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随着能源危机、资源枯竭以及大气污染等危害的加剧，我国已将新能源汽车确立为战略性新兴产业，车载充电器作为电动汽车的重要组成部分，其研究兼具理论研究价值和重要的工程应用价值。采用前级 AC/DC 和后级 DC/DC 相结合的车载充电器结构框图如图1 所示。 当车载充电器接入电网时，会产生一定的谐波，污染电网，同时影响用电设备的工作稳定性。为了限制谐波量，国际电工委员会制定了用电设备谐波限制标准IEC61000-3-2，我国也发布了国标GB/T17625。为了符合上述标准，车载充电器必须进行功率因数校正(PFC)。 PFC AC/DC 变换器一方面为后级 DC/DC 系统供电，另一方面为辅助电源供电，其设计的好坏直接影响车载充电器性能。 图1 电动汽车车载充电器结构框图 鉴于纯电动汽车车载充电器对体积、谐波有着苛刻的要求，本设计采用有源功率因数校正(APFC) 技术。APFC 有多种拓扑结构，由于升压式拓扑具有驱动电路简单、PF 值高和具有专门控制芯片的优点，选取Boost拓扑结构的主电路。考虑各种基本控制方式，选取了具有谐波失真小、对噪声不敏感和开关频率固定技术优势的平均电流控制方式。 本文针对功率为2 kW 的纯电动汽车车载充电器，考虑谐波含量、体积及抗干扰性能等方面的设计需求，重点研究 PFC AC/DC 变换器，包含系统主电路和控制电路设计，并在上述研究的基础上，开展系统仿真和实验测试验证研究，电路图见图2。 图2 Boost PFC AC/DC 变换器电路原理图 1 Boost PFC AC/DC 变换器 本文针对功率为2 kW 的车载充电器PFC AC/DC 变换器，采用基于 Boost拓扑 的主电路结构，以及连续模式下的平均电流控制控制策略。主电路由整流电路和Boost升压电路构成；控制电路采用电流内环、电压外环的双闭环控制方式，原理框图见图3 。 图3 主电路和控制电路原理框图 【分页导航】 第1页： 车载充电器结构及PFC AC/DC变换电路原理 第2页： PFC AC/DC变换器主电路设计 第3页： 电压环和电流环的设计 第4页： 系统仿真和实测动态 2 PFC AC/DC 变换器主电路设计 PFC AC/DC 变换器主电路由输出滤波电容、开关器件、升压电感等器件构成， 其参数设计如下。 2.1 输出滤波电容 输出滤波电容可滤除由开关动作造成的输出电压纹波，同时能够维持输出电压在一定范围内，选取的器件需较好地实现以上两个功能。 2.1.1 考虑输出纹波电压 式中：Co为输出滤波电容，Pout为主电路输出功率，fin为电网输入电压频率，△Vout为主电路输出纹波电压峰峰值，Vout为主电路输出电压。 2.1.2 考虑电压维持时间 式中：△t 为主电路输出电压由Vout降到Vout(min)的时间。 据计算结果，选取3 个220 μF/400 V、1 个330 μF/400 V 电解电容并联。 2.2 开关器件 功率管开关器件的选择主要考虑以下参数：耐压值、通态电流值以及功率管开关频率。在高开关频率场合，常选取MOS 管，但单个MOS 管通态电流较小，为了增加通流能力，本系统选用两个MOS 管并联。选取器件时，流过MOS 管电流取2 倍裕量，MOS 管两端电压取1.2 倍裕量。为了增加通流能力，选取两只IPA60R165CP(650 V，21 A) 并联。 2.3 升压电感 升压电感的设计思路为：首先计算电感量，然后选择合适的磁芯材料，最后结合磁路饱和对电感量的影响，选取合适的电感量及材料。 电感量的计算公式为： 式中：Vin为主电路输入电压，f 为开关频率，Lmin为电感量最小值，△Ilmax为电感电流纹波最大值。升压电感最小取值随之确定，为108 μH。 确定电感量后，需选取合适的磁芯材料。APFC 电路的升压电感磁芯材料有：磁粉芯、铁氧体磁芯和有隙非晶/微晶合金磁芯等。综合分析，考虑铁硅铝磁粉芯的磁通密度（BS ）高、体积小且不用开气隙的优点，选择铁硅铝磁粉芯作为磁芯材料。 