成本绝大部分超过了整台电动汽车制作成本的一半，这大大降低了电动汽车的性价比，不利于电动汽车面向广大人群的推广。而电动汽车双向充电器的设计可以稍微弥补该缺陷，充电器的质量提高可以减少充电损耗、改善充电时间以及延长电动汽车蓄电池的寿命。双向充电器的研发更加可以实现在电网负荷小的时候从电网获取电能，而在电网负荷大的时候向电网馈电，既能维持电网的稳定和减少发电厂资源的浪费，又能充分利用闲置的资源为用户赚取些许电费。与此同时，电动汽车充电系统也是电动汽车最必不可少的环节。就像生物需要维持能量的获取来保证生命体征一样，电动汽车也需要能量供给。这是个不小的难题，该难题的攻破会引领传统燃油汽车向电动汽车的转变，而且会带来巨大的商机。 近些年来，电动汽车行业的开发与研究进入了白热化时期，全世界各大厂商都对此高度重视，并安排了大量的高级技术人员以及投入了巨额资金进行研发，因为他们都看到了背后的商机。随着时间地推移，他们获得了一个又一个重大性突破进展，尽管如此，电动汽车行业的研究还存在着诸多问题，这些都是现有的电动汽车相比传统燃油汽车所存在且亟待解决的问题^[1]。经过以上分析，体现了设计一个安全可靠系数高、经济实用型高，多用途性的实电动汽车双向充电器系统，并对之进行投资推广，对于电动汽车的发展与推广以及电动汽车与环保行业的紧密联系具有真真正正的重大意义。

1.2国内外V2G技术研究现状

我们为什么要研究V2G技术？这一问题我们可以从电网的角度进行分析。由于电网的建设需要大量的人力物力，而且存在用电高峰时期电压质量不稳定以及用电低谷时期发电厂能源利用率低的现状，能源的浪费导致了整体供电系统实际工作效率没有预期的高效。当整体区域的用电负荷发生变化时，由于电网不能储存电能，调频厂需要对电网中的电压及频率进行调节。我们知道调频厂在进行调峰时，其备用电机组会启动并网发电，但往往这种发电机组主要起到调节的作用，不能工作在其最佳工作点，造成了能源浪费。当用电量低谷时，发电厂输出多余的能量又会浪费。此外，来回的启动与停止调频厂的备用机组给调频厂的检修带来了极大的麻烦，增加了运营成本。除此之外，近些年由于政府大力推进可再生能源的发展，国内建立了好多太阳能发电站以及风能发电站。这些发电站由于其能源的特殊性，不能很好地提供稳定的能源供给。由于这些原因，我们迫切的希望找到另一种可行的调频调压方案，V2G技术就因运而生^[2]。V2G技术的利用可以实现电动汽车与电网之间的能量互动。当用电低谷时，此时的电费较便宜，我们可以先给电动汽车充电，确保能源利用率的同时满足人们的用车需求。当用电高峰时，此时的电费较贵，我们可以将闲置的电动汽车中的电能反馈给电网。通过G2V与V2G不仅能削减电动汽车用户的开支，还能调节电网的电压与频率，一举两得堪称完美。

智能电站与电动汽车的互动灵活性较高、对突发情况的应对也较以往的负荷以及电压频率的调节更为安全可靠，可从一定程度上替代传统设备的地位，更好地实现对电网的无功补偿以及实现有源滤波等功能^[4]。

由于V2G模式要求充电机不仅具有向电动汽车充电功能，还有车载电池向电网馈电的功能。当电动汽车向电网馈电时必须具有较宽的功率输出范围而且能够高效率的运行^[5]。另外，当有大量的电动汽车连网时必须考虑谐波污染的问题。基于上述要求对3.3kW的车载双向充电机进行了设计。我们采用AC-DC加DC-DC两大模块来实现电网向电动汽车输电与电动汽车向电网馈电的功能，其中AC-DC和DC-DC两大模块分别采用了三相三电平双向PWM控制结构和半桥CLLC双向变换器结构。

