电动汽车动力电池充电系统功率部分_毕业论文(2)

绪论

1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

随着人类社会的发展，现代科学技术随之不断进步，近二百年来取得的成就相当于过去人类历史取得成就的总和。汽车作为正逐步走进人们消费能力范围的商品，将随着人口数量的大幅度增加而增加。目前全世界行驶的各种汽车总数量为7.37亿，据德国市场研究所预计，在未来的8年里世界汽车数量将比现在增加16%。假设这些汽车仍然采用现有的依靠燃烧汽油的方式获得动力，那么消耗的汽油量将是一个十分惊人的数据。另一方面更为严重的是燃烧这些汽油所产生的温室气体和有害气体对大气层的破坏及对生态环境的影响也是十分可怕的。

目前，大多数电机车使用的电源都是铅酸蓄电池组。铅酸蓄电池因其可循环再充电的特性，以及成本低廉、使用安全、无污染等优点。相应的，蓄电池的充电技术也引起了普遍地关注。一方面，传统的充电方法正常充电时，以10h或20h率电流进行充电。这时需要时间一般为10多个小时，甚至20多个小时，充电时间长，而且使用不便。另一方面，充电技术不能适应铅酸蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的寿命。国内外多年来的实践证明，铅酸蓄电池浮充电压偏差5%，电池的浮充寿命将减少一半。在其他方面，由于充电方法不正确，铅酸蓄电池也很难达到规定的循环寿命。智能充电是使实际充电电流能够动态地跟踪电池可接受的充电电流。充电系统根据电池的状态确定充电工艺参数，使充电电流自始至终处于电池的可接受充电电流曲线附近，使电池几乎在无气体析出的条件下充电，做到既节约用电又对电池无损害。

在这样的背景下，各国政府都投入了大量的人力物力来研制和开发清洁、环保的电动汽车。70年代，以美国、日本为代表的汽车工业较发达的国家开始了曾经停顿多年的电动车技术的研究工作。如美国的“新一代汽车合作伙伴”项目(partnership for a New Generation of Vehicles-PNGV)，日本新能源与工业技术发展组织(New Energy and Industrial Technology Development Organization-NEDO)协调所谓的“先进清洁燃料汽车计划”等。政府制定了详细的规划和严格的法规，目的就是为了鼓励电动车的研发工作。经过科研工作者的努力，大量的新技术成果得到应用。电动汽车在环保、能源等方面的巨大优势，取代传统的燃油汽车已成为一种必然趋势，被誉为“未来汽车”。

90年代，电动汽车的研发及产品化便成为世界主要汽车生产厂商的技术竞争重点。与此同时，众多国家在电动汽车科技创新方面也投入巨资，力争抢占电动汽车产业的制高点。通过20多年的努力，各国在电动汽车关键技术方面取得不少的突破，电动汽车也正朝着产业化方向发展。

我国电动汽车关键技术的研究以及产业链的形成紧随其他发达国家之后。随着汽车走进千家万户成为我们生活中的必需工具，我国汽车的保有量也在逐年攀升，形成了以红旗、奇瑞、中华等一大批国产品牌汽车为主的一股不可忽视的力量。

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“九五”期间，电动汽车被列入国家重大科技产业工程。“十五”、“十一五”期间电动汽车列入国家863计划。在自主创新过程中，我们坚持以政府支持、核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池、为“三横”的研发局面，通过产学研紧密合作的方式，研发中国自己的电动汽车。通过自主品牌的研发，我国也涌现出了一大批高新技术成果，这些都极大的促进了民族汽车工业的产业升级，缩小了我国汽车工业发展水平与发达国家之间的差距，实现了汽车工业的跨越式发展 。

电动汽车作为21世纪清洁、高效和可持续发展的交通工具，目前大规模应用的主要问题是初始成本高和续驶里程不理想，制约其发展的主要因素之一是当前电动汽车充电效果不好，主要问题是充电时间长，充电效率低和充不满，同时充电控制方法的选择不当，使多数充电器与蓄电池不匹配。因此通过开发与动力电池特性相配套的快速充电器，实现随时随地方便快速的对动力电池进行充电，能够有效延长电动汽车的续航里程，更有利于电动汽车的推广。

电动车的推广使用已经在全球范围内展开，但制约电动车发展的一个最困难也最重要的问题就是电动车用铅酸蓄电池的寿命问题，而影响电动车用铅酸蓄电池寿命的一个关键因素却是充电技术。因此，铅酸蓄电池的充电技术将对电动车的快速发展起到关键性的作用。

