电动汽车充电桩设计
摘要：电动汽车交流充电桩是电动汽车充电设备中最常见的基础设施之一，也是电动汽
车实现产业化与市场化的重要前提。
本文首先详细介绍了电动汽车充电桩技术，并对其功能做了详细的分析，根据电动汽车充电站的特殊要求，选择了电动汽车充电装置的主电路拓扑。分别推导PWM变流器电路和双向半桥变换器的数学模型，对变流器传统控制方法和空间矢量控制方法做了对比仿真，通过仿真结果分析证明了SVPWM具有更好的控制性能，在开关频率较低情况下可以得到良好的波形。其次建立电动汽车充电装置仿真模型，对蓄电池充电、放电做了仿真研究。结果表明电动汽车充电装置可以实现在电网不稳定时向网侧提供能量，并且在充电过程中注入电网电流为正弦波相位与电网电压相同，放电时候过程中网侧电流正弦相位与电网电压相差180，直流母线电压波动小，系统动态性能好、能够实现单位功率因数校正。
搭建了实验仿真系统，对控制策略进行验证。仿真分析和实验结果验证了电动汽车充电桩可以实现单位功率因数校正、滤除谐波污染，并能够实现能量双向流动提高了电网的稳定性。
关键词:PWM变流器;双向半桥变换器;空间矢量控制;功率因数校正
I
Design of charging pile for electric vehicle
Abstract：Electric
vehicle ACcharging pile is one of the most common
infrastructure of electric vehicle charging equipment, and it is also an important prerequisite for the realization of industrialization and marketization of electric vehicles.
Firstly, this article describes Electric vehicle charging pile technology, andanalyses its function in detail. It selects electric vehicle charging machine maincircuit topology according to the special requirements of electric vehiclechargingstations.Then,the mathematical
model
of
PWM
converter
andhalf-bridge
converter
are
deducedrespectively. Comparing the traditional controlmethods and SVPWM in simulation, the results confirms that the control performance of the SVPWMis better..Secondly, this article also establishes theelectric vehicle charging machine simulation model, then the charging and discharging simulation are completed. The results can prove that the electricvehicle charging machine can provide energy to grid when the grid is unstable. The current injected into the grid is a sine wave and its phase issynchronized with the grid voltage when the charging station is in charging mode. While the current is also a sine wave and its phase with a difference of 180 withthe grid voltage when the charging station is in discharging mode, its DC busvoltage fluctuations is small, and system dynamic performance is good,meanwhile it can achieve unity power factor correction. Finally,simulationsystemexperiment
platform
is
built,validatingthe
controlstrategy.Simulation analysis and experimental results certify that electric vehicle charging machine not only can own factor correction and eliminate harmonics, but also can achieve bidirectionalflow of energy, it improves the stability of grid. Keywords: PWM converter; Bidirectional half-bridge converter; SVPWM; PFC
II
第一章绪论
1.1课题研究背景及其意义
