电动汽车光伏充电桩研究与设计 - 图文

山东科技大学学士学位论文

摘要

目前，全球经济得到了快速的发展，但是环境破坏严重、能源开采过

度，这些都导致了许多产业将被迫转型。其中汽车产业的发展离不开石油能源的开采利用，在全球石油危机和汽车尾气排放严重污染环境的双重压力下，汽车行业必须找到新的能源方式与环境和谐的方法。

论文用对比的方式对多种新能源的特性进行对比分析，发现太阳能既是最清洁无污染的能源又是可再生能源，而且太阳能的使用技术也相对成熟一些，所以这些都成为了让我们选择利用太阳能能源为电动汽车充电站提供电能的原因。论文从我国使用太阳能的地理条件、太阳能技术水平等多个方面做了研究分析。并且通过对国内外已投入使用的太阳能电动汽车充电站的建设地点、电网方式、使用方式等方面的研究分析，对太阳能光伏发电系统和电动汽车充电桩做了进一步的设计与研究分析，提出了太阳能光伏充电站这一新的发展方向。

关键词： 太阳能， DC/DC， 光伏逆变器， 充电桩

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电动汽车光伏充电桩的研究与设计

ABSTRACT

At present,the global economy has been rapid development,but the environment has been severely damaged,energy and over-exploitation,which have led to many industries will be forced to transition. Which the automobile industry can not develop with out the exploitation of petroleum energy use,but the dual pressures of the global oil crisis and automobile exhaust emissions serious pollution of the environment,the automotive industry must find ways to make products and environmentally harmonious.

Paper comparative analysis of the characteristics of a variety of new energy way of contrast,found that solar energy is the cleanest non-polluting energy and renewable energy,and the use of solar energy technology is relatively mature,which let us choose to use solar energy as the best construction of electric vehicle charging station.Papers from our use of solar energy and geographical conditions,the level of solar technology, solar energy industry development, research and analysis. And at home and abroad through research and analysis has been put into the use of solar electric vehicle charging stations, construction sites, grid mode,use the way the use of solar energy to the grid and grid charging station.

Paper combines the trend of green urban development of solar photovoltaic power generation systems and electric vehicle charging piles do further research and analysis.

Keywords: Solar energy, DC/DC, Photovoltaic inverter, Charging station

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目录

1.引言 ................................................................................................................ 1

1.1新能源的开发利用 ................................................................................ 2 1.2 新能源电动汽车的产生和发展现状 ................................................... 6

2.太阳能充电站的可行性分析 ................................................................. 8

2.1 电动车充电站的研究背景 ................................................................... 8 2.2 未来电动汽车充电站的发展新思路 ................................................. 10 2.3 世界各国太阳能充电站的发展经验 .................................................. 11

3.光伏充电桩的光伏发电系统 ............................................................... 16

3.1光伏发电系统的分类 .......................................................................... 16 3.2 DC/DC变换器 ..................................................................................... 17 3.3 光伏逆变器的工作原理与模拟仿真 ................................................. 24

4. 充电桩快速充电系统的研究与设计 ............................................... 31

4.1电动汽车充电桩的充电方式 .............................................................. 31 4.2快速充电系统主电路的设计 .............................................................. 34 4.3快速充电系统斩波电路的设计 .......................................................... 37

5.结束语 ......................................................................................................... 40 参考文献 ........................................................................................................ 43 致谢词 ............................................................................................................. 44 附录 .................................................................................................................. 45

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1.引言

有限的石油资源加上与日俱增的耗用量，石油价格的暴涨是必然的现象。同时在大量的石油消耗的过程中环境问题也随之而出现，有害物质的排放极大的污染环境之余也在很大程度上对人们的健康问题造成危害，破坏了生活居住环境，严重影响了身心健康。无论从个人还是集体考虑，立足于经济与社会持续和谐发展的重要国情需求，我们不难发现石油的短缺和环境保护需求一直在制约着我国的工业经济发展，而其中汽车产业的发展就尤为明显。

随着国民素质的整体提高，环保、低碳等这些名词已经逐渐融入到新时代的生活理念当中。而新能源汽车这一概念的提出，不仅仅受到国家的各项政策的鼓励支撑，同时也给人们的生活带来一种新的方式。新能源汽车的出现无疑是有效地缓解了石油短缺和环境污染等问题，电动汽车是新能源概念中的主要研究方向之一，电动汽车可分成三种主要驱动方式：纯电动车、混合动力电动车、燃料电池车。然而想要更快更好的推动电动汽车的市场使用率，那么电动汽车的基础配套设施的建设就是刻不容缓的。电动汽车充电站的建设在国内外都已不在是新鲜的话题，国外的电动车充电站已经取得了相当不错的成果，我们国内的充电站虽然发展的比较迟，但是也在政府和一些大企业的支持下快速的发展开来。本篇论文的重点就是要研究电动汽车充电站未来的发展趋势，一种新的更加环保零排放的能源——太阳能电动汽车充电站的设计研究。

本论文将以光伏发电系统和电动汽车充电站为研究对象，对其中的太阳能光伏电池的逆变仿真和电动汽车充电站进行分析研究。

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1.1新能源的开发利用

根据世界国际铁路联盟给出的数据，运输行业所产生的二氧化碳排放量占全球总排放的 23％，现今世界各个国家都制定了相关法律并采取了相应措施来限制二氧化碳的排放。据相关数据表明，我国在 2007 年每辆车的二氧化碳排放量平均为 193 克/公里，而从 2009 年我国相应的限制法律实施的情况下减排 13%，二氧化碳平均排放量下降到 168 克/公里。这两年虽然取得了一定的减排成果但是按照我国“到 2020 年单位GDP 的二氧化碳排放量减少 40%—45%”的减排目标，要实现每台汽车的二氧化碳平均排放量降低到 105 克/公里，我们距离这个目标还很远，需要的下降值相当大，给我们的考验和压力也是巨大的。

上面的这些数据警示着我们全球因为能源利用而产生的环境问题日益突出，而社会经济的快速发展又与能源利用息息相关，面对着全球化石燃料的大量消耗，产生的这些日益严重的环境污染和能源匮乏等问题，全球提出了“低碳经济”的全新概念，“低碳经济”一方面指利用现代科学技术等手段来实现能源的节约、增效；另一方面指开发利用新的能源。

环境污染与资源短缺的现实情况促使全球各国开始重新聚焦新能源的开发利用问题，并且寄希望于新能源能够改善化石燃料所带来的环境污染以及可能会发生的能源枯竭问题。我们最终要实现的目标是零污染、高能效、低能耗和多元化的能源供给，走经济可持续发展的康庄大道。环保、节能、增效一直是受到诸多关注的话题，长久以来，我们用法律和经济以及科技等多种手段全面开展的低碳经济理念在现今是能看到一定的成效的。但是由于飞速发展的经济社会和日益扩大的石油能源的需求，与有限的地球资源背道而驰，由此而出现的社会震荡和担忧也越来越严重，新能