当主电路电流很大时，电感会出现直流偏置，导致磁路饱和。电流越大，磁路饱和程度越大。故选择电感磁芯时，需考虑磁路饱和的问题。综合考虑，选取型号为KS184060A 的铁硅铝磁芯60匝，当磁路饱和程度最大时，电感量仍为110 μH，略大于108 μH。 3 PFC AC/DC 变换器控制电路设计 控制电路采用双闭环结构：外环为电压环，内环为电流环，电流环控制主电路输入电流跟踪参考电流，实现功率因数校正。电压环的输出电压与输出参考电压经电压误差放大器比较后的输出信号与前馈电压和输入电压经过乘法器运算，得到电流环的输入参考电流。通过电流环的调节，产生主电路开关管通断的驱动信号，实现系统功率因数校正且输出稳定的直流电压。乘法器的作用主要为信号相乘，此处，本文重点研究电压环和电流环的设计。 【分页导航】 第1页： 车载充电器结构及PFC AC/DC变换电路原理 第2页： PFC AC/DC变换器主电路设计 第3页： 电压环和电流环的设计 第4页： 系统仿真和实测动态 3.1 电压环设计 电压环的作用之一是将输出电压的变化反馈给电流环；作用之二是将二次谐波电压衰减到指定水平，以降低输入电流的畸变。另外，由于输出电容的充、放电，输出纹波电压滞后输入电压，故电压环的设计尚需兼顾考虑有足够的相移，以保证输出电压纹波与输入电压同相位。综上可知，需设置合理的补偿电路，使得电压环能够满足上述条件。 无补偿时， 电压环开环传递函数表达式为： 式中：Pin为输入功率，△V 为电压误差放大器输出电压范围。电压开环传递函数的伯德图如图4 中H 曲线所示，二次谐波得不到衰减，导致输入电流畸变变大，故需设置一个极点，使纹波电压得到较好的衰减，同时将纹波电压超前移相90°。 设计的补偿电路传递函数为： 综合考虑，配置极点频率等于穿越频率。此时，相位裕度为45°，系统稳定性较好， 且二次谐波得到了较大的衰减。加入补偿后的电压环传递函数的伯德图如图4中N 曲线所示，二次谐波获得了较大的衰减，且纹波电压超前相移90°。 图4 补偿前、后的电压环传递函数的伯德图 3.2 电流环设计 电流环的作用是调节主电路输入电流，使之跟踪主电路输入电压，实现高PF 控制。电流环的设计思路是通过补偿电路的合理设计，增加其响应速度，同时确保系统的稳定运行。 无补偿电路时，电流环由PWM 比较器和功率级组成，开环传递函数表达式为： 电流开环传递函数的伯德图如图5 中H 曲线所示，电流环带宽很窄，且高频噪声得不到很好的抑制。为此，通过低频处设置零点，提高低频增益，增加带宽；同时，在高频处设置极点，抑制开关噪音。设计的补偿电路开环传递函数为： 为此，选取合适的截止频率，设定零点频率以及极点频率，使系统的相位裕度在45°以上，同时兼顾使电流环满足高增益和大带宽设计需求。设定截止频率为6.65 kHz ，零点频率为4.5 kHz ，极点频率为46 kHz ，相位裕度为48°，加入补偿电路后电流环传递函数的伯德图如图5 中N 曲线所示，加入补偿后的电流环在低频处，系统带宽较大；在高频处，开关噪声获得了较好的衰减；此外，系统相位裕度超过45°，能够实现系统的稳定运行。 图5 补偿前、后电流环传递函数的伯德图 【分页导航】 第1页： 车载充电器结构及PFC AC/DC变换电路原理 第2页： PFC AC/DC变换器主电路设计 第3页： 电压环和电流环的设计 第4页： 系统仿真和实测动态 4 系统仿真和实验测试 基于Saber 仿真软件对系统进行仿真研究，Boost PFC AC/DC 变换器主要参数为：电感L=500 μH，输出电容Co=990 μH，开关频率fs=133 kHz ，电网频率fin=50 Hz ，R16=510 kΩ，R17=10 kΩ，R4=160 Ω，R5=0.01 Ω，其他参数通过前述的设计流程获得。在输入电压有效值为140 V和220 V 时，分别对系统仿真和实验测试，仿真结果如图6 所示，实验测试波形如图7 所示。 图6 输入电压、电流和输出电压动态 图7 Boost PFC AC/DC 变换器实测动态 系统仿真和实研测试结果表明：设计的Boost PFC AC/DC 变换器能够在宽的输入电压范围内获得稳定的直流输出电压，同时能够实现输入电流波形跟踪输入电压波形，具有较高的功率因数。 