基于V2G电动汽车DCDC变换器主电路研究.docx
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基于V2G电动汽车DCDC变换器主电路研究
摘要
摩托车需要油，电动车需要电。
后者比前者更为环保，而充电桩便是为电动车输送电力的设备，它有什么功用呢？
就如加油站为汽车加油，充电桩就是为电动车充电。
交流充电桩的模式用三相交流电源向电动汽车提供电源一种模式，直流充电桩是采用直流充电模式向其蓄电池充电，这是根据他们供电方式不同进行的分类。
绪论将简单介绍V2G系统的应用对电网有什么影响及V2G技术在国内外的应用中有什么问题。
而对于V2G充电桩DC-DC变换器主电路设计把两个部分作为研究点，一个是电路另一个就是控制系统，研究他们设计方案。
升压变换器，降压变换器，升降压变换器是最基本的，变换器的基本电路就包括这些。
它的原理很简单，将开关用来斩击直流使其变为方波，之后便有调控它脉冲的宽度和它的周期的比使电压变化。
本文主要对于电动汽车双向DC-DC变换器设计问题探究，查阅相关文献基础上，通过单双向变换器拓扑结构的比较从而对其分析。
关键词：
V2G电动汽车充电桩DC-DC变换器主电路MATLAB
Abstract
Motorcyclesneedoil,electriccarsneedelectricity.Thelatterismoreenvironmentallyfriendlythantheformer,andthechargingpileisthepowerofelectricvehiclestotransportequipment,ithasanyfunction?
Asthegasstationforthecarrefueling,chargingpileischargedforelectricvehicles.ACchargingpilemodeThree-phaseACpowersupplytotheelectricvehicletoprovideapowersupplymode,DCchargingpileistheuseofDCchargingmodetoitsbatterycharge,whichisbasedontheirpowersupplydifferentclassification.
IntroductionwillbrieflyintroducetheapplicationofV2GsystemonthepowergridandV2Gtechnologyintheapplicationofdomesticandforeignproblems.FortheV2GchargingpileDC-DCconvertermaincircuitdesigntothetwopartsasaresearchpoint,oneistheothercircuitisthecontrolsystemtostudytheirdesign.Boostconverter,buckconverter,step-upanddownconverteristhemostbasic,theconverter'sbasiccircuittoincludethese.Itsprincipleisverysimple,theswitchisusedtocuttheDCtomakeitsquarewave,thentherewillberegulationofitspulsewidthanditscyclethanthevoltagechanges.ThispapermainlydiscussesthedesignproblemofbidirectionalDC-DCconverterforelectricvehicle,andthenanalyzesthetopologyofthebidirectionalconverterbyanalyzingtherelevantliterature
Keywords:
V2GelectriccarchargingpilemainDC-DCconvertercircuitMATLAB
第1章绪论
第一节论文研究背景及其意义
很多地区的环境都被污染了，能源也越来越少了，人们需要建设资源节约型和环境友好型社会，并积极致力于研发利用清洁能源技术[1]。
在这个每况愈下的环境下，各国的技术研究者都在寻求一个崭新突破，一个从未走过的道路那就是能源的开发。
如今的社会伴随着经济发展，人们所有的一切都需要电，无电不欢，无电不能。
恰此时我们可以看到正在飞速下降的能源储量，特别是传统能源。
怎么解决这一问题呢?
那就只能寻找新的能源代替，化石能源造成的污染和破坏，就如刀一般在地球上划出一道道伤疤，触目惊心啊!