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源的利用就成了低碳经济背景下不可忽视的重要发展方向，也是全球各国加快经济发展步伐的重要展览手段。

常规能源一般是指具有较成熟的利用技术并且已经被广泛利用的能源，而新能源通常是指还没有被广泛采用的，正处在研究开发阶段的能源。常规能源是指像煤碳、石油、天然气等已被人类普遍应用的能源，而太阳能、风能、海洋能及地热能和氢能等等这类在近代才开发利用的能源则被称为新能源。新能源具备很多优点，如取之不尽的太阳能和风能，他们在使用的过程中不会释放污染物。新能源所共有的特点如下：第一，资源丰富并普遍都具备可再生性，可满足人类持续利用；第二，能量密集度较低，需要较大空间便于开发利用；第三，零碳含量或含量少，对环境污染小；第四，全球分布面积广，利于各个地区分散的小规模利用；第五，由于能源的持续性供应较差，波动性大使得不能用于持续的能源供给利用；第六，开发利用的成本高导致大规模推广难。 1.1.1 太阳能

地球上最根本的能源是太阳能。传统能源如煤、石油中的化学能是由太阳能转化而成的；风能、生物能、海洋能等其实也都来自太阳能。太阳每年辐射到地球表面的能量为50×1018KJ，相当于目前全世界能量消费的1.3万倍，因此利用太阳能的前景非常诱人。阳光普照大地，单位面积上的辐射并不大，如何把分散的热量聚集在一起成为有用的能源是有效利用太阳能的关键。

太阳能的利用方式是光热转化或光电转化。太阳能的热利用是通过集热器进行光热转化的，集热器也就是太阳能热水器。它的板芯由涂了吸热材料的铜片制成，封装在玻璃钢外壳中。铜片只是导热体，进行光热转化的是吸热涂层，这是特殊的有机高分子化合物。70年代石油危机以后，这

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类热水器曾有蓬勃发展，特别是在美国、以色列、日本、澳大利亚等国家安装家用太阳能热水器的住宅达到10%—15%。80年代在美国已建成若干示范性的太阳能发电站，用特殊的抛物面反光镜聚集热量获得高温蒸汽送到发电机进行发电。光电转化主要通过光电池，即太阳能电池，这是一种能把光能转变为电能的能量转换器。利用“光生伏打效应”原理，当半导体材料受到光照射时，物体内产生电动势或电流。已有使用价值的光电池种类不少，多晶硅、单晶硅(掺入少量硼、砷)、碲化镉、硒化铜铟等都是制造光电池的半导体材料。其中以单晶硅电池性能较好，光电转化率高，性能稳定可靠，使用寿命长。不仅能满足当时的供电需求，而且还能将部分电能储存于蓄电池中，大的可用于微波中继站、卫星地面站、农村电话系统，小的可用于太阳能手表、太阳能计算器、太阳能充电器等，这些产品已有广大市场。

我国是太阳能资源相对丰富的国家之一，其全年太阳能总量为917一2333kwh/m2，中值为1625kw/m2。与同纬度的国家相比，我国太阳能资源状况与美国相当，但比欧洲和日本优越得多，具体分布如表1.1所示。

表1.1中国太阳能辐射资源分布状况 地区 高辐射区 2600~3300 西藏、新疆、青海、宁夏、甘肃等 中等辐射区 2200~2600 东北、中部、山东、北京等 底辐射区 山海关、黑龙江、湖北、贵州、江西、浙江等

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年日照时数h 年辐射量Wh/cm2 160~235 140~160 1000~2200 100~140 山东科技大学学士学位论文

1.1.2 风能

风能是因空气流动所产生的气流而提供给人们的一种可被利用的能量，即风能就是空气动能。空气流动速度越快密度越大，产生的动能就越大。风能较其他新能源来说，具有十分明显的优势，它的蕴藏量巨大，分布极为广泛，永不殆尽，对一些离主干电网较远的岛屿及交通不便利的边远区域所产生的作用极为重要。

目前，风能因为其特殊的性质被最广泛的利用于发电产业，但是风能的开发利用也是利弊兼得，因为自然条件的影响风速具有不稳定性，它所产生的动能大小也就不稳定；不同的地理位置也严重制约着风能的可利用性；风能的转换率较低且作为新型能源，其使用设备也并不完全成熟。 1.1.3 其他能源

还有其他各种新型能源，如光能、核能、铀能、生物能源、地热能以及水能和氢能等等。对这些新能源的开发利用都是有利有弊，比如核能不但其资源利用率低，而且其反应之后产生的核废料将成为生物圈的危害因素之一，因为核废料的处理技术还未达到可以完全分解的阶段；核电站的安全问题也存在隐患，且建设核电站的费用比常规能源发电站高的多，相应的投资风险必然大。

海洋能指蕴藏在海底的多种可再生能源，像潮汐能、海水温差能及海水盐度差能等等，这类能源都具备可再生和零污染等特性，所以海洋能的开发利用将是一项具有战略意义的能源利用策略。但是其局限性体具体表现在全球地域海洋面积的不同分布情况，各个地区要考察实地的利用条件才能加以开发利用。

铀能是原子能的其中之一，虽然此能源在地球上储藏量稀少，但其产生的功效却高于其他能源很多。如果一座普通发电站一天需要消耗大约一

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千吨左右的煤，但用铀来替代煤，那么只需要大约0.5千克量的就足够了。这样即能体现环保还能节约煤炭的消耗量，向地球环保道路又跃进了一步。

1.2 新能源电动汽车的产生和发展现状

有数据表明，中国石油的开采量在 20 年之后就会消耗殆尽，煤炭的开采也坚持不到 200 年。然而我们的人口数量却是在不断的攀升，传统能源的利用将不能满足现实的需求，那么新能源代替传统能源的意义就变得非常重要。我认为中国新能源的开发利用在未来的发展中前景是一片大好，特别是在全球关注的环境问题下产生节能减排的号召下，使用传统能源的汽车所造成的空气污染和能源缺乏等问题都将依靠新能源的利用来解决。

汽车业的发展道路上新的里程碑将是新能源汽车，新能源汽车能够满足现阶段汽车业发展中的两大问题。第一，当今时代背景下汽车技术的首要核心发展方向便是节能环保，与此相应地全球各国也同时采取了日趋严格的排放法规来要求汽车行业解决尾气污染的问题。那么，汽车燃料将走向多元化，新能源汽车无疑将成为汽车工业发展的必然趋势。第二，随着我国经济的飞速发展燃料资源的消耗量也逐步扩大，在2001年我国的进口石油量已经占到我国国内耗油量的32.5％，显然在国际安全警戒线30％的标准值上超过了 2.5%。数值虽然并不大，但是石油危机的到来是我们不得不承认的隐忧。因此，新能源被用来代替传统能源是新时代的新要求也同时解决了石油危机的现实忧患。