5 结论 为了避免车载充电器接入电网时对电网造成污染，根据国际电工委员会制定的用电设备谐波限制标准及国标，针对输出功率2 kW 的车载充电器，架构了Boost PFC AC/DC 变换器主拓扑结构及平均电流控制的设计方案， 给出了其主电路及控制电路详细设计步骤及设计流程。在系统仿真测试验证的基础上，完成了系统实验测试验证。系统仿真及实测结果均揭示出，设计的2 kW车载充电器在宽输入电压条件下能够实现高功率因数输入及低纹波稳压输出的目标，且具有系统电路结构简单、体积小、工作稳定性高和成本较低等优点，应用前景广泛。 【分页导航】 第1页： 车载充电器结构及PFC AC/DC变换电路原理 第2页： PFC AC/DC变换器主电路设计 第3页： 电压环和电流环的设计 第4页： 系统仿真和实测动态

环境准备： 1、 使用 MinGW + MSys 在 Windows 下的编译 首先需要编译的是 Boost 的编译工具 bjam，直接到 bjam 所在目录下，即 Boost 源码包所在目录下的 \tools\build\jam_src ，执行  build.bat mingw ，稍等片刻，bjam.exe 就编译好了。把编译好的 bjam.exe 复制到你的 %PATH%  路径能够直接找到的地方，为后续的编译工作做好准备。 接下来，切换到 Boost 源码所在路径，执行 bjam 进行编译。我们需要提供关于 Python 的一些参数，变量 PYTHON_ROOT 指向 Python 运行环境所在的目录，变量 PYTHON_VERSION 的值为 Python 的版本号，如果你的 Python 安装路径与滇狐不同，请将相应的变量修改为你机器上相应的路径，编译命令行如下： bjam.exe "-sTOOLS=mingw" "-sPYTHON_ROOT=C:\Python27" "-sPYTHON_VERSION=2.7" 编译完毕后（时间较长），你将会在你的“ Boost 源码所在路径 \stage\lib” 下找到编译得到的 Boost 相应库文件， 2、根据你的需要将 编译boost.python的动态链接库 移动到别的地方（$Path$能找到的地方)备用。 boost_python-vc120-mt-1_55.dll boost_python-vc120-mt-1_55.lib boost_python-vc120-mt-gd-1_55.lib boost_python-vc120-mt-gd-1_55.lib 用python调用C++代码： １.在visual studio中新建Win32项目（项目名字为hello_ext）——下一步——应用程序类型选择“DLL”并勾选“空项目”——完成 ２.打开：项目——属性——配置属性——C/C++，在附加包含目录中添加$BOOSTDIR的路径和python安装目录下的include路径 ３.打开：项目——属性——配置属性——链接器——输入，在附加依赖荐中添加boost_python-vc90-mt-gt-1_55.lib（可从$BOOSTDIR/stage/lib中复制到其他目录下）和python安装目录下的libs/python27.lib 或：打开：项目——属性——配置属性——链接器—-General，在附加库目录中添加boost_python-vc90-mt-gd-1_55.lib所在的目录（$BOOSTDIR/stage/lib）和python安装目录下的\libs ４.在项目中添加一个cpp文件World.cpp，在其中输入代码： #include #include #include     using namespace boost::python; char const* greet() { return "hello, world"; }   BOOST_PYTHON_MODULE(hello_ext) {   def("greet", greet); } ５.