电动牵引车充放电装置的设计与实现

发布时间：2020-10-01 21:02

　　随着人们环保意识的增强和国家对发展电动汽车产业的大力支持,电动汽车在生活当中越来越普遍,根据中汽协发布的数据,2018年全国新能源汽车销量达125.6万辆,其中纯电动汽车为98.4万辆。电池存储的能量是电动汽车的动力之源,随着电动汽车市场份额的增加,与之匹配的为电池充电的装置的需求也急剧增加。目前市场上存在的充电装置绝大多数使用的是AC/DC电路加DC/DC电路的两级式拓扑结构。本文将为特性场合使用的电动牵引车设计一款给其内部铅酸蓄电池充放电的装置,与常见的充电装置不同,为了给铅酸蓄电池核对性放电,保证铅酸蓄电池的正常使用,该装置内部设计了可以给铅酸蓄电池恒流放电的放电模块。论文首先在装置系统层面讨论了充放电装置要实现的功能以及装置内部的组成,从功能需求出发介绍了装置的控制系统的设计,包括控制系统软件层面的实现和控制器所需的资源。针对充放电装置的放电功能,文中选用的拓扑为改进后的Buck电路,并分析了改进后的Buck电路的各元件参数的设计。利用状态空间平均法推导了改进后的Buck电路的传递函数,求解出闭环控制参数,并验证了放电模块的电气性能。针对充放电装置的充电功能,文中选用VIENNA整流加移相全桥的两级式电路拓扑,讨论了移相全桥存在的一些问题。由于装置充电输出功率较大,将移相全桥电路做了改进并分析了改进后移相全桥电路的参数设计,推导出移相全桥电路的小信号模型并进行双闭环控制器参数的设计,并验证充电模块的电气性能。最后,讨论了充放电装置工作的流程,包括充电流程、放电流程、故障处理流程与急停保护流程;验证了装置整体的输出性能,包括充电电流、放电电流的动态调节性能,以及装置的自动停机功能。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U491.8
【部分图文】：

电路拓扑结构,放电单元

电池的恒流放电。本章将具体说明实现放电电力变换的电路拓扑、电路参数设计以及电路的控制策略。3.1 拓扑结构充放电装置的放电功能的技术要求在表 2-1 中列出，由于在铅酸蓄电池在放电过程中存在着电池电压降低的现象[38,39]，直接使用电阻负载与铅酸蓄电池相连来消耗电能难以实现蓄电池的恒流输出，因此考虑经过简单的电力变换来实现蓄电池的恒流输出。选用的拓扑为图 3-1 所示的改进后的 Buck 电路，电路输入电流需要维持稳定且电路输出无指标要求，所以在输入端增加了 LC 滤波电路，省去了输出端的稳压电容。图中 Rs为软启电阻，防止在接触器 S1闭合时电感 L1与电容 C1产生谐振，避免冲击电流与冲击电压造成电容的损坏，在一定时间后电容 C1的电压稳定时，便闭合接触器 S1将软启电阻 Rs短路。电路的工作原理与 Buck 电路类似[40]，这里不再详细描述，即通过开关管 T1的开关实现蓄电池的恒流放电，并将电能消耗在电阻负载 RL上。

框图,放电电路,系统传递函数

图 3-5 放电电路系统传递函数 bode 图图 3-6 放电电路系统控制框图图 3-6 中，Gi(s)为输入电流反馈 PI 环节的传递函数， Ki分别输入电流的采样反馈函数，Km为 DSP 中 EPWM 模块周期寄存器设置的值。因为放电电路的输入部分有 LC 电路，所以系统的 bode 图有一个谐振峰，为了使系统工作稳定，设计 PI 参数使得谐振频率处的幅值增益在 0dB 以下。经过反复调整，设计的控制器的参数为：kp=0.1，ki=1000。系统整体的传递函数 Gif(s)为：8 2 3( ) ( )( )4.864 10 2.0064 10 15.2i idifmG s G sG sKs s (3-21)

框图,放电电路,系统控制,框图

25图 3-6 放电电路系统控制框图，Gi(s)为输入电流反馈 PI 环节的传递函数， Ki分别输入为 DSP 中 EPWM 模块周期寄存器设置的值。电路的输入部分有 LC 电路，所以系统的 bode 图有一个谐，设计 PI 参数使得谐振频率处的幅值增益在 0dB 以下。经的参数为：kp=0.1，ki=1000。系统整体的传递函数 Gif(s)为8 2 313 4 9 3 5 2( ) ( )( )4.864 10 2.0064 10 15.22.82 10 4.418 10 1.6815 10 0.2209i idifmG s G sG sKs ss s s 系统 bode 图如图 3-7，此时系统的穿越频率为 11Hz，相位应曲线如图 3-8，可以看到，系统的响应时间约为 0.1s。

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