随着我国新能源汽车产量的快速增长，上游原材料企业将成为我国新能源汽车产业发展的主要受益者，作为控制上游资源的企业，盐湖集团、西藏矿业、宝钢稀土目前已成为新能源汽车产业发展的主要受益者。随着磷酸铁锂电池技术的突破以及锂电池生产成本的降低，未来锂电池将取代

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镍氢电池成为新能源汽车的主要动力来源，目前我国主要生产锂电池的企业有风帆股份、赛德电池，他们都将从新能源汽车的产业发展中受益匪浅。我国电机与控制系统尽管属于竞争激烈的成熟行业，但由于先进入该市场的宁波韵升、大洋电机等电机企业已抢先与下游汽车厂商开展了相关合作，因而已占据了较大比例的市场份额与客户资源，具备较强的竞争优势。此外，目前我国生产充电站及相关配套设施的企业主要有国电南瑞和许继电气，二者都以国家电网为背景，在国家电网的主导下开展了新能源汽车充电站的建设。

目前，国内电动汽车的使用主要是在公交车方面，造成现在这种现象的原因是什么呢？电动汽车作为日常使用的产品就像是我们使用手机一样，但是试着想象如果苹果手机没有配套的充电器那么乔布斯的 Iphone 还会买这么“疯”吗？同样的道理，无论多完美的电动汽车，没有电力的补给也只能作为摆设而且是只能摆在车库而已。世界各国在扶持电动汽车发展的政策上都不尽相同，总的方向是保持支持态度并鼓励企业投资开发研究，虽然纯电动汽车是我们最终努力的目标，但是目前作为过渡阶段产生的插电式的电动汽车，混合动力汽车，这类汽车的基础设施建设正是电动汽车发展速度缓慢的原因。

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2.太阳能充电站的可行性分析

2.1 电动车充电站的研究背景

最早将清洁能源这一概念引入到城市公交系统便是法国巴黎，在巴黎市区街道上已有大量纯电动公交车参于到交通运输中。随着电力驱动技术的日渐完善，纯电动轿车也逐渐在巴黎市民的日常生活中日益普遍。当街道上都行驶的是电动汽车时，人们自然而然希望公用电动汽车充电站是随处可见的。巴黎市政府为了利于民出行便利，特拟画了一份“充电站分布图”，巴黎市民就可以根据该图很快的找到最近的公用充电站。（图 2.1）

图 2.1 巴黎电动车充电站分布 2.1.1 我国电动汽车充电站的建设水平

单从节能减排方面来说，电动汽车要比燃油汽车有明显的优势，这会直接导致部分购车者在二者之间选择时优先考虑电动汽车。随着电动汽车的快速发展加快了电动汽车充电站的建设步伐，在国家政策的大力推动下，全国各地的电动汽车充电站如雨后春笋般成长起来。在2009年，国内首家

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具有商业运营功能的电动汽车充电站10月份时在上海投入使用，该充电站可为多种电动汽车充电，但暂时未对社会车辆开放。南方电网在深圳投资建设的两个电动汽车充电站12月份开始投运，它们可以同时满足134 辆电动汽车充电需求。

2012年2 月，第一个 Sunlogics Green Zone太阳能充电站正式落户通用汽车中国园区，充电站充分利用太阳能，通过可再生能源，以独特且环保的方式实现电动车充电。2012年9月，交运集团与国家电网签署战略合作协议，建设更多的充电站，使电动汽车充电难的瓶颈不断得到改善。目前，国家电网已批准在青岛建设青岛汽车东站、莱西汽车站、王村路公交场站等5个充换电站，总投资5亿元。山东烟台预备在今年建设18座电动汽车充电站，除了发电厂的支撑外，主要利用风电、太阳能发电等分布式能源为充电站供电。北京、湖北、浙江等地也都在积极筹备电动汽车充电站的建设，相信在不远的将来，电动车用户驾车外出时可以任意远行，随时为汽车补充电力，方便快捷。 2.1.2电动汽车的经济性

电动汽车确实更经济、更省钱。近期，长安、奇瑞、比亚迪等国内汽车生产商都已推出了以电力为驱动能源的汽车。以比亚迪一款纯电动汽车为例，快充2个小时可充电57度，行驶300公里只需42.75元。而传统的燃油汽车行驶300公里就需要156.96元。相当于峰期充电费用的3倍。奇瑞生产的一款电动汽车，一次充电续驶里程可达120~150公里，每百公里仅耗电8到10度，按照居民用电平均价格0.75元/度来计算，每百公里只需要7.5块钱。相比传统汽车的燃油成本来说，差不多只有十分之一。据了解，这款车售价预计将在7万元左右。

从上段的数字我们可以看到电动汽车比传统汽车更加经济实惠，而且

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石油匮乏所带来的油价飞涨会加快电动汽车取代燃油汽车的趋势，电动汽车的规模化以及政府优惠补贴政策的不断完善将使电动汽车的购置费和使用费大幅下降，电池价格和寿命问题也会随着科技的进步得到很好的解决，再加上电动汽车的零排放和低噪声，社会经济效益更加明显。因此电动汽车的发展前景十分乐观。

2.2 未来电动汽车充电站的发展新思路

充电站的建设得到世界各国的政府的扶持鼓励态度，国家也支持国有的或是私营的企业一同建造电动汽车充电站来促进电动汽车的推广。在国内，现在由于电动车的使用率还比较低，它对于电网几乎毫无影响。如果电动车对电的需求达到像是汽油和柴油那样多广，那么对我国的电网的影响将是巨大的。

由于我国的电网发电主要是依靠煤炭，电动汽车虽然解决了燃油使用造成的大气污染问题但是大量的煤炭发电所造成的污染并不亚于燃油使用造成的污染。在加上我国的煤炭资源也是有限能源，煤炭的利用也做不到永久持续的提供。对于水利发电，由于地区的差异，不是所有的地区都能利用水力发电。像铀能、潮汐能等新燃料技术还不成熟，不能大规模的被利用。种种因素表明，一旦电动车汽车的市场被打开了，电力的缺失就会成为新的焦点问题。所以我们现在要从长远的角度来选择新能源的利用，拥有较为成熟技术的太阳能是不错的选择，太阳能能源不仅没有污染而且能够持续永久利用。因此我们可采用太阳能发电系统，建立真正无污染且不会产生二次污染的储能式太阳能充电站，以达使电动汽车真正实现节能减排的最终目的。

太阳能充电站的能源是依靠太阳能来提供的，只要有阳光的照射，太

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阳能电池板就能持续地吸收太阳的辐射能量，之后光能转为电力通过电线传输并被储存在埋在地下的高功率电容中，最后通过电容给充电桩提供电力。所以当电容中有蓄电，也可以满足夜晚来为电动车充电的使用者，因此太阳能电动汽车充电站并不会局限在白天使用。

