20kW电动汽车充电模块的设计

【摘要】：随着全球经济的发展,全球能源消耗巨大,随之而来的环境问题也愈加严重,电动汽车是当前新型的节能环保的交通工具,近几年得到国家的大力扶持。电动汽车的发展离不开配套充电设施的完善,设计高效率、高功率密度、安全可靠、通用性强的充电模块是当前的研究热点。本文选择VIENNA拓扑功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)电路加LLC全桥谐振变换器的两级拓扑结构,满足电网对接入电网设备功率因数的要求的同时,输出电压范围覆盖200V-750V,满足充电模块对通用性的要求。VIENNA整流模块为三电平的拓扑结构,以及LLC全桥谐振变换器采用的交错并联拓扑结构,能够减轻开关管的电压应力,有利于开关管的选择。LLC软开关的应用减少了 DC-DC变换器的开关损耗,使得可以进一步提升变换器的工作频率,提高充电模块的整体功率密度。首先,本文分别介绍了整流模块和DC-DC模块的拓扑选择,通过分析电动汽车充电模块的设计要求,选择了 VIENNA整流器加LLC全桥谐振变换器的两级拓扑结构。比较VIENNA整流器基于自然坐标系下的不同控制策略,结合工程实际,最终选择载波移相的电流取绝对值的基于abc自然坐标系的控制策略。其次,详细推导了 VIENNA整流器直流母线中点电压产生交流和直流波动的原因,并采用在控制环路中添加电压偏差补偿的方法,消除直流母线中点的直流电压偏差。在abc自然坐标系中建立VIENNA整流器的开关周期平均模型,确定主电路的传递函数,并依此设计电压环和电流环的补偿函数,通过仿真验证。基于基波等效法(First Harmonic Approach,FHA)建立LLC全桥谐振变换器的稳态增益传递函数,分析谐振参数的设计原则,在Simulink中搭建仿真,仿真结果表明LLC全桥谐振变换器可以实现宽范围的电压输出,且开关管均为ZVS开通。最后,介绍实验的硬件设计和DSP控制程序设计,搭建一台VIENNA整流模块的实验样机,实验表明基于载波移相PWM调制的直接电流控制实现简单,交流电流谐波小、功率因数高。