生成——生成解决方案   生成的dll的文件名一定要和 BOOST_PYTHON_MODULE(hello_ext)导出的符号相同：hello_ext   ６.到项目目录下找到刚刚生成的dll，复制到准备保存*.py文件的目录下，并把后缀名从dll改成pyd ７.在第６步中的pyd文件所在的目录下新建一个python文件test.py，输入以下代码：hello.py import hello_ext print hello_ext.greet() ８.python hello.py 即可运行。   注意： １.World.cpp中的__declspec(dllexport)不要也没关系 ２.BOOST_PYTHON_MODULE( BoostPythonTest)中的模块名必须和生成的dll同名，或者在生成dll之后对dll进行重命名，总之，模块名和dll名必须相同 ３.不要忘记 环境准备的第２条，如果没有复制该dll，会在运行test.py时报错“ImportError: DLL load failed: 找不到指定的模块。”

当初 已有数不胜数的电源管理芯片， 贝克瓦特感觉其实再推出一款新品几乎实属多余； 然而，BT2746提供的辅助功能， 可以帮助解决许多电源系统中的实际问题。于是，

  这几天一直有些忙，不过暂时把书的思路给理清楚了，也大致改完一章，然后就是和编辑一起把东西整理完；这个也算是生活中的一点小插曲，不过毕竟不是主旋律，还得把目光投回到现实的工作中来。     这个有趣的设计是从Energy Efficiency and Renewable Energy Vehicle Technologies Program的报告里头看到的FY 2009_ANNUAL PROGRESS REPORT FOR ADVANCED POWER ELECTRONICS。     这里头最主要的想法，是把一个电池变成了两个电池。       由于要保证PHEV或EREV在电动行驶时候的两个需求，动力性能和电动里程性能两个指标，对电池组而言，需要从能量和功率两个角度去考核它，如果采用单个电池，也就是最为普通的概念，那么单个电池组就需要同时符合正两个目标，体现在平均功率和峰值功率两点上。     这个构思的巧妙性在于，它用功率型小电池包和能量型大电池包整合在一起，使用8KW的DC-DC配合能量管理策略，将综合管理整个PHEV的功率输出，在优化策略下，使得小电池满足功率需求，大电池满足能量需求（平均功率需求）。       从纯电动续航里程、重量和成本来看，它都有很大的优势。       注意，它省钱的最大原因是，单电池可用的SOC范围为80%，而双电池中大电池可用的SOC范围为95%，也就是5%～100%，好像有些夸张。     这是SAE的综述文《Technology Improvement Pathways to Cost-effective Vehicle Electrification》中的一张图：       这个悖论在于，增加了能量转换环节的损耗，总体的能量使用出来更多了，而且大电池的寿命可能受到影响。     我相信这个主意是非常有趣的，其实某种程度上而言，它有点像燃料电池车的整体结构。这是丰田的Development Progress of the Toyota Fuel Cell Hybrid Vehicle中的一张结构图：       在未来，小电池可能用超级电容来取代，未来新能源汽车设计的多元化和创新将会围绕着能量单元和电气功率总成而展开。     我突然再一次想起了这个印度三轮车A Photovoltaic-Battery Powered All-Electric Rickshaw for the Indian Market，将锂电池和太阳能结合在一起，这里共有了2个boost来实现对invertor的供电。  