2.3 世界各国太阳能充电站的发展经验

随着科学技术的不断进步，电动汽车的研发已经不在大家关注的重要问题，随着 Tesla 纯电动跑车的产生以及其他多种插入式电动汽车车型持续的在市场推出，摆在我们面前的更为吸引大家关注的问题是研究如何为这些电动车提供的驱动力——充电站。它就相当于为燃油汽车提供能源的加油站，于是为电动汽车补充电力的充电站就成为日后节能环保的电动汽车推广普及不可忽视的前提之一。 2.3.1美国推出太阳能插入式充电站

Carbon Day Automotive公司在美国芝加哥推出了一种以太阳能作为发电能源的太阳能插入式充电站（SolarPlug-InStation）。这种自助式的充电站可以让司机轻而易举为自己的电动车充电，整个过程没有任何不利于环境的排放物产生。据悉，这款太阳能插入式充电站的设计概念曾在芝加哥申办2016年奥运会时展示过。芝加哥市政府与美国其他城市一样，都在积极寻找提高市区环保效应的方法，将公务车全面电动化一直是具有标标杆用的选择。据Carbon Day Automotive公司称，这款充电站一开始的主要目的就是要为芝加哥市政府的电动公务车充电，但是现在因为这款充电站设计得到了许多人的认可，所以日后还是有望能被更多的电动汽车使用并能得到更多地区普及推广。

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图 2.2 插入式太阳能充电站 顾名思义，这款太阳能充电站（图2.2）的运作原理其实非常简单，就是把我们每天都能获得的太阳能转换为电能，提供给电动车驱动。目前，当我们在使用电动车时，虽然车子行驶的时候本身不会排放二氧化碳，可是在家充电所耗费的电力是由发电厂提供，这样其实就是将二氧化碳的排放源转移到了发电厂，并没有从根本上减少对环境的污染。但现在，连充电所需的能量也来自于纯天然的太阳能，就真正实现了二氧化碳零排放。库仑科技公司（Coulomb Technologies）的首席执行官Richard Lowenthal表示：“太阳能和电动车是注定一对天生的伙伴，利用太阳能来为电动车充电是最环保最好的解决方案，能帮助我们减少对外国石油的依赖，向可代替性能源的利用又迈进新的一步。” 2.3.2 英国建高速公路太阳能充电站

世界上第一个全国性高速公路电动汽车充电站网络在英国投入使用。（图2.3）这种免费使用的太阳能充电站已经现身12个高速路服务区，日后还将有18个服务区的免费充电站投入使用。这一举措意味着电动汽车将第一次能够行驶到英国的任何地方。在此之前，电动汽车的潜在购买者面临的主要问题就是行驶范围有限，只能在自己所在城市驾驶电动汽车。充

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电站网络由Ecotricity公司负责建设，公司创始人戴尔-文斯表示：“统计数据显示电动车在城镇行驶时并不需要中途充电，真正需要充电的是城市间的高速公路。”

图2.3 英国高速公路太阳能充电站 每一个充电站都将提供100%的“绿电”，电力由Ecotricity遍布英国的风力和太阳能发电场提供。如果使用32A快速充电站，电动汽车在短短20分钟内便可完成充电，完全充满需要两个小时。较慢的13A充电站则为在服务区酒店过夜的驾驶者使用。 2.3.3 我国太阳能充电站的建设发展现状

襄樊具有新能源汽车城之美誉，为了能给电动汽车更绿色、更清洁的能源，襄樊市建成我国首座太阳能光伏智能充电站（图2.4）。太阳能光伏充电是指利用光伏逆变技术，把太阳电池板所产生的低压直流电转变成 220 伏的交流电，之后就可直接用其给电动汽车充电。该项技术提高了充电效率、且具有安全可靠及零污染等特点。这座太阳能光伏充电站是由湖北追日电气设备公司建造，该公司已表明，光伏逆变器与智能充电机都研制成功并小批量开始生产。该充电站总占地面积约2700平方米，如果只依靠太阳能来发电，每日可产出100余度电，足够1至2台大型公交电动汽车的用电。这座充电站与电网连接并网工作，太阳能电网产生的剩余电量

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可输送到电网使用，而在光照不充足的情况下可以使用电网来补充电量。

图2.4襄樊电动汽车太阳能充电站 在2012年2月，上海通用汽车园区建成国内第一个 Sunlogics Green Zone太阳能充电站（图2.5），而这座太阳能充电站的研发者是 Sunlogics 公司——通用汽车风险投资公司的股权合作伙伴。Sunlogics Green Zone 太阳能充电站是通过从太阳中获取辐射能量，并将能量转化为绿色可再生能源。

Sunlogics Green Zone 太阳能充电站落户在通用汽车的中国园区这个事实就能充分表明，通用汽车正致力于电动汽车的配套基础设施建设，目的是为了更深入的打开中国电动车市场的大门。通用汽车将继续致力于与相应配套设施的各个供应商和各种电力集团加强合作关系，力争能为电动汽车用户提供更便捷且可靠的理想的充电模式。通用汽车为了加快增程型电动车——雪佛兰 Volt 沃蓝达汽车的市场推广，通用汽车将会把Sunlogics Green Zone 太阳能充电站在逐步建设在世界多个地区，这一举措不仅是解决增程型电动车的充电问题同时也利于以后通用汽车的其它类型的电动汽车能较快的进驻全球国际市场。

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图2.5 上海 Green Zone 充电站

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3.光伏充电桩的光伏发电系统

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。

3.1光伏发电系统的分类

光伏发电系统按是否与电网相连可以分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统两种。

1.独立光伏发电系统

如图3.1所示，独立光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、DC/DC变换器、逆变器组成。太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有光照的情况下输出能量。根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电控制器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制部分组成。如果独立系统要供电给交流负载使用，就需要逆变器，其主要作用是将直流电转换为可供交流负载使用的交流电。

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2.并网发电系统

并网太阳能光伏发电系统是由光伏电池方阵并网逆变器组成，不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接将电能输入公共电网。并网太阳能光伏发电系统相比离网太阳能光伏发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了其中的能量消耗，节约了占地空间，还降低了配置成本。值得申明的是，并网太阳能光伏发电系统很大一部分用于政府电网和发达国家节能的案件中。并网太阳能发电是太阳能光伏发电的发展方向，是21世纪极具潜力的能源利用技术。

并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，因而没有太大发展。而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。

充电桩 逆变器 图3.1独立光伏发电系统结构框图 太阳能 电池板 DC/DC 蓄电池 DC/DC 3.2 DC/DC变换器

由于光伏电池的输出电压与逆变器和蓄电池的输入电压不吻合，所以需要DC/DC变换器的转化。

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3.2.1 独立光伏发电系统常用DC/DC变换器拓扑结构

