单三相兼容车载充电机的研究Word下载.docx
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关键词:
车载充电机;
多输入;
功率因数校正;
交错并联
第1章绪论
1.1课题研究的背景和意义
化石能源的探索与运用引发了人类社会的第三次工业革命,导致大量的机器走进人类社会代替人类进行机械化的工业生产。
汽车、火车、轮船和飞机等交通运输工具的发展也给人类带来了极大的便利。
同时,燃油汽车作为人们日常的出行的重要交通工具之一,其保有量逐年增加。
然而,传统的燃油汽车会排放大量的有害汽车尾气,这对环境造成非常严重的污染,严重影响社会的可持续性发展。
因此,对于风能、太阳能和核能等可再生的清洁能源的研究和利用也引起了越来越大的重视。
电动汽车作为一种运用电能驱动的新能源汽车,具有低碳、清洁环保的特点。
在此背景下,国家加快推进电动汽车行业的发展进程,并推行了一系列的购车、造车以及相关产业补贴政策。
这促使电动汽车行业迅速发展,涌现了蔚来、小鹏、云度和车和家等一大批新兴造车企业,同时,长安、比亚迪和大众等传统车企也加快了对新能源汽车研发的进程。
因此,电动汽车从主要是出租车运营车向私家车方向发展,电动汽车的保有量也逐年增加。
根据国际能源署2019年发布的《GlobalEVOutlook2019》可知,中国电动汽车保有量为95万辆,其中占全球电动汽车保有量的30%左右;
同时2019年的电动汽车产销量分别为76.5万和74.1万辆,同比增长了2.3%和0.6%。
可见,电动汽车具有非常大的应用前景。
为了加快发展车企向电动汽车方向转型,我国推行了一系列的政策支持。
虽然已经取得了一些阶段性的进展,但是在一些技术方面还是未能突破,包括电机驱动和控制技术以及整车电池能效管理技术等。
目前,电动汽车的车载动力电池性能仍然是阻碍其快速发展的一个重要因素。
车载动力蓄电池的性能与车辆的行车里程数以及安全、可靠性密切相关。
车载动力电池的性能和使用寿命除了其自身材料、工艺等相关外,其充电技术也是至关重要的。
因此,对于车载电池的充电技术也引起了越来越多的国内外学者关注。
电动汽车的充电设备主要根据其场所分为非车载式和车载式。
非车载式主要是固定在车外的充电设备,车载式则是固定在车内可随车充电的设备。
相比较非车载式的充电设备,车载充电机更加便利,也更加受欢迎,所以其应用前景广阔。
但车载充电机属于慢充模式,一般需要10~12小时,所以车主大多选择在晚上等对时间要求不高的时候进行充电。
随着电池续航能力的进一步增加,对充电时间的要求也越来越严格。
传统的单相输入功率已不再满足其对充电时间的要求,所以对于更高功率等级的三相输入的研究就显得非常有必要。
同时,目前的家用的交流接口大多仍是单相交流接口,这也意味着传统的单相交流输入的充电方式也还有较大的市场应用。
对于可工作在单相和三相两种工况下的车载充电机的需求会变得越来越大,所以对于可进行单相和三相输入切换的多输入型车载充电机的研究具有非常大的意义。
1.2车载充电机的研究现状
充电机的种类和架构
(1)按照充电机的的连接方式可分为接触式和感应式。
接触式通过充电接口与交流或直流充电桩进行连接充电。
目前,大部分的充电桩采用的都是这种接触式充电。
其充电系统结构简单、可靠性高、费用低;
感应式充电系统是通过利用电磁感应原理对电动汽车进行充电。
其不需要额外的充电线缆进行连接充电,所以充电方式简单、比较节约土地资源,人工维护成本也比较低,但其必须铺设充电板,利用电磁感应原理对电动汽车进行充电,相比于接触式充电系统一次性成本较高,效率也相对低,对环境也有一定影响,目前只适用于小型公共充电领域。
(2)电动汽车充电系统根据充电所耗时间,还可以分为慢充系统和快充系统,两者供电的形式也不同,慢充和快充系统分别对应直流和交流充电。
慢充系统主要由充电线缆、充电接口、充电机、配电设备、动力电池和控制器等构成,输入为标准的工频交流电,有效值为220V,但在充电之前还需转化为直流电,最后是电池充电为直流充电。
快充系统供电的终端是充电桩,充电桩内部可以实现许多功能,包括电能变化,通信、计算费用等,快充系统直接将三相工业用电转化为直流电给车载电池充电,所以其充电时间一般较短。
另外,无论是快充系统还是慢充系统,它们在充电控制过程中都需通过CAN总线与BMS进行通信,确保充电过程的精确控制和安全。
(3)充电系统也可以分为车载充电系统和非车载充电系统。
顾名思义,车载充电系统由于需要满足车辆的应用特点,其应该具备体积重量小、工作可靠性高和效率高等特点,需要在车辆内部使用,但考虑安全因素,功率不宜过大,所以充电花费的时间也相对较长;
非车载充电系统安装一般指充电站内设置的充电桩,容量较大,针对的电动汽车产品也更加广泛,但其充电地点较为固定,适用于电动汽车的大规模快速充电。
车载充电机的性能特点
车载充电机作为固定安装在电动汽车为其动力电池充电的设备,一般具有高可靠性、高效率、高功率密度和智能化的要求。
市场上的车载充电机种类繁多,为了规范车载充电机的市场,我国在2011年出台了《电动汽车用传导式车载充电机》汽车行业标准。
