摘 要

自从人类社会进入高速发展期，自然环境也愈加难以承受各种污染的排放。汽车尾气成为大气污染的最大成因，世界各国目前都在积极寻找解决汽车尾气排放问题的方法，而发展电动汽车是公认的最有前景的选择。电动汽车最为重要的部件是电池，其充电必须配置充电机，所以，充电机在电动汽车应用中同样占有十分重要的地位，因此对车载充电机的研究同样具有重要的现实意义。

车载充电机一般包含两级，分别是前级功率因数校正装置和后级DC/DC变换装置，本文主要研究的是后级DC/DC变换装置，采用全桥LLC谐振电路作为主电路拓扑，根据国家电动汽车行业相关标准确定了变换器的技术指标，深入讨论了全桥LLC谐振变换器的工作原理，采用频率控制方式对变换器进行控制，确定了一款车载充电机的后级DC/DC模块元件参数，设计了PI控制器对输出进行控制，最后根据设计参数使用Simulink进行了闭环仿真分析，验证了设计参数的正确性。

最后针对设计的参数和仿真的结果采用TMS320F28023作为主控单元，UCC37324作为驱动控制芯片，MCP2515作为CAN通信协议控制器等器件完成了变换器的整体原理图绘制并对变换器的软件设计流程做了简单介绍。

关键词：车载充电机；LLC；频率控制；变换器；Simulink

Abstract

With the development of human society and economy, the natural environment has received more and more threats, while the exhaust emissions of conventional fuel vehicles take a large proportion of the air pollution. Therefore, countries of the world start developing electric vehicles vigorously to reduce the problem of vehicle exhaust emissions. In the electric vehicles, the battery is the core component and provides the power source for the electric vehicles. The function of the car charger is to charge the battery and plays an important role in the application of the electric vehicle. Therefore, the research on the car charger is of great practical significance.

The on-board charger generally includes two stages, namely a front stage power factor correction device and a rear stage DC/DC converter device. The main research of this article is a rear stage DC/DC converter device, and the circuit topology adopted is a full-bridge LLC resonant circuit. The relevant standards of the national electric vehicle industry determine the technical specifications of the converter. The working principle of the full-bridge LLC resonant converter is discussed in detail. After the parameters of converter were confirmed, this paper used frequency controlling to regulate the output . In addition, to stabilize the output,it is necessary to devise PID controllers in order to realize closed-loop controlling. Finally Simulink is used for closed-loop simulation analysis according to the design parameters in order to verify the correctness of the design parameters.

Finally, according to the designed parameters and the results of simulation, TMS320F28023 is used as the main control unit. The UCC37324 is used as the drive control chip, and the MCP2515 is used as the CAN communication protocol controller. In the end , the overall schematic diagram and software flow of the converter are simple introduced.

