电动车充电器研究与设计

目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
1 绪论 (1)
1.1 研究背景 (1)
1.2 研究意义 (1)
1.3 国内外发展现状 (1)
1.4 主要研究内容 (2)
2 系统方案设计 (3)
2.1 设计的基本原理 (3)
2.2 设计方案与选型 (3)
2.2.1 整流滤波的设计方案与选型 (3)
2.2.2 功率因数校正电路的设计方案与选型 (4)
2.2.3 功率因数校正控制方式的设计方案与选型 (6)
2.2.4 DC/DC电路 (8)
3 系统硬件设计 (15)
3.1 Boost APFC主电路的硬件设计 (15)
3.1.1 功率因数的定义 (15)
3.1.2 主电路参数设计 (16)
3.2 Boost APFC控制电路的硬件设计 (18)
3.2.1 单周期控制Boost PFC电路的工作原理 (18)
3.2.2 单周期控制Boost PFC变换器稳定性分析 (20)
3.2.3 Boost PFC电路数学模型的建立 (21)
3.2.4 控制电路设计 (23)
3.3 DC/DC降压电路 (27)
3.3.1 Buck变换器工作原理分析 (28)
3.3.2 Buck变换器参数计算 (29)
3.4 DC/DC控制电路 (30)
3.4.1 传递函数的建立 (30)
3.4.2 校正网络设计 (31)
3.5 总电路图 (32)
4 系统仿真 (33)
4.1 Boost APFC电路仿真 (33)
4.2 DC/DC降压电路仿真 (34)
结束语 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
附录 (41)
摘要
关于电动汽车充电器的研究与设计是电动汽车控制系统研究中很重要的一环。

针对这一领域，设计了一款电动汽车车载充电器。

为满足电动汽车蓄电池无损伤快速充电的需求，将大功率开关电源变换技术应用于电动汽车车载充电器中。

将有源功率因数校正电路与DC/DC电路相结合，以达到预期效果。

并结合实际充电要求，给出了电动汽车车载充电系统的总体设计方案，并就方案中涉及到的升压式APFC电路、DC/DC电路及PID控制电路做了具体介绍。

尤其是在DC/DC电路的设计环节，在该环节中列举了几种设计方案，并且对各方案进行了分析与比较。

最后，利用Matlab软件中的Simulink模块对该车载充电系统模型进行建模与仿真。

试验结果表明，该车载充电器设计方案满足各项设计要求，并且具有实际应用价值。

关键字：电动汽车车载充电器DC/DC电路PID控制器
ABSTRACT
About the research and design of the electric vehicle charger is a very important part of the electric vehicle control system.For this field,I designed an charger of electric vehicle.
In order to fast charge without damage, the battery of electric vehicle use of High-power switching power conversion technology.In order to achieve the desired results,combined with active power factor correction circuit and DC / DC Converters.And combined with the actual charging requirements,design of electric vehicle charging system design,Specific introduction on the circuit involved in the program,such as the Boost-APFC circuit,DC / DC Converter and PID control circuit.Especially in the part of DC / DC converter design,listed several design plan.And a description and comparison of design plan.
Finally,Used the Simulink of the Matlab,to modeling and simulation for the charger of electric vehicle that designed.The results showed that the charger of electric vehicle for designed to meet all the design requirements,and has the value of the application.
Key words:Electric vehicles The charger DC / DC Converter PID controller
1 绪论
1.1 研究背景
电动汽车车载充电器是一种专为电动汽车的车用电池充电的设备，是对电池充电时用到的有特定功能的电力转换装置。

随着电子技术的飞速发展，蓄电池已经日益广泛的运用在交通运输、电力、通信等部门的设备中，它已经成为最重要的关键系统部件之一。

它的安全可靠运行直接关系到整套设备的可靠运行。

蓄电池的充放电过程以及蓄电池系统的可持续放电时间也会影响整个系统的可靠性。

而随着汽车行业的日益壮大，电动汽车已经成为一个很重要的发展方向。

所以，对于蓄电池的相关研究越来越广泛。

而作为蓄电池的充电设备的车载充电器则是电动汽车研究必不可少的一个环节。

1.2 研究意义
从八十世纪到现在，全球的汽车工业经历了从无到有长远的发展。

汽车在人类的工作、生活中成为不可或缺的工具，然而在创造无限经济价值的同时，汽车在行驶过程中排放的温室气体已成为全球气候变暖的主要致因，伴随而来的能源枯竭和环境污染更加让国家不堪重负。

