摘 要

能源和环境问题越来越受到更多有识之士的关注，使得除传统的车企巨头外，更多的科技公司也开始致力于研究新能源汽车；相比传统燃油车，纯电动汽车污染更少，未来传统燃油车会逐步退出历史舞台已成为共识；但是，目前而言纯电动汽车（EV）续航里程还无法与传统燃油车相媲美。其次，比起随处可见的传统加油站，相对来说充电基础设施还不够完善。这两点已成为限制电动汽车普及的主要原因。非车载充电机作为充电设施的重要组成部分，其中的DC/DC系统是实现充电电能转换的重要环节，在充电系统中起着关键作用。本文以60kW非车载直流充电机降压型DCDC变换电路为研究对象，研究内容如下：

首先设计了非车载直流充电机降压型DCDC变换电路的总体系统结构，根据其DC/DC变换电路主要技术指标，设计了两相交错并联主电路，分析了交错并联工作原理，对主电路进行参数设计和器件选型；分析了开关管的损耗及电流纹波，得出交错并联有减少电路损耗、降低输出电流纹波、提高功率等级的优势。

根据非车载直流充电机降压型DCDC变换电路的功能需求，设计了控制系统的硬件电路，包括驱动电路、采样电路、通信电路等。并同时描述了控制算法和充电控制策略。

通过MATLAB的simulink模块进行了降压型DCDC双相交错并联主电路仿真分析；并在施加负载扰动的条件下实现稳定输出。

关键词：非车载充电;DC/DC变换电路;交错并联技术;Buck电路

Abstract

Energy and environmental issues are getting more and more attention from people of insight, making it more important not only for traditional car giants,but also new technology companies to research new energy vehicles; compared to traditional fuel vehicles, pure electric vehicles use clean energy and emiss less exhust gases. As a result, a consensus, which has been accepted widely by the public, is that traditional fuel vehicles will gradually and inevitably withdraw from the historical stage in the future; however, at this stage, there are two main difficulties, which both make it impossible for current electric vehicles to be widely popularized and promoted. Firstly, the mileage of pure electric vehicles is limited, and secondly, compared with the traditional gas stations, the relevant construction of infrastructure for charging is still needed to improve. The off-board charger is an important part of the charging facilities, of which DC/DC system plays an important role in charging power conversion. In this paper, self-developed 60kW off-board buck charger is used as the object, and its DC/DC main circuit topology, controller hardware circuit, control software and control algorithm are studied and designed. This paper introduces the basic working principle of the buck converter and has made a detailed analysis of the dual-phase staggered parallel technology. The main research contents are as followings:

Firstly, based on the basic working principle of buck converter, an effective two-phase interleaved buck converter circuit is designed. The converter adopts the maximum current mode control, instantaneously responds to the input voltage, changes the output load, adjusts the system closed loop in time, and stably follows the output voltage. Moreover, it has benefits of easy compensated and wide output voltage range. In order to reduce the ripple of the output voltage, the dual-phase interleaved parallel buck converter can work under the continuous conduction mode in the full load range. Through the analysis of switching losses and current ripple, it is concluded that the two-phase interleaving parallel technology has obvious advantages in reducing output current ripple, reducing loss and improving power level.

Secondly, according to the functional requirements of DC/DC system of non-vehicle charger, the main hardware circuits are designed, including the selection of main control chip, sampling circuit, driving circuit and communication circuit. In order to improve the speed of fault protection and enhance the safety and reliability of the system, the hardware over-current protection circuit on the driving board are designed on the acquisition circuit.

Lastly, through the Simulink module of MATLAB, the simulation analysis of the buck dual-phase interleaved parallel main circuit is carried out, and the stable output is achieved under the condition of load disturbance.

