电动汽车光伏充电桩研究与设计

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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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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