为了长远的利益考虑，像分能，太阳能，电能这些新能源被人类逐步发掘并且加以合理运用。
在这些新能源中，电能就是其中一种环保友好的新能源。
我国是个提倡环境友好和资源节约的国家，这也顺应了时代的潮流。
在这个全球性低碳经济与社会的步伐下，我们低碳交通也变成了热点。
V2G技术自然而然就被提上议程，汽车以及摩托车作为工业化的产物，所造成的污染是巨大的，因为石油消耗以及排放。
而电动汽车就完全不会有这方面的顾虑，不管是在能源的取向还是污染物的排放，都较前者更为理想。
电动汽车的优点很多，除开可以节约能源，对环境友善之外，它还可使电网的符合减少很多。
它是如今发展前途最为广阔的一种汽车类型，符合未来低碳发展的道路。
如今为了节约成本，减少污染我们所使用的电动汽车基本来说都是原始的电动汽车。
蓄电池多样化，在如此宽广选择范围内，锂离子电池是电动汽车电池的首选。
为什么这么说呢？
单单从性能上讲，大容量可以睥睨一切同类产品。
如今技术上升势头强劲，它也有了用武之地。
电动汽车的前途是无可估量的，生产规模也节节攀升，近年来的数量翻了几番，充电粧的数量随之增多了。
V2G能量在电网与电动汽车互相转化，为我们奔向节约和环保型的社会模式，使得我们可以更加轻松享受电能带来的便利。
目前我们研究对象就电动汽车技术，传统电动汽车具有众多的优点。
最为突出的就是它们具有零排放，低噪音，结构简易，能源利用率高。
凭借这些优势，或许成为行业的翘楚。
当然，充电技术上电动汽车的心脏，许多充电仅仅是单方面的，没有考虑到相互性，能量不能双向流动，当然能源也不能有效运用。
电网测波形会发生严重变化，所以此时要设计一种充电桩，它相当于一座桥梁，提供电能的往来。
如果电网出现不稳定，蓄电池能量能及时反馈回电网提供电网稳定性。
能源利用率理所当然会提供很多，所以V2G就是至关重要的一个枢纽，它保证电网和电动车的互相协调工作，又使效率提高，一箭双雕。
大部分都是选择光伏电网向充电桩功能，这样来路去路都是干净的。
V2G同时提供电网的稳定性和安全性，是不可多得的技术，电网不稳定时可以让能量流回电网中。
它是先驱，开辟了新能源利用的道路，为人类发展充当了基石，是整个低碳汽车行业的中流砥柱。
我们可以在它的基础上，节省了许多能源减少了很多污染。
作为核心部分，充放电机可以分成车载与非车载的两类型，这些都不在重点讨论的内容当中，我们只要明白V2G技术的充电桩会为我们带来美好的明天。
第二节V2G技术的简述
如今的电网实际上效率不高是普遍存在状况，究其原因，其一是成本较高，再就是容易造成浪费。
问题的一部分是日常负载需求波动，需要电网电压和频率调节。
当发电厂的容量需要超过电网的基本负荷时，由于电网本身电量不足，负荷电厂将投入运行，有时候涉及旋转待机。
而当电网需求低时，电力消耗将低于基站负荷电厂输出，从而浪费未使用的能源。
另外，电网电压和频率调节在很大程度上增加了电网的运行成本。
在当下可再生能源系统如太阳能，可以大量接入。
不过可再生能源不密集输入或许会产生浮动，对额外不同能源的吸收额度会加大。
以平滑可再生能源的自然变率，保证电力的稳定电网频率并抑制由反向功率流引起的电压上升。
V2G概念是针对该问题提出的，其核心思想是利用大量电动汽车将电能储存为电网和可再生能源缓冲器，当高功率负载时，电动车库将电能馈给电网;当低功率负载，用于存储多余电网电力时，避免造成浪费。
这样，电动汽车用户可以在电价低下，从电网购电，卖电网电价格高到电网，以获得一些好处。