Keywords: Off-board charger; DC/DC converter; Interleaved; Buck regulator;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1非车载充电机DCDC变换电路发展现状 1

1.2.2 交错并联变换技术研究现状 2

1.3本文主要研究内容 2

第2章 降压型双相交错并联主电路设计 4

2.1 降压型双相交错并联主电路设计 4

2.1.1 DC/DC变换电路技术指标 4

2.1.2 DC/DC变换电路主要功能 4

2.2 双相交错并联降压主电路拓扑分析 5

2.2.1 工作原理 5

2.2.2 参数设计 10

2.2.3 损耗分析 13

2.3 本章小结 15

第3章 控制器硬件电路设计 16

3.1 控制系统构成 16

3.2 采样电路设计 17

3.3 驱动电路设计 21

3.4 通信电路设计 23

3.5 监控电路设计 25

3.6 本章小结 25

第4章 充电控制策略 26

4.1 充电控制方式 26

4.2 软件程序总体流程 27

4.3 本章小结 29

第5章 仿真测试与结果分析 30

5.1 仿真测试 30

5.1.1 控制算法分析 30

5.1.2 系统模型的传递函数 30

5.1.3 仿真模型 30

5.2 交错并联分析与响应测试 31

5.2.1 交错并联分析 31

5.2.2 响应测试 36

5.3 本章小结 37

第6章 总结与展望 38

6.1 工作总结 38

6.2 展望 39

参考文献 40

致 谢 42

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

能源与环境，经济发展与环境保护是当今世界两对重要的矛盾。中国仍是发展中国家，经济发展在很大程度上仍然依赖于化石能源的开发。环境污染影响了人们的身体健康和正常生活。新型电动汽车（EV）通过清洁或可再生能源为燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车提供能源。新型电动汽车的能量效率约7.5%，而碳排放仅为传统车的2%至8%，排放量几乎没有甚至可以达到零排放，同时电动汽车的维护和运营成本低，噪音低，可以看出新能源汽车将会是减少环境污染和能源短缺的有效方法之一。我国积极推进新能源汽车相关的研究与发展，尽管目前在传统燃油车领域与有着百年汽车工业基础的发达国家相比仍然有一定的差距，但在新能源汽车方面则差距很小。

1.2国内外研究现状

1.2.1非车载充电机DCDC变换电路发展现状

文献【4】给出了DC/DC变换电路有隔离型与非隔离型两种。常见五种隔离型电路为正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路；非隔离型电路主要有buck和boost两种^[4]。隔离型正激电路单向励磁，利用率较低；反激电路结构较为简单，但应用功率场合较小；半桥电路则存在直通问题，可靠性较低；全桥电路虽然带隔离、适用功率范围广，但结构复杂，成本较高；非隔离型电路结构和控制相对较简单，效率高适用范围广，应用较广泛，缺点是其无电气隔离，降低了系统安全性。

文献【3、11、15】给出了国内外运用于较大功率充电机的后级DC/DC变换电路主要有三种： PWM型全桥电路^[11]、LLC谐振电路^[15]和交错并联Buck电路^[3]。文献【7】中提及目前三电平直流变换器也是国内外的研究热点，三电平变换器可降低开关管的电压应力，提高电路功率等级，并实现软开关，适用于高压、大功率等级的场合^[7]。总之，直流变换器应用于大功率等级下的软开关技术是目前研究的主要方向之一。

文献【10】对现阶段主要应用的大功率充电机直流变换器进行了探讨^[10]；总的来说，文献【12】中移相全桥能满足大功率和隔离场合，能实现软开关，在大功率充电机中应用较为广泛，但是成本较高，控制复杂，且器件尺寸较大^[12]；文献【15】中LLC谐振变换器目前主要应用在中小功率充电机中，也是目前研究的重点，其结构简单，有电气隔离，且成本较低，效率和功率密度高，但是功率等级较小，控制复杂，设计难度大^[15]；文献【4】中交错并联Buck电路，电路结构和控制简单，成本低，功率等级范围宽，效率高，纹波小，有利于保持电池使用寿命，但无隔离，系统安全性降低^[4]。

1.2.2 交错并联变换技术研究现状

文献【1】中Pengming Cheng及其同事提出了一种改良的用于与多相交替的Buck转换电路中的最小时间控制方法。改良的控制方法和之前传统的处理办法相比，考虑了各相的相位延迟和电流纹波^[1]。文献【2】中 Miwa 等人提出了一种应用于PFC电路中的多相交错并联 Boost变换电路，结论是减小了电容值，降低了开关频率，同时也减小了开关损耗^[2]。文献【3】中海军工程大学分析了一种分布式电源系统的优势，这种高功率DC / DC转换电路是几个小功率模块并联连接的电路。每个功率电平，输出电压是相等的，并且负载电流为额定输出电流的1/N（N是模块的数量）。这种结构的优点主要有:（1）减小模块的电流应力，降低开关和滤波器元件的水平，从而使其易于实现系统规范;（2）并联频率是总频率的 1/N，有效降低了开关损耗,提高了效率;（3）通过应用并联系统，当某模块出现故障时，其余模块仍可继续运行，为操作人员和维护人员检测更换故障留出时间，提高了系统的可靠性和安全性，同时也提高了系统的可维护性^[3]。