随着不可再生能源的不断消耗，即将到来的能源危机迫使各国更加重视新 能源的开发。作为一个国家经济发展重要支柱的汽车产业一直是一个高能源消 耗产业。现在越来越多的人拥有家用汽车，可以预见在将来人们对石油资源的 需求将会越来越大。节能与新能源汽车是汽车产业解决能源问题的重要突破口， 将成为拉动国内经济增长的一个新兴产业。我国目前己经是世界第一的汽车产 销国，今后一端时间内汽车需求量仍将继续保持增长的势头，由此带来的能源 问题将更加严重，汽车产业急需升级和转型来应对此问题。所以大力发展节能 与新能源汽车，既是有效化解能源危机的重要手段，也是缩短我国与发达国家 在汽车产业上的差距，实现国内汽车自主创新的重要举措。
要真正实现电动汽车的大面积普及和使用，我国还有很长的路要走，要解 决的问题还有很多。2012年4月国家发发布了《节能与新能源汽车产业发展规 划(2012一2020年)》,规划指出今后将以纯电动汽车作为主要的战略取向,其主 要任务包括了积极推进充电设施建设，因地制宜建设慢速充电桩、公共快速充 换电设施。与传统的充电站相比，电动汽车充电桩占地面积很少，路边只需要1平方的空地就能建设一个充电桩，成本很低，很适合在城市中的超市、停车场、住宅小区等车辆密集停放的区域建设。
近几年来国家出台了一系列电动汽车方面的优惠政策和措施推动了电动汽 车及其配套基础充电设施的飞速发展。
(1)2001年“十五”863计划电动汽车重大科技专项[3]; (2)2006年“十一五”863计划节能与新能源汽车重大项目;
(3)2009年1月“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”，对试 点城市新能源汽车补贴，促进试点城市充电基础设施建设;
(4)2012年《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》[5]，促进能源供 给基础设施平台建设;
(5)2012年《节能与新能源汽车产业发展规划(2012一2020年)》，积 极推进充电设施建设，因地制宜建设电动汽车充电桩设施。
从国家出台的各项措施可以看出国家发展新能源汽车决心之大，可以预见
1
一旦电动汽车生产达到预期目标，配套的充电设施将有很大的需求量。所以本课题所研制的电动汽车充电桩作为充电基础设施的一部分对于推进电动汽车的普及具有重要的意义。
1.2充电系统国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
近年来从产品和技术两个层面上讲，国外的充电系统都取得了较好的进展:①充电产品随着控制技术、人工智能等先进技术的发展，摆脱了单一型，朝着多功能、更安全智能的方向发展;②现场工业总线技术，如CAN, RS485, LIN总线的发展使得监控系统的通信手段多样化、高速化、安全化。法国多用核能和水力发电，其发电能力充足，据统计法国总发电量的四分之三来自核电站，六分之一来自水电站，因而其发电源干净、电价便宜，汽车工业发达，因而是世界上最早研制和推广电动汽车的国家之一。法国政府协同EDF(法国电力)公司，并与PSA公司、Renault(雷诺)汽车公司等多家公司合作，开发电动汽车。在LaRocheHe(拉罗切里市)投资生产了小型4座电动汽车50辆，并建造了12座(包括3座快速和9座普通)充电站，目前己经投入使用并进行了超过2年的试验。口本的新能源汽车也一直处于世界领先水平，东京电力公司己宣布其成功研发出大型快速充电器，该充电器大大缩短了充电时间，这对口本电动汽车普及提供了较大的可能性。就充电桩的设计和控制为主的充电设施的建设，美国的First Solar公司最早在加州的高速上建造了5座快速充电桩，能够在240V/ 70A条件下，于3. 5小时内完成对电动汽车的充电。 1.2.2国内研究现状
由于技术发展的限制，我国进入电动汽车充电技术的研究领域晚于国外，但是近年来得益于相关的扶持政策，以及高校、科研机构和企业在相关领域的合作，目前电动汽车充电技术己取得了一定的突破，电动汽车充电设施建设也呈现良好发展势头。深圳的比亚迪公司在2006年建立了电动汽车研究所，在其厂区内还建设了一些电动汽车快速充电站和充电桩。
不得不提的是，2008年北京奥运村运行的纯电动公交车，该公交车的充电控制系统具有自主知识产权，其能源补给的方式是快速更换充电电池。该充电站到目前为止仍是世界第一的规模。2009年12月底，深圳两座电动汽车充电站，134个充电桩正式投入使用，这是由南方电网在深圳投资建设的首批充电设施;2010年3月份，唐山的南湖电动汽车充电站也正式地投入了商业运营，这是
2
由华北电网建设的第一座典型大型电动汽车充电站。为加快电动汽车推广的进程，在地方政府的大力支持下，我国各地纷纷建立了电动车充电站。自2010年起，己有多个省市开始建造充电站，包括了上海、北京、浙江、湖北、河南、重庆等。北京交通大学研发的30kw大功率单体充电机，比较有代表性，该技术较为成熟，可三台并用，其输出电压为可调300V-500V，并可选择多种充电模式。同时，包括很多国内高校在内的研究机构在电动汽车充电监控领域正进行着较多的科研工作。我国2012年前陆续建设了包括36200个快速充电桩和7400个慢速充电桩，充电桩加快发展。在“十五”计划期间，为实现能源安全、改善大气环境，国家制定了跨越式发展的战略并设立了“电动汽车重大科技专项”，集中了企业、高校、科研院所的力量进行攻关，把电动汽车的产业化技术平台作为重点研究工作，并在一些关键技术上取得了较好地进展。
1.3研究主要方案简介
如图1-1它是基于V2G技术的整体充电框图，主要包括PWM整流部分、DC/DC充放电部分及电池组。从网侧直接引交流电经整流装置转换为直流电，再经DC/DC变换装置给电池组充放电。
图1-1
可逆PWM整流部分选用的是三相电压型PWM整流器，即可作电动汽车的充电电源，又可作电动汽车的放电负载，且在电池的充放电过程中，可实现单位功率因数，电能双向流动，低谐波污染等;充放电部分采用的是双向半桥DC/DC变换器，运用其独特的升降压功能，自动调节降压充电和升压放电的转换，采用脉冲快速充电技术，消除电池的极化现象，缩短充电时间，延长使用周期。
3