第三节论文的主要研究内容
本文的主要内容是基于V2G电动汽车充电桩直流-直流变换器主电路的设计。
作为电动汽车的关键技术之一,电力电子技术的快速发展带来了突破性的解决上述技术问题。
其中双向直流-直流变换器已成为电动汽车和智能电网之间的接口设备,越来越广泛应用于电池和电网管理PWW。
目前,有许多研究直流-直流转换器。
直流-直流转换器分为两种类型:
non-isolated直流-直流转换器和隔离电源转换器是否有电气隔离输入端和输出端之间。
基本non-isolated直流-直流转换器包括巴克,提振,BUCK-BOOST,CUK,ZETSEPIC转换器。
最常见的non-isolated双向直流-直流转换器是双向BUCK-BOOST转换器转换得到的反向二极管,二极管反向开关。
这个转换器结构简单,使用更少的组件,低成本。
但开关管电压应力高、输出电压极性为负w.提出的四路双向BUCK-BOOST转换器可以有效降低电压开关装置还应该能够输出的正极性电压,但缺点是电力设备的使用增加,增加了成本。
孤立的双向直流-直流转换器拓扑结构，研究了触发双向直流-直流转换器和双向反激变换器直流-直流转换器,推挽式双向直流-直流转换器,网格状的双向直流-直流转换器W和整个汽车电源转换器等等。
双向直流-直流转换器拓扑结构简单,容易实现,但降低了功率密度的转换器在宽输入和输出电压范围通过限制输出电压比在同一时间,因为他们没有电气隔离。
电气隔离需要隔离的双向直流-直流转换器。
隔离的全桥双向直流-直流转换器是电力电子设备的首选microelectroelectric能源存储系统由于易于软切换、高可靠性、高功率密度和对称PW01。
相比其他类型的隔离双向直流-直流变换器拓扑结构,隔离大桥双向直流-直流变换器开关电流和电压应该更小,更适合高功率,电压变化,需要电隔离和其他场合作为电动汽车充放电系统
非隔离双向DC-DC转换器拓扑结构简单，易于实现，但通过输出，输出电压比限制，在宽输入和输出电压范围内，转换器功率密度降低，因为同时没有电隔离，需要较大的电压传输比，需要电隔离的场合，与其他类型的隔离双向DC-DC转换器拓扑隔离桥式双向DC-DC转换器开关管的电流电压应较小，更多适合大功率，电压可变比较，需要电气隔离，如电动汽车充放电系统。
需要考虑隔离双向DC-DC转换器。
隔离双向DC-DC转换器拓扑研究的电流是触发双向DC-DC转换器和双向反激式DC-DC转换器，推挽式双向DC-DC转换器，半桥双向DC-DC变频器W和全车DC-DC转换器等。
由于易于实现软开关，高可靠性，高功率密度和对称PW01的优点，全桥双向DC-DC转换器的隔离成为微型电力电子设备接口的电网储能系统
近年来作为一个典型的双向直流-直流变换器,当前研究孤立双向全桥直流-直流转换器主要集中在电力系统在不同控制模式的特征。
首先,双向全桥直流变换器的拓扑结构提出了隔离盘,和系统的特点,单一的移相控制方式下的变换器进行了分析。
该控制方式控制权力的大小和方向,通过调整中小桥梁之间的相位角的变压器,和调制方法简单,容易实现。
责任之间的反馈周期和工作周期之间的比例和Su-up关系转变,但实现软开关负载范围是有限的。
软开关和责任周期之间的关系进行了分析,和负载范围满足软开关的条件存在的关系表达式。
第四节国内外研究状况
一、国内研究状况
电动汽车充电桩是与众不同的，为什么这么说呢?
