電動汽車AC—DC電能變換器整流方式介紹及仿真

印治濤 潘江如 何龍 佟靈茹

摘 要：首先對電動汽車的充電裝置和其電能變換部分進行了介紹，并分析了半波整流、全波整流和橋式整流3種整流方式各自的原理和優(yōu)缺點，重點介紹了橋式整流這種在汽車充電裝置上應(yīng)用較多的整流方式，最后運用MATLAB軟件對功率較大的直流和交流充電樁橋式整流過程進行了仿真模擬。

關(guān)鍵詞：電動汽車；充電樁 ；AC-DC轉(zhuǎn)換；MATLAB仿真

中圖分類號：TM341 文獻標志碼：A

0 引言

汽車給人們的生活帶來了方便，促進了人類社會的發(fā)展，但是也帶來了極大的環(huán)境問題。另外，隨著化石能源的消耗，人們需要尋找到一種新的替代方式，來解決化石能源的日益短缺和環(huán)境問題。作為一種新的發(fā)展方向，電動汽車以其低污染、可持續(xù)發(fā)展的特點逐漸成為人們的研究對象。

電動汽車可實現(xiàn)低排放甚至零排放，能量來源廣泛、噪聲低和能量可回收等優(yōu)點，有望成為新的重要交通工具。世界各個國家政府都制定了相關(guān)政策，加大研發(fā)力度。我國國務(wù)院2005年就提出鼓勵發(fā)展電動汽車，并相繼頒布了多種激勵措施。尤其在公共交通領(lǐng)域推動“十城千輛”計劃，并在私人購車方面給予補貼以及給予電動汽車研發(fā)項目和電動汽車廠家以管理政策和財政政策上的傾斜，有力促進了我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電能是電動汽車的能量來源，如何實現(xiàn)給電動汽車充電也備受人們關(guān)注。

1 電動汽車充電樁和AC-DC電能變換

電動汽車的充電樁是實現(xiàn)電動汽車充電的裝置，分為直流充電樁和交流充電樁。直流充電樁功率較大，充電速度較快，采用三相380 V交流電，一般在戶外應(yīng)急充電或?qū)Ｓ么笮统潆娬静贾谩＝涣鞒潆姌豆β瘦^低，可采用家用單相交流電或三相交流電，一般是家用或用在小區(qū)充電。

充氣樁的作用是將高壓交流電轉(zhuǎn)變成適合給汽車電池充電的直流電。這一過程中將交流電向直流電轉(zhuǎn)換就是通過AC-DC轉(zhuǎn)換器完成的。實現(xiàn)方式有半波整流、全波整流和橋式整流3種。

2 AC-DC電能轉(zhuǎn)換器整流方式介紹

2.1 半波整流電路

半波整流電路是由變壓器、整流二極管、負載組成的。變壓器把交流電轉(zhuǎn)變成大小合適的交流電，再由二極管等元件構(gòu)成的電路把交流電轉(zhuǎn)變成所需的直流電。其原理圖如圖1所示。

如圖 1所示，如果規(guī)定一個周期內(nèi)前半個周期電壓為正值，且此時可以通過負載形成回路，則相應(yīng)的在同一個周期的接下來半個周期內(nèi)就為負值，根據(jù)整流二極管的特性，此時就不能通過負載形成回路。雖然達到了整流的目的，但是一個周期中半個周期內(nèi)是沒有電流的。半波整流的電壓平均值可以達到交流電壓平均值的一半。

2.2 全波整流電路

全波整流是一種可以充分利用輸入電能的電路，其原理如圖2所示。在一個周期內(nèi)，前半個周期內(nèi)次級線圈上的電壓為正向且可以通過VT1，則在負載上的電流為從上往下的。相應(yīng)的，在后半個周期內(nèi)，電壓為負值，可以使VT2導通，負載上又有從下往上的電流。全波電路不僅利用了正半周期的能量，也巧妙地利用了負半周期的能量。能量利用效率是半波整流電路的2倍，整流之后的電壓平均值可以達到輸入的交流電壓的平均值。

雖然全波整流電路的能量效率相對高，但是這種整流電路的變壓器中有一個中心抽頭這一明顯的缺陷，這種結(jié)構(gòu)給設(shè)備的生產(chǎn)制造帶來了很大難度，增加了額外的生產(chǎn)成本。另外，這種電路在工作時二極管的兩端需要承載兩倍于次級電壓的電壓，這就需要用能夠承載較大電壓的二極管，同時在電路中形成較大的電壓沖擊，有可能對負載造成損壞，這些因素造成全波整流電路的應(yīng)用范圍十分有限。

2.3 橋式整流電路的介紹

橋式整流電路是在電子電路中應(yīng)用最廣泛的一種整流電路。由于這種整流電路擁有不輸全波整流電路的能量利用效率，又克服了全波整流電路的諸多弊端。

橋式整流電路的原理圖如圖3所示。這種電路的4個晶閘管中，晶閘管VT2和晶閘管VT3的導通角一樣，VT1、VT4的導通角一樣，且這2組晶閘管的導通角差180°，即兩組晶閘管不能同時導通。若在一個周期內(nèi)，在前半個周期電源提供的電壓可以通過VT1、VT4加載到負載兩端，在負載上形成從上向下的電流。那么在另外半個周期內(nèi)，VT1、VT4被反向截止，雖然電源電壓的方向與之前相反，但此時VT2、VT3導通，加載到負載兩端的電壓與前半個周期一樣。

3 橋式整流的仿真

鑒于半波整流和全波整流方式應(yīng)用范圍有限，在電動汽車的充電裝置中多用橋式整流，該文只對橋式整流進行仿真介紹。

3.1 單相橋式整流

4 結(jié)論

由于傳統(tǒng)能源汽車使用帶來的環(huán)境和能源問題以及電動汽車本身環(huán)保的優(yōu)點，發(fā)展電動汽車必然成為一種趨勢。該文對電動汽車充電裝置的作用和分類進行了介紹，并對3種整流方式進行了對比分析，對應(yīng)用較多的橋式整流進行了仿真模擬。

參考文獻

[1]龔金科.汽車排放污染與控制[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]郝兵，肖云祥，李俊.柴油機污染物的生成機理及凈化研究[J].科技通訊，2014（6）：138-139.

[3]王建昕，傅立新，黎維彬.汽車排氣污染治理及催化轉(zhuǎn)化器[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001：1-21.

[4]彭紅梅.摻醇燃料發(fā)動機尾氣中甲醛檢測方法及其排放特性的研究[D].天津：天津大學，2018：1-2.

[5]唐鈺.政策工具視角下的廣東省新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策研究[D].廣州：華南理工大學，2018：1-2.

[6]潘家興.電動汽車電池組充放電變換器的研制[D].青島：山東科技大學， 2017：1-2.