除了面对传统燃油汽车尾气排放造成的污染，还要面对石油资源的过度消耗所引发的环境与能源问题。

电动汽车以其良好的环保、节能特性, 成为当今国际汽车发展的潮流和热点。

目前世界上许多发达国家的政府、著名汽车厂商及相关行业科研机构都在致力于电动汽车技术的研究开发与应用推广。

车载电动汽车充电器是电动汽车大规模商业化后不可缺少的组成部分, 如何实现车载充电器对蓄电池快速无损伤充电是电动汽车投入市场前必须解决的关键技术之一。

1.3 国内外发展现状
随着我国充电器市场的迅猛发展，技术工艺的优劣直接决定企业的市场竞争力。

了解国内外充电器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用对于企业提升产品
技术规格，提高市场竞争力十分关键。

欧美地区对充电器管控比较严格，品质要求也很高。

为了确保安全，充电器会逐
步要求增加电池的温度检测、定时关断、过充保护、甚至电池识别等功能。

加上电动
汽车新标准的实施，国外对充电器符合安规，特别是EMC方面也会更严格。

美国西北
太平洋国家实验室开发的PNNL智能充电器可能会成为电动汽车的标准充电器。

它能
与当地电力公司紧密连接，可以知道当地电力价格，以便让汽车在非繁忙时间充电，
这样一年可以为车主节省约150美元能源费用，能在电网超负荷时自动停止充电。

三洋电机株式会社旗下的三洋能源公司生产的车载智能充电器，具体地说是用于
实现车载插头与万能充电器的连接而进行充电，其主要采用车载插头与万能充电器连
接，低压极片设置在万能充电器上。

在万能充电器上分别设有USB接口、mini USB接口
及扩展接口。

XtremeMac公司全新推出的iPod车用车载充电器适用于iPod所有系列，Car Charge是一款安全的iPod充电器，因为它具有可更换保险丝的设计，可避免因短路所造成的损害。

我国电动汽车的相关研究工作经过了“八五”和“九五”两个五年计划和863计划项目的支持，特别是“十五"期间，863计划项目又对电动汽车进行了重点支持，已取得一批重大成果并正在推动成果转化及产业化，并得到国际社会的广泛认可。

随着锂离予电池技术的进步以及对锂离子电池的认识加深，对充电器也会不断提出新的要求，特别是对提高充电效率方面需加强研究。

1.4 主要研究内容
每种电池都有适合自己的充电特性曲线，一般情况下充电器是不能通用的，也就是说，针对具体的电池，需要采用相应的充电控制策略为电池充电，这给电动汽车补充能量带来了很大的不便。

本文的设计目标就是研制一种能够恒压充电的车载智能充电器，这是一种最基本的充电方式。

1、首先从设计的具体要求出发，研究确定了电动汽车车载充电器的整体方案。

电动汽车车载充电器的指标要求为：
①输入电压：单相AC220V,50Hz；
②输出电压：DC320V；
③蓄电池电压范围：（200-380）V；
④充电电压纹波：小于1%；
⑤输出动率：7kW。

2、在详细分析和研究单相有源功率因数校正原理的基础上，设计出一个大功率有源功率因数校正电路，并用软开关技术减少功率开关管的开关损耗，最后给出电路中升压电感等一系列重要参数的设计。

3、设计出一个具有降压功能的DC/DC变换器，使电路能够在蓄电池工作电压范围内得到稳定的输出电压。

并详细写出电路参数的设计过程。

4、用仿真软件对设计电路进行仿真，并给出功率因数校正电路和DC/DC降压电路的输出电压波形。

2系统方案设计
2.1 设计的基本原理
结合当前电动汽车电能供给的典型方式和充电电源的发展状况，文章设计的车载充电系统如图1所示。

图1 充电系统基本原理图
整个电路主要采用AC/DC加DC/DC的设计结构。

首先通过AC/DC变换将交流电能变换为直流电能。

然后利用DC/DC变换器得到所需幅值的直流输出电压。

在设计的电路中，首先将220V的交流市电经过电源滤波器。

电源滤波器就是对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电器设备。

电源滤波器的功能就是通过在电源线中接入电源滤波器，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。

利用电源滤波器的这个特性，可以将通过电源滤波器后的一个方波群或复合噪波，变成一个特定频率的正弦波。

电源滤波器是一种无源双向网络，它的一端是电源，另一端是负载。

电源滤波器内部电路电源滤波器的原理就是一种阻抗适配网络，电源滤波器输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗适配越大，对电磁干扰的衰减就越有效。