Keywords: On-board Charger；LLC；Frequency Control；Inverter；Simulink

目 录

摘 要 I

Abstract II

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 车载充电机的研究现状 2

1.2.1充电机的种类和架构 2

1.2.2 车载充电机的拓扑结构 3

1.2.3 车载充电机的发展现状 3

1.3 车载电池充电技术 5

1.3.1 车载动力电池发展现状 5

1.3.2 电池充电技术的发展 6

1.4 本文主要研究内容 8

第2章 DC/DC变换器的总体设计方案 9

2.1 变换器的基本技术指标 9

2.2 变换器的主电路拓扑选择 9

2.2.1 移相全桥电路拓扑 9

2.2.2 半桥LLC谐振电路拓扑 10

2.2.3 全桥LLC谐振电路拓扑 11

2.2 全桥LLC谐振变换器的整体结构 11

2.3 本章小结 12

第3章 全桥LLC谐振变换器的原理分析与参数设计 13

3.1 全桥LLC谐振变换器的工作原理 13

3.1.1 时变换器的工作情况 14

3.1.2 时变换器的工作情况 18

3.1.3 时变换器的工作情况 19

3.2 全桥LLC谐振变换器的稳态特性分析 20

3.2.1 LLC谐振变换器的基波等效法分析 20

3.2.2 谐振网络工作区域的划分 23

3.2.3 原边开关管实现ZVS的条件 25

3.3 变换器参数设计过程 27

第4章 全桥LLC谐振变换器的控制策略分析 30

4.1 变换器开关管控制模式的选择 30

4.1.1 脉冲频率调制方式 30

4.1.2 脉冲宽度调制方式 30

4.1.3 混合调制方式 30

4.2变换器小信号模型的建立 31

4.2.1 小信号建模的基础 32

4.2.2 变换器小信号建模 33

4.3控制器的设计 34

4.4 simulink仿真分析 38

4.4.1 仿真总体框图 38

4.4.2 仿真模块介绍 39

4.4.3 仿真波形分析 42

第5章 变换器的软硬件设计 49

5.1 变换器元器件选型 49

5.2 变换器原理图设计 50

5.2.1 控制单元介绍 50

5.2.2 驱动电路设计 52

5.2.3 信号采样电路设计 53

5.2.4 通信电路介绍 55

5.3 变换器软件设计 56

5.3.1 初始化程序流程 56

5.3.2 主程序流程 57

5.3.3 PID控制算法程序流程 58

总结与展望 59

总结 59

未来工作展望 59

参考文献 60

致谢 61

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

当今世界发展迅速，对能源的需求不断增加，传统化石能源在长时间和大规模的使用过程中对世界环境造成的危害也愈加明显。从世界范围来看，大气污染有接近50%来自于汽车尾气排放，而在我国大气污染问题尤其严重，为此我国大力发展新能源汽车以缓解这一问题，随着世界各国对新能源汽车研究与发展的深入，各种新能源汽车产品也不断在市场上涌现。

电动汽车(EV)相比于传统汽车有所不同，它由电池提供能量，再由电能转化装置对电能进行变换进而驱动电机，电机再带动车辆行驶，其在行驶过程中也必须遵守交通规则，对环境产生的影响较小，它的最终动力来源为电能，而电能来源各式各样，可以由许多其他类型的能源转化而来，除了传统的化石能源，还包括水能、核能、太阳能等新兴能源^[5]。由于电动汽车通过电能来驱动汽车，其在节约能源和保护环境等方面具有巨大发展前景和优势，而且电动汽车的充电时间一般是在晚上，可以有效使用电网晚间的富余电力，从而减少能源浪费，有利于电网负荷均匀，提高电网的运行效益。电动汽车在市场上主要有三种类型，其中纯电动汽车的应用最为广泛，技术也最为成熟，这些优势使得其成为现今电动汽车研究的热点，其主要架构包括充电机、电池组、电池管理系统、驱动电机和驱动系统，另外两种类型分别是燃料电池电动汽车和混合动力汽车。

从经济角度来看，电动汽车在使用过程中产生的费用将远低于传统燃油汽车。如果认为油价为每升6元，燃油汽车的百公里油耗为9升,，则百公里行驶费用为54元；而某品牌的电动汽车百公里耗电量仅为20 kW•h，电价按商业用电价格1元/(kW•h)计算，那么其百公里行驶费用仅为20元。如果考虑油价上涨或者使用居民用电充电等其他因素，电动汽车平常使用中产生的费用将更加低于传统燃油汽车所产生的费用。因此，电动汽车在市场上存在很大的优势。

目前，电动汽车还无法大范围推广，主要是由于电池容量、充电技术、电机驱动和能量管理等核心技术仍然制约着电动汽车的发展。电池容量的大小决定了电动汽车的一次充电行驶距离，充电技术则关系到电动汽车充电所耗费的时间以及电池的使用寿命，电机驱动技术对电动汽车的驾驶性能十分重要，能量管理系统则关系到电动汽车能量的使用效率。本文所研究的车载充电机变流模块属于充电技术范围，对电动汽车的整体性能具有一定的影响，所以有必要研究研究符合电动汽车动力电池充电要求,对应实际应用场合又能达到高效率、高功率密度的车载充电机变流模块。

1.2 车载充电机的研究现状

1.2.1充电机的种类和架构

(1) 根据充电系统是不是直接与电网相连，其充电系统类型可以分为接触式和感应式。接触式充电系统目前应用最为普遍，充电操作一般是利用线缆将电动汽车与电网直接相连，相对于感应式充电系统，接触式充电系统的构造简洁，费用低；感应式充电系统不需要考虑电源插座或充电线缆等问题，其充电操作简单，比较节约土地资源，人工维护成本也比较低，但其必须铺设充电板，利用电磁感应原理对电动汽车进行充电，相比于接触式充电系统一次性成本较高，效率也相对低，对环境也有一定影响，目前只适用于小型公共充电领域。

(2) 电动汽车充电系统根据充电所耗时间，还可以分为慢充系统和快充系统，两者供电的形式也不同，慢充和快充系统分别对应直流和交流充电。慢充系统主要由充电线缆、充电接口、充电机、配电设备、动力电池和控制器等构成，输入为标准的工频交流电，有效值为220V，但在充电之前还需转化为直流电，最后是电池充电为直流充电。快充系统供电的终端是充电桩，充电桩内部可以实现许多功能，包括电能变化，通信、计算费用等，快充系统直接将三相工业用电转化为直流电给车载电池充电，所以其充电时间一般较短^[1]。另外，无论是快充系统还是慢充系统，它们在充电控制过程中都需通过CAN总线与BMS进行通信，确保充电过程的精确控制和安全。

(3) 充电系统也可以分为车载充电系统和非车载充电系统。顾名思义，车载充电系统由于需要满足车辆的应用特点，其应该具备体积重量小、工作可靠性高和效率高等特点，需要在车辆内部使用，但考虑安全因素，功率不宜过大，所以充电花费的时间也相对较长；非车载充电系统安装一般指充电站内设置的充电桩，容量较大，针对的电动汽车产品也更加广泛，但其充电地点较为固定，适用于电动汽车的大规模快速充电。详细分类比较情况见表1.1.