该标准对输入电流、效率、功率因数以及纹波系数等性能指标做出同一的规定。
将输入电流规定为10A、16A和32A三种等级,对应着单相2kW、3.3kW和6.6kW功率等级、三相6.6kW、11kW和22kW功率等级;
效率方面规定在其额定状态下不低于90%;
功率因数额定工况下不小于0.93以及不大于±
5%的输出纹波电压系数。
车载充电机在国外研究起步较早,经过多年来的研究取得了比较大的突破。
基本实现了功能单一、操作繁琐的充电设备向小型化、智能化的转变。
虽然国内对于车载充电机的研究相对国外叫落后,但在国家一系列的政策激励下,许多大型企业和高校已经或即将投入资源到充电机的技术研发中,其中一些已经取得了较大进展.目前市场上的车载充电机主要是工作在单相工况。
目前,市场上常见的比较成熟的厂家部分车载充电机主要参数如表1-1所示。
而随着电池技术的突破,其电池容量也会逐渐增加,相应的充电技术也需跟上步伐。
因此,对于三相拓扑的11kW、22kW功率等级的车载充电机的市场需求也会逐渐增大。
所以对单相和三相兼容的车载充电机的研究也会具有非常大的应用前景。
表1-1市场常见车载充电机厂家的产品性能指标
Table1-1Productperformanceindicatorsofcommonon-boardchargermanufacturersinthemarket
指标
欣锐
英威腾
铁成
富特
法雷奥
Infineon
输入电压(V)
90~265
187~253
85~275
输入频率(Hz)
45~65
50~60
43~75
输出电压(V)
240~460
200~430
110-440
126~384
170~430
200-400
额定功率(kW)
6.6
3.3
3.5
3
效率
94%
93%
功率因数
0.99
0.98
车载充电机的拓扑研究现状
车载充电机一般可分为单级式和两级式结构。
两级式结构常采用前级PFC电路加上后级隔离性DC-DC电路结构。
前级起到功率因数校正和母线电压调节作用,后级起到输出稳定可调直流电压为动力电池充电的作用。
两级结构采用前后级解耦控制、控制稳定且母线电压可调,因此前后级灵活配合可实现宽范围输入输出电压调节。
单级式结构将前级PFC和后级DC-DC不解耦组合,可有效减少开关器件并减小体积、降低成本,但拓扑结构和控制策略复杂,宽范围电压难,安全可靠性不高。
(1)PFC电路研究现状单相PFC技术研究起步比较早,已经有了比较成熟的技术,大多用在低功率的场合。
功率因数校正电路(PowerFactorCorrection;
PFC)可根据校正器件的不同分为无源功率因数校正电路和有源功率因数校正电路。
无源功率因数校正电路,主要由电感、电容、功率二极管等无源器件组成,主要通过提高整流导通角的方法来减少电流高次的谐波,一般的拓扑结构如图1-1所示。
图1-1无源功率因数校正电路
由于没有额外的控制电路,所以它的控制方法相对简单,这也就造成其功率因数校正效果不理想,很难达到所要求的功率因数值。
同时,当功率较大,无源器件的体积也需要很大,这将很大程度上制约车载充电机的功率密度的提高。
而车载充电机通常都需要比较高的功率因数和功率密度。
所以,市场上的车载充电机一般都采用有源功率因数校正(ActivePowerFactorCorrection;
APFC)的电路结构。
APFC通过采用开关器件控制能量的导通路径迫使输入电流相位跟随输入电压相位,进而达到功率因数校正的目的且通常具有很高的功率因数值。
APFC电路一般可分为有桥和无桥两种。
有桥PFC电路一般是整流桥将电网交流电转化为馒头波再经过功率因数校正电路,其可以采用Buck、Boost、Buck-boost或其他类型的变换器。
其中,当功率因数校正采用Buck降压型电路,虽然其输出电压低,母线电容应力低。
但是输入电流断续造成谐波较高且其驱动电路需浮地设计,较为复杂。
因此,目前大多研究应用的都是BoostPFC。
随着功率等级的增大,整流桥带来的损耗就变得不可忽视了,所以无桥PFC的研究就很有必要。
基本无桥PFC变换器由普通的有桥PFC变换衍变而来,通过省略整流桥,降低了传导损耗,提高了效率。
该变换器具有导通损耗小、硬件体积小、性能高等优点。
这种无桥式PFC电路比传统PFC电路具有更高的共模电磁干扰。
文献提出一种用于开关磁阻尼电机的Cuk无桥PFC电路,提出的拓扑结构在不连续传导模式(DCM)下工作,这减少了驱动器的尺寸、重量和成本。
文献提出了一种改进的SEPIC单开关无桥功率因数校正单端主电感变换器。
针对现有结构存在循环电流和输入电容和线路二极管的高电流应力的缺点。
将线二极管与输入电感串联重新定位。
此外,还采用了基于输入电容与输出电感间平衡能量补偿的设计参数优化原理。
实验结果表明,优化后总谐波畸变电流由56.3减小到4.9%且输出电压纹波始终低于最大输入电压纹波,但主要应用于小功率场所。
为了解决基本无桥PFC的EMI问题,通过加入钳位二极管和一个对称电感可抑制L、N线的电压跳变,但是增加了器件成本,且钳位二极管的会
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