到目前为止，在太阳能光伏发电系统中使用的DC/DC变换电路主要有BUCK电路，BOOST电路，BUCKK-BOOSTT电路以及CUK电路。它们的电路拓扑分别如下图3.2(a)-(d)所示。

a. BUCK电路拓扑图 b. BOOST电路拓扑图

c. BUCK-BOOST电路拓扑图 d.CUK电路拓扑图

图3.2太阳能光伏发电系统中常用的DC/DC变换电路拓扑图 3.2.2 Buck变换电路的工作原理

在独立太阳能光伏发电系统中，只有在白天太阳能电池才能有电量输出，因此系统一般会选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电控制器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。但由于太阳能输出的电压一般比蓄电池充电所需要的电压高，因此当太阳能电池对铅蓄电池充电式多采用降压式变换器（Buck）进行降压，Buck变换电路在系统拓扑结构中起到稳压降压的作用，因为太阳能光伏发电输出的电压要大于蓄电池所需要电压，且不稳定，所以使用Buck变换电路很好的解决了这一问题。

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Buck电路图如图3.3所示，该电路由二极管D、电感L、开关Q以及电容C1和C2构成，结构比较简单。

Buck 电路是通过开关管 Q 不断导通和关断交替变换，实现降压和稳压的。当开关管Q导通时，如图3.4所示，此时二极管处于反偏截止状态，电感L未饱和之前不断储存能量，输出极性为上正下负的电压U0 ，同时I1>I2，电容C2 处于充电状态。当开关管截止时，如图3.5所示，此时二极管导通处于续流状态，为了保持电流I1不变，电感L两端电压极性不变，输出电压极性也不变即上正下负，同时I1

U0?t0Ui??Ui，其中α为导通占空比，可知输出电压U0 始终小于输入电T压Ui ，所以该电路为降压变换器。

图3.4开关导通时Buck等效电路图

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图3.5开关关闭时Buck等效电路图 首先我们给开关Q施加一个占空比可调的驱动信号即PWM信号，使开关Q不断导通和关断之间交替变化，实现对蓄电池充电。当开关管Q导通时，二极管D反向截止。太阳能发出的电能向负载供电，同时电感L上开始储能，能量增加。当开关管Q关断时，二极管D导通，此时电感L所储存的能量供给负载，滤波电容C2 使输出的电压的纹波进一步减小。 3.2.3 Boost 变换器的工作原理

升压式DC-DC变换器是输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器，它由功率开关管S、储能电感L、二极管及滤波电容C组成。 为分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下几点假定：

(1)开关开关管、二极管均是理想元件。也就是可以瞬间的“导通”和“截止”，而且“导通”时压降为零，“截止”时漏电流为零；

(2)电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零，稳态开关周期中电感电流始终大于零，即变换器工作于CCM模式；

(3)输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 Boost电路有两种工作方式：电感电流连续模式（CCM）和电感电流断续模式（DCM）工作方式。电感电流连续是指输出滤波电感L的电流总

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是大于0，电感电流断续指开关管关断期间有一段时间电感L的电流为0。

Boost升压电路在电感电流连续模式下的工作原理如图3.6所示，转换电路中的电感在输入侧，一般称之为升压电感。开关管S仍为PWM控制方式，但它的最大占空比D必须限制，不允许在D=1情况下工作。图3-4、图3.8为开关管处于导通和截止状态时的等效原理图。

图3.6 升压式DC-DC变换器电路的原理图

图3.7开关管导通时的等效原理图

图3.8 开关管关断时的等效原理图

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图3.9 升压式DC-DC变换电路的输出波形 从图3.6可以看出，在开关管导通时，电源给储能元件电感L充电，L上的电流逐渐增大，而从图3.8可看出当开关管截止时电感L放电，L上的电流逐渐减小。电容起到滤波的作用，使负载上的电压的波纹减小。图3.9显示了电感L上电流的变换波形和电压波形。在t=0时，开关管S导通，电源电压Ui全部加到升压电感L上，电感电流iL线性增长，这时二极管D截止，负载由滤波电容C供电。

LdiL?Ui dt(3-1)

当t?Ton时，iL达到最大值ILmax，iL通过二极管D导通期间，iL的增长量iL(?)为

?iL(?)?UiUTon?iDTs LL(3-2)

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在t?Ton时刻，开关管S关断，iL通过二极管D向输出端流动，电源功率和电感L 的储能向负载和电容C转移，给C充电，此时加在L上的电压为Ui?Uo，因为Ui?Uo，故iL线性减小。

LdiL?Ui?Uo dt (3-3)

当t?Ts时，在开关管S截止期间，iL达到最小值ILmax，iL的增长量?iL(?)为

?tL(?)?Uo?UiU?Ui(Ts?Ton)?o(1?D)Ts (3-4) LL在t?Ts时，开关管S又导通，开始另一个开关周期。

由此可见，Boost变换器的工作为两个阶段。在开关管S导通时为电感L的储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠存储在电容C的能量维持工作。在开关管S关断时，电源和电感共同向负载供电，此时还给电容C充电，因此Boost变换器的输入电流就是升压电感L电流的平均值。

1 IL?(ILmax?ILmi)n (3-5)

2开关管S和二极管D轮流工作，S导通时，流过它的电流就是iL，S截止时，流过D的电流也是iL，通过它们的电流iS和iD相加就是升压电感的电流iL，稳态工作时电容C充电量等于放电量，通过电容C的平均电流为0，故通过二极管D的电流平均值就是负载电流io，并且此刻开关管S导通期间电感电流的增长量?iL(?)等于它在开关管S 截止期间的减少量

?iL(?)，由公式(3-2)和(3-4)可得出输出电压与输入电压的关系：

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Uo1 ?Ui1?D(3-6)

同降压式DC/DC相反，由于D?1，因此这种电路能起到升压作用。工作过程中，调整功率开关管的导通时间或开关周期都可以改变变换器的输出电压。

3.3 光伏逆变器的工作原理与模拟仿真

逆变器是将直流电压转变为交流的变换器，由于市面上大部分电动汽充电桩输入的是交流电，而光伏发电系统中，光伏电池和蓄电池提供的是直流电，所以逆变器是不可缺少的设备。逆变器是将光伏发电系统最后输出的直流电或者是储能电池放电时的直流电转换成交流电，从而提供单相交流电给电动汽车充电桩。 3.3.1光伏逆变器工作原理

1.前级电路原理图

LDi1E2Si2VsCE2

图3.10 升压斩波电路 升压斩波电路的原理图如图3.10所示。该电路由开关管S，二极管D，电感L，电容C组成。该电路的作用是将电压E1升压到E2，其中，认

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为E1是光伏阵列的输出电压, E2是升压斩波电路的输出电压。

2.工作原理

当开关S导通时，电感L上积蓄能量；S关断时，电感积蓄的能量以及从电源来的能量同时提供给负载。假设L充分大，流经L的电流为恒定值I1；当S导通时，假设S的导通时间为ton，则L中的积蓄能量为E1I1ton。然后，关断S，假定C充分大，输出电压为恒定值，S的关断时间为toff，则释放到负载的能量为(E2-E1)I1toff稳态时上述两者必须相等， 所以有：