1.2.2 车载充电机的拓扑结构

车载充电机主体一般由两部分电路组成，第一级为功率因数校正电路，也称PFC电路，目的是实现整流、功率因数校正和消除谐波等功能，第二级为直流变换电路，也称DC/DC变换电路，主要实现能量变化，控制输出，达到高效率。车载充电机典型拓扑结构如下图1.1。

图1.1 典型车载充电机拓扑

1.2.3 车载充电机的发展现状

(1) 车载充电机的参数标准。QC/T895-2011《电动汽车用传导式车载充电机》是我国汽车行业制定的标准，其对车载充电机做出了详细的定义，定义车载充电机是一种安装在电动汽车内部，实现电能变换，满足车载电池充电要求的装置^[3]。此外，国家还发布了《电动汽车用传导式车载充电机》标准，针对车载充电机的各种参数也做出了建议性的要求，其各种具体要求下表1.2和1.3所示。

除以上规定之外，车载充电机安装在汽车内部还需要满足汽车应用的以下特点：

a.体积小、重量轻。为了尽量减少汽车整车重量和扩大汽车内部空间以降低电机符合达到延长汽车行驶距离的目的，设计充电机必须考虑体积和重量问题。因此，通常采用高频开关电源和软技术来提高电能转换效率和功率密度。

b. 工作安全、可靠。汽车作为人们的出行工具，必须具有很好的安全性能，而车载充电机是一种对强电进行能量变换的装置，需要在设计过程中做好各种隔离措施以提高安全性；另外，车载充电机是车载设备，必须具有很高的可靠性，以确保充电机在各种恶劣条件下安全工作。

c. 成本低。为了电动汽车的普及和推广，必须对充电机的成本进行合理控制。

(2)车载充电机市场发展情况。西方国家在我国改革开放之初就已经对车载充电机有了一定研究，但国内发展脚步较为缓慢，在20世纪初国内许多高校和研究院才开始投入到充电机的研发和设计中，经历了接近20年的发展，现在市场上也出现了许多国内的车载充电机产品。按照国内《电动汽车用传导式车载充电机》里的规定，利用表1-3中的规定值可以得到国家规定的车载充电机额定输入功率大致为2.2 kW、3.5 kW以及7 kW这三个等级，考虑到目前充电机的工作效率一般在90%~96%，进而额定输出功率分别约为2kW、3.3kW和6.6kW，按照国家的规定要求，现在国内外公司针对于中国市场所制造的车载充电机产品也都是这三个功率等级。表1.4列出了国内外一些厂家所生产的车载充电机产品主要参数，国外厂家主要有英飞凌和DELPHI。

1.3 车载电池充电技术

1.3.1 车载动力电池发展现状

车载动力电池一般指的是各种为电动汽车能量的蓄电池。性能优良的动力电池除了可以减小电动汽车的一次性成本，还可以增加电动汽车的续航里程数。目前应用成熟的动力电池包括铅酸蓄电池、氢镍电池和锂电池。

(1) 铅酸蓄电池。铅酸蓄电池好处在于其制作成本小、工作稳定、应用也较为成熟，但其也有缺点，比如重量大、快速充电难、使用寿命短等；另一方面，达到使用寿命的铅酸蓄电池处理不当对环境也会造成较大的影响，这些特点使得铅酸蓄电池主要用于小型电动汽车等对于能量和寿命要求不高的场合，

(2) 氢镍电池。氢镍电池是一种新兴的绿色环保电池，其电池内阻较小、功率大、运行电压高，这使得其在混合动力汽车和纯电动汽车有很大的应用前途；但是，氢镍电池也存在不足，例如其自放电率和原材料价格都相对较高等，这些原因都导致其无法大范围推广和应用。

(3) 锂电池。锂电池负极为石墨，正极主要是锂离子金属氧化物组成，电解液主要成分为锂盐溶液。锂电池由于其单体标称电压高、循环次数多、可快充等优点被人们认为是非常具有发展前景的动力电池，在全球范围内都是动力电池技术研究的热点，而且在市场上已经得到了广泛的应用。本文研究的车载充电机DC/DC变流模块的充电对象就是锂离子电池。下图1.2所示为单个锂电池的典型充电特性。

图1.2 单节锂电池的充电曲线

1.3.2 电池充电技术的发展

不同的充电方法对电池使用寿命会有不同程度的影响，采用合适的充电方法可以有效延长电池的使用寿命，由于动力电池材料和生产工艺的的不断发展和改进，人们也提出了各类不同的充电方法，传统的充电方法包括恒压充电、恒流充电以及阶段性充电三种充电方法；另外，一些特殊的充电方法比如电压间歇充电法、脉冲充电法也被国内外研究学者提出，这些方法各有其优缺点，但由于其分析过程复杂，实现难度高等原因还不能大规模在市场上推广运用，因此接下来介绍目前市场上主要使用的几种充电方法。

(1) 恒压充电

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