将得到的稳定正弦波输送到有源功率因数校正电路。

有源功率因数校正电路由整流滤波部分、功率因数校正部分、DC/DC转换部分和控制保护电路组成。

通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压的电源变换装置。

它直接将电网工频电压经过整流滤波为直流电压，再经主变换电路处理后经输出整流滤波，反馈电路对输出电压进行采样，并把所采样信号送到控制电路进行放大处理，以此调节输出的PWM脉冲占空比，最终输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压。

再把得到的直流电压输入到DC/DC变换器中。

DC/DC变换器有很多种，根据设计需要选择合适的DC/DC变换器。

通过调节开关器件的占空比得到规定幅值的直流电压。

最后将规定幅值的输出电压输送到蓄电池中，实现恒压充电。

2.2 设计方案与选型
2.2.1 整流滤波的设计方案与选型
整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。

按组成器件可分为不可控电路、半控电路和全控电路三种。

1)不可控整流电路
完全由不可控二极管组成，电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比
是固定不变的。

2)半控整流电路
由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。

3)全控整流电路
所有的整流元件都是可控的，其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变。

由于设计采用了功率因数校正技术，整流滤波部分在整个充电器设计中属于开关电源的一部分，且在开关电源的设计中，整流滤波部分只起到整流作用，整个功率因数校正电路共用一套开关管和控制电路。

所以本次设计的整流滤波部分选用不可控整流电路即可。

2.2.2 功率因数校正电路的设计方案与选型
设计的整流、滤波、APFC电路以及其控制电路的部分都属于开关电源的设计。

而开关电源是采用功率因数半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压的电源变换装置。

它直接将电网工频电压经整流滤波为直流电压，再经主变换电路处理后经输出整流滤波，反馈电路对输出电压进行采样，并把所采样信号送到控制电路进行比较放大处理，以此调节输出的PWM脉冲占空比，最终输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压。

1、功率因数校正技术的选择
APFC电路属于开关电源的功率因数校正部分。

根据是否用有源器件，功率因数校正可分为无缘功率因数校正技术和有源功率因数校正技术两大类。

1)无缘功率因数校正（PPFC）技术
无缘功率因数校正技术是早期应用的一种功率因数校正技术，通常是在电路的整流器和电容之间串联一个滤波电感，或在交流侧接入一个谐振滤波器，构成无源滤波网络，采用无功功率补偿、无功滤波等方法抑制电路中的谐波，从而提高电路功率因数，稳定电网电压，提高电网的供电质量。

无源校正电路通常采用无源元件电感、电容组成低通带通滤波器，工作在交流输入电的工作频率，将输入电流波形进行了相移和整形。

虽然无源功率因数校正电路的结构简单，但是由于工作在输入电的低频率下，电感、电容的体积就比较大，因而组成的无缘功率因数校正电路部分的体积可能比较大，且它的补偿特性易受电网阻抗、负载特性的影响。

会由于和电网阻抗发生谐振而造成电路元件的损坏，不能对谐波和无功功率实现动态补偿，因而它只能在中小功率电源中广泛采用。

所以这种方法的优点是：控制简单、效率高、可靠度高、EMI小、价格低廉。

缺点是：增加的无缘器件体积大，笨重且效果不好，功率因数低，对谐波的抑制效果不理想。

所以很多场合无法满足谐波标准的要求。

2)有缘功率因数校正（APFC）技术
有缘功率因数校正是直接采用有缘开关或AC/DC变换技术，在整流器和负载之间接入一个DC/DC开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流的波形跟踪交流输入
正弦电压的波形，从而使电网输入端的电流波形逼近正弦波，并与输入的电网电压同相位。

有缘功率因数校正可得到较高的功率因数，总谐波畸变小，可在较宽的输入电压范围内和宽带下工作，体积小，重量轻，输出电压也可保持恒定。

它的基本思想是，通过高频变换技术，使设备输入端对电网呈现出电阻特性。

这样，输入电流的波形与输入电压的波形就始终能够保持一致，只要电网是正弦的，输入电流也就是正弦的，没有谐波，没有相位差。

90年代以来，有源功率因数校正技术取得了更多进展，国内外的研究机构都提出了一些功率因数校正的软开关技术和新的控制方法；由于变换器工作在高频开关状态，有源功率因数校正技术具有体积小、重量轻、效率高、功率因数可接近1等优点。