E1I1ton=(E2?E1)I1toff (3-7)

ton?tofftoffE1?TE1 (3-8) toff从而得 E2?式中，因为T/toff>1，所以输出电压比输入电压高，即该电路能使输入电压得到提升。

在电路工作过程中，根据电感电流断续情况又分为电流连续动作和电流不连续动作两种。前者是在电抗器电流为0之前又使S开通，后者是在电抗器电流为0后才使S开通。为了减小负载电流的脉动，一般多采用电抗器电流连续模式。这两种模式分析如下：

RLDRLD Em i1SEdEmi2SEd

(a) 开关S导通时的等效电路(b) 开关S关断时的等效电路图3.11升压斩波电路等效模型 先假定开关S导通，此时的等效电路如图3.11(a)所示，因此有下

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式成立：

Ldi1?Ri1?Em (3-9) dtEm(1?e?t/r) (3-10) 设电流的初始值为I20,解上式得：

?t/r? i1?I10eR然后令S关断，由图3.9(b)的等效电路有：

Ldi2dt?Ri2?Em?Ed 设电流的初始值为I20,解上式得：

i?t/r2?I20e?Ed?EmR(1?e?t/r) 图3.12是连续动作和不连续动作的的理论波形。

i连续 I10I20 I10tonTtoff ti不连续 I 20tontsTt offt 图3.12 连续和不连续动作理论波形

3.后级电路原理图

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(3-11) (3-12)

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+S1S3 LNUdCdS2isCNUNS4

4.工作原理

-图3.13 后级电路原理图 如图3.13所示为以绝缘栅双极性晶体管(IGBT)为主开关器件的单相全桥逆变器主电路图，其中LN为交流输出电感，Cd为直流侧支撑电容，即前级电路的输出电容，Sl―S4是主开关管IGBT，对四个开关管进行适当的PWM控制，就可以调节输出电流IN(t)为正弦波，并且与网压UN(t)保持同相位，达到输出功率因数为l的目的。它是由两个桥臂并联组成的，因此这种桥式拓扑，仍属于升压式结构。其启动的先决条件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值，而欲使电感电流能按照给定的波形和相位得到控制，必须保证在运行过程中，直流侧电压不低于电网电压的峰值,否则，续流二极管将以传统的整流方式运行，电感电流不完全可控。 3.3.2光伏逆变器的模拟仿真

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业

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的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。

在Multisim中建立如图3.14所示的带有滤波器的DC-AC全桥滤波器。其中UD为输入电源，电压控制电压源VCVS1～VCVS4和脉冲电压源V1～V4组成MOSFET功率开关管驱动电路。VT1～VT4为MOSFET功率开关管，栅极受电压控制电压源VCVS1～VCVS4（uG1和uG3，uG4和uG2）控制，

电压控制电压源VCVS1～VCVS4受脉冲电压源V1～V4控制。

其中VCVS1和VCVS3与VCVS2和VCVS4的相位互差180°。触发脉冲周期是20ms（对应是360度，即2π）。修改Pulse Width（脉冲宽度）参数，可以改变MOSFET功率开关管的导通时间。控制导通角或触发角α是

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图3.14 带滤波器的DC-AC全桥逆变电路 山东科技大学学士学位论文

与Delay Time参数相对应，修改Delay Time参数即可修改触发角α。 例如当设置V1和V3 的Delay Time参数（即触发角α）为3ms时，应设置V2和V4 的Delay Time参数（即触发角α）为13ms（10ms对应π），使两者之间相差180度（π）

太阳能电池单体的工作电压为0.45~0.5V，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦、几十瓦、甚至100~300瓦。太阳能电池组件再经过串并联装在支架上就构成了太阳能电池方阵。假设一个光伏发电系统输出的直流电压为100V。为了与市面上的充电桩提供电源，需要用图3.14所示的电路将100V直流电逆变成220V交流电。已知参数L1=1.0H，R2=1.0KΩ，C1=10uF。在Multisim下的仿真结果如图3.15所示。

图3.15 220V交流仿真 由于逆变电路的设计比较简单，以至于模拟出的220V交流电如图3.15所示并不是正规的正弦波，在以后的研究设计中需要对图3.14所示的电路不断改进完善，使输出如图3.16所示的标准220V正弦交流电。

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图3.16理论上得的220V交流电

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4.充电桩快速充电系统的研究与设计

4.1电动汽车充电桩的充电方式

动力电池充电设备是电动汽车充电不可或缺的子系统之一，它是将太阳能光伏电池输出的电能传换为电动汽车车载动力电池的能量。

1.恒压充电法

顾名思义，恒压充电即是在充电过程中将蓄电池两极间电压维持在恒定值的充电方式。在恒压充电过程中，充电电流是逐渐减小的，即达到了自动调节充电电流的效果，与蓄电池接收能力曲线走势相同。如果设定的电压恒定值适宜，就既能保证蓄电池的完全充电，又能尽量减少析气和失水。

图4.1恒压充电特性曲线与接收特性曲线

虽然两曲线基本走势相同，但在随着恒压充电的进行，充电电流的下降速度趋于平缓，无法下降到接收曲线的要求值，这时再进行充电就会对蓄电池性能造成一定的影响。两曲线对比如上图4.1所示。

总体来说，恒压充电有以下优点和缺点：

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①充电特性曲线更接近于蓄电池接收特性曲线。 ②充电电路易于实现。

③恒压充电电解水很少，避免了由于硫酸铅浓度上升而造成的电池老化。

④但是使用这种方法会造成充电初期电流过大，容易使蓄电池极板弯曲，导致电池报废，且无法在短时间内完成。

综合考虑以上优缺点，恒压充电现阶段已经很少使用，只有在要求低充电电压、大电流时才采用。

2.恒流充电法

与恒压方式相对应，在充电过程中，充电电流维持在恒定值，也是一种目前被广泛采用的充电方法，充电电路多用开关电源控制实现。充电时可以根据蓄电池的容量和接收特性曲线来确定合适的充电电流值，利用小电流、长时间的充电方式在不伤害蓄电池性能的情况下完成充电。

图4.2 恒流充电特性曲线与接收特性曲线 为了尽量减少充电时间，充电电流值的选择不能过小，但是这样就会造成在电池即将充满的后期阶段充电特性曲线超过蓄电池接收曲线的情况。所以现阶段在恒流充电的基础上，将后期恒流充电阶段置换为小电流连续充电，充电特性曲线如上图4.2所示。

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3.快速充电法

①脉冲式充电法，这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高电动汽车蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。

脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。

②2REFLEXTM快速充电法，这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉电池。由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借REFLEXTM充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段。

③变电流间歇充电法，这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

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④变电压间歇充电法，在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

⑤变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法，合脉冲充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。脉冲充电法充电电路的控制一般有两种：

1）脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的；

2）脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。

脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。

4.2快速充电系统主电路的设计

快速充电系统的硬件部分主要包括：主变换电路（高频开关电源电路、斩波电路）和辅助电路（隔离驱动电路、采样电路、辅助电源）。下面各节将分别对硬件系统的各电路进行设计，主要工作包括电路拓扑选择、原理分析、参数计算及其元器件的选型。并以此设计为基础，对硬件电路进行搭建和调试。