它比之其他能源更加人性化，更加智慧。
奥运会。
电动汽车充电桩，它使用的电源和其他充电桩的电源不同，它是一种智能的电源，这种充电桩，在使用的时候，效率也非常髙，因为它采用了一种新型的技术，就是开关电源。
这个充电桩除开充电的功能，在这途中还原许多其他同类没有的东西，就像智能警告的功能。
2006年，深圳的一家公司，建立了一个研巧所，这个研巧所主要是研巧电动汽车的，另外，这家公司，还建立了一些快速的充电柱和充电站。
北京交通大学在的年开始电动汽车充电柱的研充工作，它研发了一种充电札泣种充电机是单体的，它的功率很大可达到30kw。
这种技术己经非常成熟了。
很多高校，在电动汽车的充电方面都进行着研巧，很多的研巧所也是这样他们把电动汽车作为重点来研巧，并且在一些关键技术上也取得了很大的进步[2]
二、国外研究状况
在上世纪美国电机和福特组建了公司，致力于新生电动汽车的研究。
主要就是高电池，在未来的几年间共投资了2亿多美元，可谓是不惜血本。
当然由于认清了发展的方向，未来肯定是朝着新能源发展的，顺应时代的潮流，获得了成功。
国外电动汽车技术起步早，成型快，充电功能即快捷又安全。
不过当时虽然是智能控制的，都是由于单一的同学技术，所以并不全面，但是现在伴随着现代化进程，通信手段五花八门。
除此之外，更加稳，什么叫稳那就是可靠并且舒心。
法国目前建造12个充电列，有四分之一生属于迅捷型的，合作的公司包括Renaw等著名公司。
除法国，日本汽车公司也即将崛起于新能源的开发运用。
他们开发了充电时间极短的充电器，巨额资金的投入，大量人才进行研究，以世界各国的充电系统为蓝本，制作的产品达到了高要求。
这些都是我们国家所欠缺的，不管是技术和是经验模式，如今早已不是当初闭关锁国的大清，应取长补短，一些收费制度尽可能宽松，才能吸引投资，推进电力公司的基础建设。
第2章双向DC-DC拓扑结构研究
第一节简介
双向DC-DC变换器它的优势很明显，有着优秀的基本功能。
最为重要的安全可以保证，以及舒适度也有保证，但是还有额外功能那就是对于环境的环保。
它除开可以依据系统判别完成一定操作，还能同时兼备节能与性能的优越。
在电动汽车开启熄火，加速减速频率过高的交通地区，其的工作模式更是要求苛刻，车载的蓄电池以及超级电容都要在最基本的前提下，达到反应灵敏利用率高。
未来满足城市公交，电动汽车的电动机要将机械能与电能双向流通，可以支持这个目标。
根据以上进行探讨，不难明白隔离型双向直流变换器落后了。
在什么方面？
首先受制于体积，其次便是工作的频率。
第二节变换器设计规格
1.双向DC-DC变换器由于车内部体积大小有限制，所以在功率的输出不变情况下需要更高的功率体积比
2.受制于车体体积的压制，车载电池的输出功率不可能有足够空间，所以如果负载不变双向DC-DC变换器应该有着更大的效率
3.车载电池电压在电动汽车运行中波动幅度是非常大的，所以更应该具有稳稳的电压输出，在复生再制动中需要掌控回馈电流讲能量反馈给battery。
第三节单向DC-DC与双向DC-DC变换器
能量有时可以是，传送，有时从传输到，例如使用一个单向转换器，则需要两个单向转换器反向并联的单向转换器被用于控制能量从所述流，当需要对能量的反向流动使用单向转换器。
我们熟悉的大多数转换器是单向的，通常单向转换器在主传输通道上通常都有这个链路，所以通过转换器流向的能量的方向是只有单向，能量只能在图中，由转换器传输，而不是逆流。
但是对于一些您需要双向能量流，您可以使用直流电压或直流电源，它们的电压极性保持不变。
但这将使整个电路，实际上可以把这两个转换器的功能转换器完成使用双向转换器。
更换双向意味着保持转换器的两端直流电压极性改变的情况下，可以根据DC-DC转换器的双向传输能量进行调整。
第四节不同双向DC/DC变换器拓扑对比