1.3本论文的研究内容与预期目标

本论文需设计基于同步整流的3.3KW电动汽车双向充电器，同时满足G2V与V2G的要求。第一章介绍本次设计的研究背景、目的以及意义。第二章介绍本次设计的电动汽车双向充电器的整体结构模型，并确定其中AC-DC模块的拓扑选择。第三章分析并设计电动汽车双向充电器中AC-DC模块，即三相三电平T型双向PWM转换器。第四章分析、设计半桥CLLC双向转换器，确定其辅助电路的设计，并通过同步整流的方法提高系统的效率。第五章为最后的仿真分析。

第2章 车载充电机的整体结构

2.1 车载充电机的结构分析

双向充电器在为电动汽车电池充电的功能，同时产生最小的电流谐波，也应具有根据调节向电网回馈能量的能力。车载充电机的整体结构可分为两个部分，即主电路与辅助功能部分^[7]。主电路部分主要有三相整流电路(本文采用的是三相三电平T型双向PWM变换器)、DC-DC变换器（本文采用的是CLLC双向DC/DC变换器）等；辅助功能部分主要有在软启动时的充电辅助电源、主电路的充电方向反馈控制电路等控制模块、用于反馈各种信息的通信模块等。本文主要设计三相整流模块和半桥CLLC转换器，三相整流结构采用三相三电平T型双向PWM变换器，实现将三相交流电转换成600V直流电。半桥CLLC转换器实现双向DC/DC转换分别为电池和电网供电，其采用了同步整流的方法提高了转换效率。

2.2三相整流电路的电路拓扑与控制方式的选择

电动汽车充电器的软起动时间，输入冲击电流，转换效率，功率因数和工作环境温湿度等参数均与其所使用的交流-直流变换电路密切相关。电动汽车充电器的三相整流装置主要有以下几点要求：（1）由于电动汽车的续航能力较差无法与常规汽车相提并论，所以对于车载式充电装置的要求比较高。减少充电装置的体积和重量可以提高装换效率与功率密度，大大改善电动汽车的性能。（2）电子器件目前已成为国家电网的最大谐波来源。由于电动汽车中三相整流装置工作性质，占了其中较大的部分。所以，提高输入的电流品质和降低谐波畸变率成为工作的基础。（3）由于该装置部分的工作条件十分恶劣，为了提高其工作效率及可靠性，必须提高装置的防水防尘性能。（4）要实现软件管控，因为双向充电器的计量、收费等功能比较复杂，所以必须通过数控来实现。（5）目前，阻碍电动汽车走向市场的最重要的原因就是电池以及充电系统造价昂贵，几乎占据了电动汽车价格的一半。所以研究效率高、价格相对便宜的充电器系统，提高其性价比是十分重要的。

本文采用的设计方案是从380V交流电网取电，通过三相整流装置后变为直流电，然后在经过CLLC双向直流变换电路后对电动汽车蓄电池充电。目前电动汽车充电器采用用三相整流结构（AC/DC）主要有二极管三相不可控整流拓扑，MOS管三相两电平PWM整流器和三相三电平T型PWM整流器。接下来我们将对着三种拓扑结构展开分析。

2.2.1三相不可控整流拓扑

以二极管为整流元件经电容过滤谐波的三相不可控整流拓扑如图2.1所示。这种拓扑结构的优点：因为采用二极管作为整流元件，不用设置控制电路，所以其相对于其他拓扑结构较为简单，由于没有控制电路其成本当然会低很多。该电路只须用到六个整流二极管和电容器，在这种拓扑结构中二极管在反向未导通期间要承受电压，所以二极管的耐压值一定要大于三相交流电线电压的幅值。由于这种拓扑结构简单不复杂没有控制结构而且便宜，所以非常适合在低功率的场合使用，具有较高的性价比。所以在经过封装和模块化后得到了大量使用。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：