并联操作技术在大容量应用中很普遍。文献【4】中分析，控制功率变换单元在并联单元组之间分配功率，可以提高能量单元的可靠性，提高能量密度，同时也减小电路的尺寸并提高性能^[4]。文献【5】分析了交错并联技术，在每个（组）功率变换电路中施加开关频率的驱动脉冲在时序上交错放置，使开关元件交错导通。开关元件拥有相同的驱动脉冲频率和占空比。开启时间按顺序延迟并持续相同的开启时间。设置开关电路与N个相同的功率单元转换电路并联，每个开关的延迟时间为T/N（其中T为周期），使并联的功率变换单元轮流导通。交错并联降低了输出电流总的纹波幅度，相当于提高了电流纹波频率（相当于N倍电流纹波），并减小了滤波电容的尺寸^[5]。同时提高了整个电路的功率密度，提高了电路的输出电压质量，使输出电压更平滑，也降低了电路的电磁噪声。

1.3本文主要研究内容

本文研究设计了用于纯电动汽车充电的非车载直流充电机降压型DCDC变换电路。本文主电路拓扑结构采用双相交错并联技术，对其原理及优势进行分析；然后设计了硬件控制电路，包括驱动电路，采样电路，通信电路等；最后对系统的控制算法和充电控制策略进行描述并使用MATLAB中的simulink仿真。

（1）降压型双相交错并联主电路设计

根据设计要求，分析双相交错主电路工作原理，计算相关参数；对多电感纹波和损耗进行理论分析，讨论两相交错并联降压主电路的优点。

（2）控制器硬件电路设计

对非车载直流充电机降压型DCDC变换电路硬件进行设计，并通过软硬件结合的多重保护提高系统工作的安全可靠性。

（3）双相交错并联控制算法设计及充电控制策略研究

对系统软件程序进行设计，研究非车载直流充电机降压型DCDC变换电路充电控制策略。

（4）仿真测试

根据设计主电路拓扑及相关参数，在Matlab上搭建降压型DCDC双相交错并联主电路模型并仿真测试；

第2章 降压型双相交错并联主电路设计

本章首先介绍了非车载直流充电机降压型DCDC变换电路功能指标，然后对双相交错并联降压主电路拓扑的工作原理进行分析，并给出了相关参数的设计，最后结合电路的相关参数分析DC/DC主电路的主要损耗。

2.1 降压型双相交错并联主电路设计

2.1.1 DC/DC变换电路技术指标

本文的主要工作是针对该非车载直流充电机的降压型DC/DC变换电路部分所进行的，其技术指标如表2-1所示：

表2-1 DC/DC变换电路技术指标

2.1.2 DC/DC变换电路主要功能

本文设计的非车载直流充电机降压型DCDC变换电路主要功能如下。

（1）充电功能

本文设计的非车载直流充电机降压型DC/DC变换电路直接对车载蓄电池进行充电，输出分为恒压和恒流两种输出方式，能提供恒压和恒流充电。

（2）通信功能

本系统主要具有CAN通信和485通信两种通信方式。

a.采用CAN通信与纯电动汽车BMS系统和绝缘检测仪进行信息交互；

b.485显示屏对相关信息数据进行控制与显示。

本系统通过CAN总线向纯电动汽车BMS系统发送交互请求，获取充电需求信息进行智能充电，并相互发送充电状态。在充电开始前，将首先通过CAN通信获取绝缘检测仪检测到的绝缘信息，在无绝缘故障的情况下才能进行充电。

本系统将获取到的重要数据通过485总线与显示屏进行信息交流，并能通过显示屏对充电模式进行操作，实现人机交互。

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