隔离式双向DC/DC变换器是，它的高低压侧不是直接连接，需要用变压器进行分开，我们观察下面的细节图。
图2-1
我先来介绍几种变换器，反激式、全桥式和半桥式，都司空见惯的。
反激式是普遍的一种，造价不贵，适合低功率。
半桥式也很普通，不过没那么频繁出现，优点呢就在于内部一目了然，操作感稍强，它常出现在高压处，因为个体抗得住电流的冲击。
最后要说的是全桥式，它的构造对比其他两个难的多，因为组成它的各部分器材繁多。
如果想使用它，首先考虑的是昂贵的价格，其次是功率是否偏大。
图2-2反激式隔离双向变换器
图2-3隔离全桥式双向变换器
图2-4反激式隔离双向变换器
综合来说，以上的双向DC-DC变换器，有着共同的一个地方，就是有着不少的功率开关。
他们的弊端也是很明显的，组合器件多内部构造繁琐，一旦通入电流，流通一些感性器件。
那么就会加重负担，造成额外的耗损。
其次我们要考虑的是IGBT，它是种复合型的晶体管，继承了不同种器件的优势，GTR和MOSFET的优势都能在其身上体现出来。
正是因为这些优势以及制作成本，是的IGBT的金额较高。
如果采用这些组合，要考虑到整体的收益。
是否有限的资金，得到合理的运用了。
隔离型的变换器，因为条件的约束，使得变频范围不宽松，如果要控制它状态的改变，需要比想象中有挑战。
当然，当我们可以在不同时段进行正确操作就可以完成众多的模式切换，并且还使得他们长处得以发挥出来。
与弊端相对应的，就是先天优势，我们要扬长避短发挥它带电气隔离的性能。
以下是较为常见的非孤立的变换器
图2-5双向Buck/Boost变换器
在BOOST模式，如何实现正常功能。
S1和S2开始不能同手同脚，必须保持一开一合，如果S1开路那么S2就要闭合，这个状态就是电力集合在L上。
接着就是放电状态，S2改变之前的状态，与之相反，上图就能实现放电。
在BUCK模式状态下，L先是攒积能量之后再释出，那么开关S2是不可能闭合的，另一个开关首先得闭合其次再断开方能实现功能。
图2-6双向半桥变换器
图2-6变换器分为BOOST和BUCK模式。
如果变换器处于BUCK模式，S2不能闭合，S1与电感想通，S1先导通再回原位，L也随之变化从存储带释放电能。
而另一个模式，就是要S1处于一个无限闭合的状态，手动操作，变化S2的状态控制电感。
S2的状态又导通到断开，先是充电再是放电。
图2-7双向Cuk变换器
观察图片看出，是个传统的双向Cuk变换器。
不同方向的运行方式大同小异，我们就说其中一个。
左边开关先是导通，当电感充电完毕，电容供电完成后，将左边开关断开。
此时刻电容变化，右边的开关二极管继流。
图2-8双向Sepic变换器
上图就是双向Sepic直流变换器。
它是十分灵活的，进退皆可，进能升压退能降压。
我们观察上图分析，将开关S1导通，S2与之相反。
电感L1获得电能，电容C给L1充电，给负载供电的是电容C2。
这个就是连续传导模式将左边开关断开，电感通过左开关的进行续流。
当右侧开关闭合，左侧与之相反，那么L2充电，C和L1将放电。
在S2不导通时刻，C就开始，当L1和L2同时过右侧开关续流，能量不在同方向。
这就是不连续传导模式
图2-9多相交错并联BDC
上图是个组合型变换器。
低压侧超级电容，高压侧多为逆变器的负载端。
当然低压侧也可以是蓄电池。
在两个桥臂见开关驱动信号差了个T/N，T是开关周期，N是变换器相术。
可以用这个办法，极大减少损耗。
在变换器功率等级得以突破上升之外，低压大电流也得以完善。
在上面的叙述中，我认为隔离型DC-DC变换器不适合这次研究和仿真，决定用全桥双向DC-DC变换器。
第五节双向BUCK/BOOST变换器工作模式分析
该变换器有两种工作模式：
能量正向流动和反向流动，即升压模式和降压模式，在此对两种模式进行详细的定量分析。