因此，在现阶段，有源功率因数校正技术已具备高性能、低成本等优点，因此得到广泛应用。

本设计也将采用有源功率因数技术作为最终选择。

2、功率因数校正拓扑电路的选择
常见的功率因数校正器的基本电路有：Buck（降压式）、Boost（升压式）、Buck-Boost （降/升压式）、Cuk和Flyback（反激式）等变换器。

这几种PFC拓扑结构的特点如下：
1)Buck（降压式）：只能实现降压功能，输入电流不连续，噪声（纹波）大，滤波困难，开关管上电压压力大。

2)Flyback（反激式）：输入、输出之间隔离，输出电压可以任意选择，输入简单电压型控制器，适合于150W一下的功率要求。

3)Buck-Boost（降/升压式）：需要两个电子开关，用一个开关控制驱动，电路比较复杂，一般只应用在中小功率输出的场合。

4)Boost（升压式）：电感电流连续，电流畸变率小，储能电感可作滤波器抑制RFI（射频干扰）和EMI（电磁干扰）噪声，并可防止电网对主电路的高频瞬态冲击，输出电压高于输入电压峰值，电源允许的输入电压范围扩大，通常可以达到（90-270）V；输出电压可以达到400V，提高了电源的适应性。

控制简单，适用于大功率场合的要求，应用最为普遍。

通过比较，鉴于Boost型电路在大功率电源中的众多优点，Boost升压结构适合我们作为大功率开关电源的设计要求，是我们最终选择的方案。

基本原理图如图2所示。

图2 Boost升压拓扑电路
只要开关S导通，电感中就有电流通过，且电流逐渐增大，电感储能；当S关断时，交流电源和储能电感一起通过二极管D向电容和负载供电，这样只要通过对S的控制，就可以使得在任何时间内，输入端都有电流流过。

如果控制得当，就可以使输入电流呈正弦形状，且与输入电压同相位。

2.2.3 功率因数校正控制方式的设计方案与选型
1、经典控制方式
控制电路根据电感电流是否连续可分为不连续导电模式DCM和连续导电模式CCM 两种控制方式。

DCM控制模式功率因数与输入和输出电压的比值有关，当输入电压变化时，功率因数也将发生变化；输入电流纹波较大，峰值电流远高于平均电流，而且开关器件承受较大的应力，导致导通损耗和成本增加，只适合用在小功率场合。

CCM控制模式输入电流纹波小，THD和EMI小，对输入滤波器的要求小，输入电流峰值小，对器件的应力要求就小，相应减小了器件的导通损耗，适用于大功率应用。

从上面的分析对比中可以看出，CCM模式在大功率应用场合具有相对较大的优势，所以此系统Boost-APFC电路选择工作在CCM模式下。

采用CCM工作模式，就需要使用乘法器来实现PFC，当采用乘法器控制时，由于输入电流总带有一些开关频率的纹波，因此必须决定反馈哪个电流，因此产生了三种经典的电流控制方式，即电流峰值控制、电流滞环控制和平均电流控制。

这三种控制方式的基本特点如表1所示。

表1 三种经典的电流连续控制方式
与平均电流控制方式相比，都具有很明显的缺点，如果电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足THD很小的要求；占空比大于0.5时系统易产生谐波振荡；开关频率在一个工频周期内不恒定，引起电磁干扰和电流过零点的死去；负载对开关频率影响很大，滤波器只能按最低频率设计等缺点。

因此大大影响了其在APFC电路中的应用，其中峰值电流控制方式已趋于淘汰。

平均电流控制方式比其他两种控制方式相比：开关频率恒定；THD较小，电感电流峰值与平均值之间的误差小；跟踪误差小，瞬态特性较好；对噪声不敏感，适用于大功率场合应用。

但是也存在着自身的缺点，控制电路复杂，接口设计繁琐。

2、目前主流控制方式
20世纪90年代初由美国加州大学的Smedley K.M.博士提出的一种大信号、非线性PWM单周期控制方式，以其抗扰动性能好，动态响应速度快，控制方式简单等优点逐渐占领了功率因数校正技术的主导地位
其控制思想是：通过控制开关的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等
于或正比于控制参谋量。

随着控制技术的发展单周期的概念有所扩展，这种控制的最大特点是能在一个开关周期内有效抵制电源侧的扰动，这种控制技术可以广泛应用于非线性系统的场合，比如脉冲调制、谐振、软开关的变换器等。