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4.2.1快速充电系统整体设计参数

为实现上述提出的快速充电方法和控制策略，本文选用铅酸蓄电池 LC-RA1212，设计了最大输出功率为 300W 的充电电源硬件系统，硬件系统的整体设计参数如表 4.1 所示。

表4.1系统的整体设计参数

参数项 光伏发电系统输出的交流输入电压 直流输出电压 直流输出电流 开关频率 系统最大输出功率 DC-DC变换器的效率 铅酸蓄电池电压、容量 参数值 220V±15% 0~15V 0~20A 50KHZ 300W 90% 12V/12Ah 4.2.3快速充电主回路设计

由图 4.3所示的快速充电系统硬件部分的主电路结构图可知，硬件系统的主电路由整流电路、高频开关电源电路和斩波电路组成。

光伏发电系统输出的220V交流电经全桥整流、滤波后输出电压约为300V的高压直流电；高频开关电源电路不仅起隔离作用，且将整流后的300V直流电转换为 18V低压直流电，为后端的斩波电路提供稳定的电压输入；斩波电路的主要功能是实现能量的双向流动，完成快速充电方法中蓄电池的充、放电功能。

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图 4.3快速充电系统的主电路图 由图 4.3 可知，220V 的单相交流电由全桥电路进行初级整流，并经过大电容低频滤波稳压，输出电压为 300V 左右的直流电。

输出直流电压：

2U1?2??220?15%??264.418~357.742 (4-1)

考虑到电网电压的波动需选取一定的裕度，低频滤波电容的耐压应大于：

1.1?2U1?290.86~393.52V (4-2) 单相整流电路需滤除较高幅值的纹波电压，并保证稳定的直流输出电压，因此需要大电容的滤波电容器。为获得大电容的同时又尽可能的减小电容器的体积和成本，所以本课题选用 330uF/400V 的铝电解电容。

由桥式整流电路分析可知，流过二极管中的平均电流只有负载电流的一半。若忽略二极管的正向压降，二极管所承受的最高反向电压见公式（4-3）。

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V (4-3) URM?220?2?311设计中考虑到光伏电源电压波动和整流电路中的器件损耗，二极管的最大反向工作电压和最大电流均选取一定的裕度。实际电路中选用 1N5408 硅整流二极管，其反向工作峰值电压为 1000V，最大工作电流为 3A。

4.3快速充电系统斩波电路的设计

研究蓄电池快速充电的关键任务之一是在充电过程中通过负脉冲放电及时缓和铅酸蓄电池的极化现象，提高蓄电池的可接受充电电流比。为提高充电过程的能量利用效率，负脉冲放电回路采用能量回馈型。因此，为实现充电桩快速充电，斩波电路的设计必须具备充、放电功能，即斩波变换电路可逆，能量可双向流动。

基于上述分析，本文的斩波电路选Buck/Boost型拓扑，即充电时为Buck电路，放电时为Boost电路，Buck/Boost 型斩波电路的拓扑结构如图 4.4 所示。

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图4.4 Buck/Boost 型斩波电路拓扑结构图 电动汽车光伏充电桩的研究与设计

1.Buck/Boost 型斩波电路的原理分析

（1）当充电电源对蓄电池充电时，开关管Q3开通，Q4关断。直流电压经过Q3、滤波电感L1 、续流二极管D5组成Buck电路。通过控制Q3的开通与关断，实现对充电电压或电流的控制。

（2）当蓄电池进行去极化负脉冲放电时，开关管Q4 开通，Q3 关断。蓄电池通过L1、D4、Q4向电容C1充电，形成Boost电路。因此蓄电池放出的电量被储存在C1中，当去极化结束时，由于C1两端电压较高，能量通过上述的 Buck 电路流回电池。当电压低于一定值时，由光伏电源通过充电装置向蓄电池供电。下面将分别介绍 Buck和 Boost电路的参数计算和元器件选型。

2.蓄电池充电Buck电路的设计

降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图如图4.4 所示。当开关管 V 闭合时，电源 E 同时为负载和电感供电，从而完成电感的储能；续流二极管 VD 在开关管 V 关断时给负载中的电感电流提供通道。

图4.6为降压斩波电路电流连续时的工作波形。由图4.5中开关管V的栅射电压UGE波形可知，在 t = 0时刻驱动开关管 V 导通，电源 E 向负载供电，负载电压U0 = E，负载电流i0 按指数曲线上升。当t = t1时刻，控制开关管 V 关断，负载电流经二极管 VD 进行续流，而负载电压U0 则近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串接较大电感值的电感 L。至一个周期 T 结束，再驱动开关管 V 导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。

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图4.5降压斩波（Buck）电路原理图 负载电压的平均值：

U0?tontonE?E?DE (4-4)

ton?toffT式（4-4）中，ton为一个周期内开关管V处于通态的时间，toff为一个周期内开关管V处于断态的时间，T为开关管的周期，D为占空比。

图4.7压降斩波（Buck）电路电流连续时的波形 2.蓄电池充电Buck电路的设计

Boost 电路即升压斩波电路（Boost Chopper），其电路原理图如4.7 所示。

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图4.7升压斩波（Boost）电路原理图 首先分析Boost变换器的工作原理，首先假设电路中电感L值很大，电容C也很大。当开关管处于通态时，二极管截止，电源向电感L充电，充电电流I L基本恒定，输出电压Vout靠输出滤波电容C维持，由于C值很大，输出电压Vout 基本保持恒定，设V处于通态的时间为ton ，此阶段电感 L上积蓄的能量为Lin Von It，其等效电路如图 4.8a所示；当 V 出于断态时，二极管导通，电感把前一阶段储存的电能全部释放给负载和电容，同时电源也向负载R提供能量，设开关管处于断态的时间为toff ，则在此期间电感 L 释放的能量为(Vout－Vin)I Ltoff ，其等效电路如图 4.8b所示。当电路工作于稳态时，一个周期内 T 中电感积蓄的能量与释放的能量相等，即：

化简得公式（4-6）： Vout?VinILton??Vout?Vin?ILtof f (4-5)

ton?toffTVin?Vin (4-6) tofftoff上式中T/toff≥1，即输出电压高于输入电压，故称该电路为升压变压器。因此式（4-6）可以表示为下式：

1Vin (4-7) Vout?1?D

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b. V截止，VD导通 a. V导通，VD截止 图4.8 Boost 变换器两种开关状态的等效电路 升压变换器之所以能提高直流电压，使得输出电压高于输入电压，主要基于两点：（1）电感 L 储能之后有电压泵升的作用；（2）电容 C 可以保持住负载两端的输出电压。

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5.结束语

通过前面章节的研究，从电动汽车的发展引出充电站对于电动汽车的发展是有极大的推广促进作用。着重研究应用于电动汽车充电站的各种已经被采用的能源优势，发现了如果使用传统电力的充电站就会破坏原本电动汽车产生使所带有的“节能环保”光环，那么这个时候我们就会反思：电动汽车的产生有意义吗？