1.2 电动汽车概况

电动汽车是指全部或者部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，它并不是一个新兴的概念，早在1905年就有人曾经申请了用蓄电池作为动力驱动电动机来改善内燃机车辆加速性能的专利。但是后来由于汽车用的发动机性能大大提高，这一提法也逐渐被人们所淡忘。随着能源、环境和交通问题的日益凸显，电动汽车的概念又逐渐回到人们的视线当中。

所谓电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。按照目前技术的发展方向和车辆驱动的原理，可分为纯电动汽车（PEV），燃料电池汽车（FCEV），混合动力车（HEV）三类。

纯电动汽车是以动力蓄电池作为动力源，利用牵引变流器以及大功率异步电动机，将动力蓄电池的电能转换为机械能，进而通过传动装置来驱动整个车辆。随着石油资源的紧张和电池技术的发展，纯电动汽车在性能和经济性方面已逐步接近传统燃油汽车并开始在世界范围内得到使用。预计不久的将来，随着电池技术的革新，配套设施的建成，成熟标准法规政策的出台，纯电动汽车的续驶里程将得到大幅度提高，同时成本也将大幅下降。低能耗、零排放的纯电动汽车必将大规模普及，具有巨大的市场发展空间。

纯电动汽车具有零排放、能源利用率高、结构简单、噪声小、原料广等优点，但是受现阶段电池技术、配套设施及相关政策等的影响，纯电动汽车在续驶里程、成本、充电时间、蓄电池使用寿命等方面还有待进一步的改善。

目前，美国国家实验室正投入巨资进行纯电动汽车的先进驱动系统、先进电池及其管理系统等的深入研究。另外小型、低速、特种用途的纯电动汽车也在不断发展。在日本，纯电动汽车与智能交通系统的组合已成为目前电动汽车技术水平下使用和商业化的新途

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径。2010年，日本推出首款纯电动汽车——叶子，在世界车展会上，以其轻巧的设计、出色的性能受到各国的高度关注。

在国内，纯电动汽车的自主研发不断取得突破，使我国在电动汽车领域初步构建起自主的知识产权技术体系，有望为中国汽车工业开拓新的增长点。比亚迪、吉利、奇瑞2010年都纷纷推出自己的纯电动汽车。纯电动汽车的发展离不开充电设施的建设，目前，充电站建设的落后和车载充电器的效果不佳成为制约纯电动汽车发展的瓶颈之一。为响应国家号召，履行企业职责，国家电网公司巨资建设充电站、充电桩以及研发高效的大容量充电器。同时相关标准、政策也在紧锣密鼓出台中。预计在未来几年中，纯电动汽车的市场占有率将大幅度提高。

目前纯电动汽车正处在产品技术研发末期和大规模示范运行及产业化的初期，在技术上、运行经济上、基础设施上还存在产业化发展的瓶颈，需要政府相关政策的支持。有理由相信，随着各国政府对于电动汽车倾向性政策的陆续出台以及电动汽车性能的不断攀升，将会形成完整的技术创新、市场成熟、产业发展的链环，电动汽车进入千家万户将不再是梦想。

1.3 电动汽车充电技术发展概况

蓄电池作为一种储能设备，具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，它广泛应用于国民经济的各个部门。充电电源与蓄电池相伴而生，与蓄电池的应用和发展有着密切的关系，广泛应用于电动交通车辆、电力系统、煤炭矿山、不间断电源、便携电子产品等国民生活的各个领域，并且随着科学技术的不断发展，充电电源的应用将会更加广泛。无论在哪一方面的应用，都需要我们在提高充电电源的快速性和安全性的基础上，朝着以下几个方向努力：(1) 充电手段趋于现代化。蓄电池的充电脉冲采用计算机进行控制，对充电电源和蓄电池组成的闭合环路系统的实时控制和数据采集用计算机进行全方位的设计和实现。(2) 追求高的性能指标。为减轻充电电源的重量和提高充电效率，可以采用高频化、软开关的开关电源。(3)全集成化的充电电源。高集成度的充电电源不仅有利于充电电源的设计、安装和调试，还能有效缩小体积，便于电动汽车的携带和放置。 目前，常用的充电电源主要有以下三种:相控电源、线性电源、开关电源。 相控电源是比较传统的电源，它是将市电直接经过整流滤波后输出直流，再通过改变晶闸管的导通相位角，来控制整流器的输出电压。相控电源所用的变压器是工频电源变压器，它的体积比较庞大，由此造成相控电源本身的体积庞大、效率低下，并且该类电源动态响应差、可靠性能低。目前相控电源己经有逐步被淘汰的趋势。线性电源是另一种常见的电源，它是通过串联调整管可以进行连续控制的线性稳压电源。线性电源的功率调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的。由于调整管上损耗功率比较大，所以需要采用大功率调整管并且需要装配体积很大的散热器。

