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缺點，重點介紹了橋式整流這種在汽車充電裝置上應用較多的整流方式，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。

關鍵詞：電動汽車；充電樁 ；AC-DC轉換；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展，但是也帶來了極大的環境問題。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境問題。作為一種新的發展方向，電動汽車以其低污染、可持續發展的特點逐漸成為人們的研究對象。

電動汽車可實現低排放甚至零排放，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政策，加大研發力度。我國國務院2005年就提出鼓勵發展電動汽車，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業的發展。電能是電動汽車的能量來源，如何實現給電動汽車充電也備受人們關注。

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，一般在戶外應急充電或專用大型充電站布置。交流充電樁功率較低，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充電。

充氣樁的作用是將高壓交流電轉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換就是通過AC-DC轉換器完成的。實現方式有半波整流、全波整流和橋式整流3種。

2 AC-DC電能轉換器整流方式介紹

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。變壓器把交流電轉變成大小合適的交流電，再由二極管等元件構成的電路把交流電轉變成所需的直流電。其原理圖如圖1所示。

如圖 1所示，如果規定一個周期內前半個周期電壓為正值，且此時可以通過負載形成回路，則相應的在同一個周期的接下來半個周期內就為負值，根據整流二極管的特性，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，前半個周期內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。相應的，在后半個周期內，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，這種結構給設備的生產制造帶來了很大難度，增加了額外的生產成本。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，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，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 結論

由于傳統能源汽車使用帶來的環境和能源問題以及電動汽車本身環保的優點，發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，對應用較多的橋式整流進行了仿真模擬。

參考文獻

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