试图解决传统电力的电动汽车充电站产生的环境污染难题，在研究中发现了几种清洁能源，能够完全做到零排放。比如太阳能、风能、氢能等等，从这几种能源的特性、开发利用的技术水平、优缺点多个方面进行研究对比，最后得到了利用太阳能能源来替代传统电网发电，建设太阳能电动汽车充电站被认为是最理想的充电站方案。

本论文的研究方向在利用太阳能为电动汽车充电的基础上进一步分析发展，为了在太阳能充电站这一产品生更加能体现出产品设计特性，使充电站能满足智能化、人性化的特点，做到以人为本的设计初衷，我们对充电站的设计方案作了深入的探讨。该充电站里的电源输出装置和快速充电桩从理论上分析就是太阳能电动汽车充电站的重点设计部分，有了这两个部分产品才能完成这个设计的理念，才能达到是一个完整的体系，于是这两个部分就成为了设计的重点也是该设计的光彩点，所有的无需人的行为方式都是通过它来实现的。随着研究的不断深入和智能化的不断发展，对于太阳能充电站本身来说，要被称之为 “好的设计”的产品，本身必然是人，环境，经济，技术等等多种因素有机的组合，并且能相互找到平衡点的产物。

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参考文献

1.王受之.世界现代设计史[M]北京:中国青年出版社,2002(3):43一48 2.刘志伟.日本、美国、欧盟新能源汽车产业政府扶持措施研究[D]河北大学,2010

3.崔容强,喜文华,魏一康等.太阳能光伏发电[J].太阳能,2004(4):72一76. 4.张金波,康云龙.可再生能源并网发电仿真[J].电工技术杂志,2004(11),58一60.

5.周志敏等. 充电器电路设计与应用. 北京：人民邮电出版社,2005. 6.孙兴中.电动汽车蓄电池混合能源充电技术的研究[D]广东工业大学,2011 7.沈丹.电动汽车电池组单体电池管理系统研究[D].上海：同济大学汽车学院，2008.

8.Brian Russell,Tristram Shepard.Product Design[M]Cheltenham,Nelson Thornes,2006

9.Tomohiko I.Charging operation with high energy ef-ficiency for electric vehicle valve regulated lead-acidbattery system[J]. J Power Sources, 2000,91(1):130-136.

10.徐曼珍. 新型蓄电池原理与应用[M]. 北京：人民邮电出版社,2005 11.徐晓丹，白志峰. 关于密封铅酸蓄电池充放电电路的研究[J]. 通信电源技术，2010,

12.钟静宏 , 张乘宁 , 张旺 . 电动汽车的铅酸蓄电池快速脉冲充电系统 [J]. 电源技术 ,2006,30(6):504-506.

13.汤秀芬 , 米晨 , 魏凤兰 .VRLA 蓄电池用慢脉冲快速充电器的设计 [J]. 电源技术 ,2008,32(1):56-58.

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致谢词

随着论文的完成，我的大学学习生涯也即将结束。回首这四年，我学到许多知识，为我以后学习、研究和工作打下了基础。在论文的完成过程中，得到了很多人的热情帮助，在他们的帮助和鼓励下，我克服了许多困难，最终完成了课题的研究。

首先我要衷心地感谢我的指导老师贾敏副教授。在做论文的过程中，贾老师悉心指导、循循善诱，一步步地启发我的思路，而且不辞辛劳，帮助我解决了一些遇到的困难，每次都使我有很大的收获。论文定稿过程中，贾老师一次次在百忙之中抽出时间仔细审阅论文，从结构、布局到格式、用词，贾老师都提出了许多宝贵的建议并最终使我的论文得以顺利完成。贾老师严谨细致、一丝不苟的治学作风是我学习的楷模，同时我对贾老师诲人不倦的工作作风表示诚挚的敬意。

感谢我的老师，不仅教了我专业知识，而且还教了我怎样学习、做人做事，使我受益匪浅。同时他们为我提供了宽松的学习环境，使我有机会学习更多的知识。我还要感谢在学习和生活上帮助和支持过我的同学们，是他们使我的大学过得更有意义。

离开校园，并不意味着我学习生活的结束，这是一个新的起点。我要以新的成就来回报学校和老师对我的关爱。

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山东科技大学学士学位论文

附录

Solar Tracker

The Solar Tracker team was formed in the fall of 2005 from five students in an ME design team, and a Smart House liaison. We continued the work of a previous solar tracker group. The task was to design a prototype tracking device to align solar panels optimally to the sun as it moves over the course of the day. The implementation of such a system dramatically increases the efficiency of solar panels used to power the Smart House. This report examines the process of designing and constructing the prototype, the experiences and problems encountered, and suggestions for continuing the project.

1.Introduction

Solar tracking is the process of varying the angle of solar panels and collectors to take advantage of the full amount of the sun‘s energy. This is done by rotating panels to be perpendicular to the sun‘s angle of incidence. Initial tests in industry suggest that this process can increase the efficiency of a solar power system by up to 50%. Given those gains, it is an attractive way to enhance an existing solar power system. The goal is to build a rig that will accomplish the solar tracking and realize the maximum increase in efficiency. The ultimate goal is that the project will be cost effective – that is, the gains received by increased efficiency will more than offset the one time cost of developing the rig over time. In addition to the functional goals, the Smart House set forth the other following goals for our project: it must not draw external power (self-sustaining), it must be aesthetically pleasing, and it must

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电动汽车光伏充电桩的研究与设计

be weatherproof.

The design of our solar tracker consists of three components: the frame, the sensor, and the drive system. Each was carefully reviewed and tested, instituting changes and improvements along the design process. The frame for the tracker is an aluminum prismatic frame supplied by the previous solar tracking group. It utilizes an ?A-frame‘ design with the rotating axle in the middle. Attached to the bottom of this square channel axle is the platform which will house the main solar collecting panels. The frame itself is at an angle to direct the panels toward the sun (along with the inclination of the roof). Its rotation tracks the sun from east to west during the day.

The sensor design for the system uses two small solar panels that lie on the same plane as the collecting panels. These sensor panels have mirrors vertically attached between them so that, unless the mirror faces do not receive any sun, they are shading one of the panels, while the other is receiving full sunlight. Our sensor relies on this difference in light, which results in a large impedance difference across the panels, to drive the motor in the proper direction until again, the mirrors are not seeing any sunlight, at which point both solar panels on the sensor receive equal sunlight and no power difference is seen.

After evaluation of the previous direct drive system for the tracker, we designed a belt system that would be easier to maintain in the case of a failure. On one end of the frame is a motor that has the drive pulley attached to its output shaft. The motor rotates the drive belt which then rotates the pulley on the axle. This system is simple and easily disassembled. It is easy to interchange motors as needed for further testing and also allows for optimization of the final

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