降压模式，如果控制开关管S1通断，S2一直保持截止，那么双向BUCK/BOOST变换器就成为一个单向的BUCK变换器，此时，根据电感电流是否连续，可以分为连续和断续状态。
BUCK电感电流连续状态电感电流连续[3]。
BUCK变换器工作过程如下
图2-10图2-11
在电路是处于相对稳定的时候，2-10为开关管不断开的图，2-11是二极管续流的图。
如果电路图中所有元件都只反映电能的消耗作用，而忽视其它的物理作用，那么由上面两个图写出以下的关系式。
表示电压的输入和输出的波动关系。
Ton作为导通时间，s1导通后加在s2的电压就是U2，若要使得s1=s2，那么表面s1处于断开。
这个模式下开关间所加载的电压不超过u2。
以下三图就是工作流程，从左至右电感电流断续。
（a）（b）（c）
图2-12电感电流断续时，BUCK变换器工作过程图
图2-12（a）（b）（c）中S1是起到关键作用。
S1开始是导通的，接着关上。
中间的是二极管续流图，如果电感电流不连续，负载是受到单独的供电的。
电容电压下滑为恒定。
右边的是零时图，断续的buck模式比联系的多。
若是s1状态截止，单独控制S2，我们可以把其转换为一个BOOST变换器，它是只能流往一个方向的。
此时我们也可以吧它分成两个模式。
BOOST电感电流连续状态和电感电流连续时，BOOST变换器工作过程如图。
（a）（b）
图2-13电感电流连续时，BOOST变换器工作过程图
图2-13两图中，分别看出一个导通一个断开。
若在使得电感L平衡的状态下，图中的所有元件都把其他的物理性质都忽略，那么可写出以下式子。
S2
开通时开关管S1上承受的电压为U2，关断时S2上承受的电压也等于输入U2，可以看出在该模式下，开关管承受的电压随着输出电压的增加而增加。
（2）BOOST电感电流断续（DCM）状态电感电流断续时，BOOST变换器工作过程如图所示。
（a）（b）（c）
图2-14电感电流断续时，BOOST变换器工作过程图
图2-14是管S2导通时的电路图；（b）为管S2关断，电感电流大于零时的电路图；（c）为管S2关断，电感电流为零时的电路图。
由图可知，工作在DCM状态的BOOST变换器输出电压的波动比较大，因为只有输出储能电容向负载供电的时间加长，这时电流连续状态的输出电压--输入电压的关系不再成立，其关系变得很复杂，这里不再推导。
本章首先详细介绍了几种非隔离型双向DC-DC变换器，考虑到实际的成本、体积和简单实用性，选取了双向BUCK/BOOST变换器作为设计的对象。
然后采用非理想变换器平均建模法，推导出电流连续状态下BUCK和BOOST变换器的小信号模型，并给出了详细的建模步骤。
第3章DC-DC变换器主电路设计
第一节主电路设计框图
如图，主电路包括三相电压型拓扑结构电路、控制电路、驱动电路、缓冲电路，DC-DC，
AC-DC电路。
本次设计AC-DC电路主要由同组同学完成，在此论文重点是DC-DC电路。
上图输入电压400输出电压320输出功率12
第二节缓冲电路
在电路中功率管开关的瞬间，电路中因为有储能元件的存在会导致功率管不能承受超出安全范围的电压，以致损坏，而缓冲电路的出现正是为了防止这种情况出现。
缓冲电路的作用是减低功率管开关瞬间的电压波动范围，也从侧面减少了元件损耗，避免了功率管被一次击穿，保证了电路的可靠运行。
它的作用是抑制电力电子器件关断后出现的峰值电压，减小器件的开关损耗。
在电力电子电路中，实际上用的比较频繁的是无源方式，因为它的便捷之处有很多。
有源方式则在工程得以运用。
可以改进器件开通和关断时刻所负担的电压或电流。
一般来说，缓冲电路的是抓住电感电流不能突变的体质发挥的，从而遏制元件电流不能往上越升越快，同理电压
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