单周期控制Buck 变换器原理图如图3所示。

图3 单周期控制Buck 变换器原理图
假定输出电压g V ，开关频率s s T f /1=为常数。

工作原理如下：当开关S 导通时，二极管截止，其两端电压为零。

因此一个开关周期内二极管上的电压为：
⎰⎰==s s DT g s T d s d dt V T dt V T V 0
011 电路开始工作时，由控制器产生恒定频率的开关脉冲，开通开关S ，二极管上的电压d V 经记分器开始积分，当积分器的输出电压int V ，达到给定值inf V ，比较器输出翻转，触发器发出关断信号关断开关S ，同时发出复位信号使实时积分器复位为零。

由上可以得出：
ref DT g s
T d s d V dt V T dt V T V s s ===⎰⎰0011 在单周期控制中，占空比D 由下式决定：
ref DT g s V dt V T s =⎰01
（2-1）
采用单周期控制时，电压的平均值在每一个开关周期内都与ref V 完全相同，并且与输入电压的大小无关。

采用单周期控制系统完全抑制了输入电压的干扰，具有良好的直流电压调节特性，当开关频率足够高时，系统可以得到高质量的直流输出电压。

可以将单周期控制思想扩展为通用的理论，对各种类型的开关变换器都可以用该技术实现。

在实际设计中，可以选择单周期控制技术的芯片来代替控制电路，比如英飞凌的ICE2PCS01和IR 的IR1150S 芯片等。

虽然IR1150S 无论在管脚功能和使用方式上都同ICE1PCS01极为相似。

不过IR1150S 简化了电流环，可直接使用简单滤波后的电感电流检测值来工作，无需电流环补偿电容。

所以本文将采用单周期控制方式的控制芯片IR1150S
对功率因数校正电路进行设计。

2.2.4 DC/DC电路
DC/DC变换器是指能将一定幅值的直流输入电压（或电流）变换成一定幅值的直流输出电压（或电流）的电力电子装置，主要应用于直流电压变换（升压、降压、升降压等）、开关稳压电源、直流电机驱动等场合。

DC/DC变换是将原直流电通过调整其PWM（占空比）来控制输出的有效电压的大小。

DC/DC转换器又可以分为硬开关和软开关两种。

1)硬开关（Hard Switching）
硬开关DC/DC转换器的开关器件是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗。

当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC 转换器的开关频率不能太高。

2)软开关（Soft Switching）
软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压开关（Zero-V oltage-Switching，ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（Zero-Current·Switching，ZCS）。

这种软开关方式可以显著地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造了条件。

所以在车载充电器的设计中选用软开关。

理论上，按其变换功能可将DC/DC变换器分为降压型DC/DC变换器（Buck变换器）、升压型DC/DC变换器（Boost变换器）、升-降压型DC/DC变换器（Boost-Buck变换器）和降-升压型DC/DC变换器（Buck-Boost变换器）四种基本类型。

然而在工程上，依据DC/DC 变换器是否需要电器隔离，又可将其分为有变压器的隔离型DC/DC变换器和无变压器的非隔离性DC/DC变换器。

由于设计的DC/DC变换器只需实现降压功能，所以将对具有降压功能的DC/DC变换器进行选型。

1)Buck变换器
Buck变换器电路输出电压的平均值低于输入直流电压。

电路图如图4所示。

图4 Buck变换器电路图
该电路使用一个全控型器件T，图中为IGBT，也可使用其他器件。

根据电感电流是否连续，Buck 变换器有三种工作模式，分别为连续导电模式、不连续导电模式和临界状态。

电感电流连续是指输出滤波电感L 的电流总大于零，电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间流过电感的电流为零。

在这两种工作模式之间有一个工作边界，称为电感电流临界连续状态，即在开关管关断期末，滤波电感的电流刚好降为零。

他们工作波形有较大差异。

由此可见，T 一周期中导通时间愈长，向电感转移的能量愈多，向负载转移的能量也愈多，即输出电压愈高。

所以控制开关管导通占空比可控制输出电压。

其工作波形如图5所示。

图5 Buck 变换器工作波形
T 导通时，电感电压0u U u S L -=，在该电压的作用下，电感电流L i 线性增长，电感储能增加。

T 关断且电流连续时，电感电压0u u L -=，在该电压的作用下，电感电流L i 线性下降，电感储能减少。

T 关断且电流断续时，电感电压0=L u ，电容向负载供电。

Buck 变换器的优点是电路简单；控制特性好；负载侧电流波动小。

缺点是电源侧电流波动大；只能降压，不能升压。

2) Buck-Boost 变换器
Buck-Boost 变换器电路如图6所示。