  前面写过两篇文章，幸好由于是学习笔记的关系，话没说太满。在此综合一些材料，对这个问题进行进一步的阐述。     先看看以上的一个视频吧     我在第二篇文章中整理发现，主电机的峰值功率远大于Boost（电池组）提供的功率，按照测试条件，电池输出的功率实质上是在汽车启动的时候（引擎关闭）使用。     而整个主电机的峰值功率，实质上是出现在汽车全力加速的时候，这个时候引擎在运转，但是分出一部分的功率进行发电（这有个转换效率的问题）。牵涉到的能量分配问题，其实是整个问题的核心，在假定车需求的输出功率一定的情况下，主电机的功率是多少？电池提供多少，而引擎直接输出多少，通过转动转换成电力提供给主电机又多少？这个题目很复杂，但是很可惜，这种模式其实并不是被丰田作为一种理想的模式，此时的热损耗太大了，使得整个功率控制单元进入了冷却模式。   关于引入boost的原因，看上去大致有两个     1.系统电压的提升，使得（主）电机在相同转速下，输出的扭矩曲线提高了     2.电子功率系统总损耗可以降低     这里首先不牵涉机械功率分配带来的好处，事实上我也很难看懂 这些复杂的传统系统的计算……      如前面所说，整个系统包括Boost（包括boost电感和IGBT管）、主电机逆变器IGBT和电机系统。这张图可能更能清晰的说明状况：     当前这一代（2010），比以前的继续提高了电压。     系统而言，主要损耗有包括类: 电机损耗 、逆变器（MG1）损耗、逆变器（MG2）损耗和升压器损耗【IGBT损耗和电感线圈损耗】 。这些损耗都与系统的电压有关,总的损耗与电压负相关。电机损耗可拆分为两部分：电机的线圈上的铜损(线圈的电流产生)和铁损(由铁芯的磁通量变化产生)的总合。 逆变器损耗主要包括开关元件( IGBT)的损耗， 通过电流越小,损耗越小。升压转换器损耗是IGBT损耗和电感线圈损耗的总合，按照测试条件，其损耗是总功率的函数。     总体的进化方向是朝着总线电压高的方向发展。     按照现在的参数，丰田想要保留Boost的条件下，做EV甚至是有初始阶段EV模式的PHEV，似乎都很难实现。这是因为，整个系统大概需要保持80～100以上的峰值功率，而想要让电池组（做大是可行的）和Boost具备这个功率，我想这个损耗会大到无法接受，而且长期工作于主电机的额定功率，Boost的消耗也不少，相信这不是一个划算的方案。Boost和高压电机驱动的方法，估计在以后的设计中难得一见。     纯电模式下的糟糕的加速性能和峰值输出功率，可能并不讨人喜欢的。     进一步猜想一下，其实Boost也是燃料电池车里头一个重要的部件。   PS：整个功率总成的东西，真的是很有趣，无数能人志士在这块地盘奋斗。不过我相信没有良好的机械和数学理论功底，想要做这个东东是天方夜谭。以下的一些文章，可能可以提供一些线索： SAE2006-01-0666_An Analytic Foundation for the Toyota Prius THS-II Powertrain with a Comparison to a Strong Parallel Hybrid-Electric Powertrain SAE2009-01-1321_An Analytic Foundation for the Two-Mode Hybrid-Electric Powertrain with a Comparison to the Single-Mode Toyota Prius THS-II Powertrain SAE2011-01-0876_Kinematic Study of the GM Front-Wheel Drive Two-Mode Transmission and the Toyota Hybrid System THS-II Transmission SAE2011-01-0948_Backward-Looking Simulation of the Toyota Prius and General Motors Two-Mode Power-Split HEV Powertrains   再PS：烟烟不在家，写完洗完碗筷就得休息了。