高频PFC车载充电机的设计与实现

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当今环境问题和能源问题日益突出,而电动汽车具有无污染,使用二次性清洁能源等特点,成为解决上述问题的有效途径。但提供电动汽车动力来源的电池的充电技术一直制约着该行业的发展。目前国内外发展较多的是二段式或者三段式的恒流恒压充电方式,因此,设计符合电池充电曲线的车载充电机,能有效推动电动汽车行业的发展。本课题的目的是依据锂电池的充电曲线,设计一款体积小、重量轻,额定功率为4KW,且具有较高功率因数和效率的车载充电机,并能通过电池管理系统实时监控电池的充电状态。车载充电机从本质上讲是一种高频开关电源,本文从开关电源的设计原理出发,实现符合锂电池充电曲线的高频车载直流充电机,本课题所做的主要工作如下:(1)根据充电机所需设计参数,确定了充电机的系统结构,采用分布式电源方式将4KW充电机设计为两个2KW单体充电机的并联,提出了单体设计中所包含的关键技术及解决思路,而对整机存在的均流问题,采用相应的级联技术解决。(2)根据DCDC变换器的工作原理,选定充电机主电路的拓扑结构,然后设计与所选拓扑结构对应高频变压器,以及所需的整流滤波等元器件,并增加“软启动”电路以提高充电机的安全性。(3)仿真分析充电机控制系统中的PFC(功率因数校正)技术、软开关技术等,以验证各项技术电路设计的合理性,并作为该部分电路设计的参考依据。针对仿真结果中存在的问题,提出电路改进的思路。通过对比分析多款PFC主控芯片和多款PWM主控芯片,详细设计充电机控制系统电路。(4)依据所选定的MCU主控芯片,软件编程设计实现与BMS(电池管理系统)之间的CAN通信,充电机输出的稳定性与保护功能的完善性,以及不同充电曲线的绘制。(5)完成了该车载充电机样机,并通过一系列的实验,测试该充电机各个模块功能,单体充电机性能,以及整机性能。结果表明,该充电机在额定功率下时输出稳定,工作效率超过90%,功率因数高达99.1%,两台单体充电机的不均流度低于5%,并能实现恒压、恒流等不同的充电模式,符合本课题充电机的设计需求。
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