对于铅酸蓄电池来讲，传统的充电方法主要有恒流充电，恒压充电和先恒流后恒压充电。这些充电方法，一方面控制电路简单，实现起来比较容易；另一方面充电时间比较长，充电方法过于单一，控制不当会对蓄电池本身造成损害，以致影响蓄电池的使用寿命。

针对传统的充电方法充电缓慢、转换效率低下、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些新兴快速的充电方法，如分级定流充电法，脉冲式充电法，定化学反应状态

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法，变电流间歇/定电压充电法、变电压间歇充电法等。对于铅酸蓄电池来讲，其中的分级定流充电法已经得到了广泛的应用。这些充电方法的原理绝大多数都是在传统方法的基础上加以改进，以便使其充电电流能够更好的逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。

近年来开始有人采用一些更加新颖的充电方法，例如模糊控制充电法。这种充电方法开始摆脱传统充电方法的束缚，将模糊控制技术引入充电方法，利用模糊控制本身适合处理多输入多输出非线性系统的优势，能够更好的处理蓄电池充电过程中的时变性和抗干扰等常规控制方法所难以解决的问题。

总之，新兴的快速智能充电方法的应用，充分发掘了蓄电池固有的可接受充电电流的潜能，使得充电时间大为缩短，充电效率成倍提高，提高了设备的利用率，同时提高了蓄电池的使用寿命，节省了电能，为各种充电器充电效能的提高奠定了基础。

1.4 功率因数校正技术的必要性及发展现状

随着电子技术的不断发展，计算机通信设备日益普及，开关电源技术被广泛应用于各种不同的领域，电网的谐波污染以及输入端功率因数低等问题也显得日益突出。这些设备的内部需要一个将市电转化为直流的电源部分。在这个转换过程中，由于一些非线性元件的存在，导致输入的交流电流严重畸变，包含大量的谐波。这不但降低了输入电路的功率因数，而且对公共电力系统产生污染，造成电路故障。因此使用功率因数校正技术把谐波污染控制在较小的范围内已是当务之急。

为限制电流波形畸变和谐波，使电磁环境更加干净，国内外都制定了限制电流谐波的有关标准，如IEC555-2，IEEC519等。采用现代高频功率变换技术的功率因数校正(PFC)技术是解决谐波污染最有效的手段。为减少谐波对交流电网的污染，必须对电源产品如充电器、UPS、高频开关整流电源等的输入电路进行功率因数校正，以最大限度的减少谐波电流。功率因数校正的目的，就是采用一定的控制方法，使电源的输入电流跟随输入电压，功率因数接近1。

进入20世纪80年代后，电力电子设备中开关电源、相控整流器等非线性负载的大量投入使用，给功率因数校正技术提出了新的问题，同时也给出了新的发展契机。1986年美国公布“功率因数等于1”的专利，这是最早的比较完整的升压式功率因数电路，这一时期是现代有源功率因数校正技术发展的初级阶段，当时的研究工作主要集中在工作于连续导电模式(Continuous Conduction Mode，CCM) 下的升压变换器，这种控制方法主要是基于乘法器控制技术，适用于大功率变换器。20世纪80年代末推出了非连续导电模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM) 的变换器，由于其输入电流自动跟随输入电压变化以实现功率因数校正，因此这种校正技术也称为“电压跟随器”，采用DCM模式的PFC校正电路中只有输出电压一个控制量，因而控制方式比较简单，适用于中小功率场合。

近十年来，功率因数校正技术的研究热点集中于新拓扑的提出、新的控制方法的提出以及单级PFC变换器的研究。

1.5研究内容

针对电动汽车铅酸动力电池，设计大功率充电系统。主要技术指标：交流输入电压：

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220V±10%；功率因数：?0.92；效率：?0.80；最大充电电流：40A；最大输出功率：3.5KW。本文主要针对电动车用铅酸蓄电池自身的特点，研究如何建立一个良好的铅酸蓄电池充电系统。使动力蓄电池工作在较理想的工况下，延长其使用寿命，提高充电效率，同时不产生有害气体，实现真正意义上的清洁高效。因此该课题的研究具有很好的现实意义和应用前景。

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