新能源汽車(chē)電池?zé)o線充電功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范祖良

摘 ?要：以磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，利用ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了新能源汽車(chē)鋰電池?zé)o線充電功率控制系統(tǒng)。利用負(fù)反饋閉環(huán)自動(dòng)控制原理控制伺服電機(jī)調(diào)整磁耦合線圈的耦合系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電系統(tǒng)功率精準(zhǔn)控制。應(yīng)用Matlab/Simulink進(jìn)行搭接和數(shù)據(jù)仿真分析，結(jié)果表明通過(guò)調(diào)節(jié)線圈磁耦合系數(shù)來(lái)調(diào)整鋰電池的充電功率控制是可行的。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē);磁耦合諧振;無(wú)線充電;功率閉環(huán)控制;ZigBee

中圖分類(lèi)號(hào)：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）24-0073-03

Abstract： Based on the magnetically coupled resonant radio energy transmission technology， the wireless charging power control system of lithium battery for new energy vehicles is designed by using ZigBee short-distance wireless communication technology. The principle of negative feedback closed-loop automatic control is used to control the servo motor to adjust the coupling coefficient of the magnetic coupling coil， and finally realize the accurate power control of the wireless charging system. The lap connection and data simulation analysis are carried out by using Matlab/Simulink， and the results show that it is feasible to adjust the charging power control of lithium battery by adjusting the magnetic coupling coefficient of the coil.

Keywords： new energy vehicle; magnetic coupling resonance; wireless charging; power closed loop control; ZigBee

引言

近年來(lái)，隨著無(wú)線電能傳輸技術(shù)的不斷完善，該技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用也日益增多。無(wú)線電能傳輸技術(shù)在智能手機(jī)上應(yīng)用也由原來(lái)的銷(xiāo)售噱頭功能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)用功能就是一個(gè)很好的例子。近年來(lái)隨著新能源電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的崛起，新能源汽車(chē)在現(xiàn)有汽車(chē)保有量中的比例也在逐年增加。但是傳統(tǒng)的固定樁式充電設(shè)備由于建設(shè)成本和建設(shè)方式的原因?qū)е鲁潆姌稊?shù)增加的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于新能源汽車(chē)數(shù)量的增長(zhǎng)速度，從而造成新能源汽車(chē)的充電難問(wèn)題日益突出。無(wú)線傳輸技術(shù)在生產(chǎn)生活中的下一階段目標(biāo)就是將其應(yīng)用于新能源汽車(chē)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛無(wú)線充電。采用無(wú)線電能傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新能源汽車(chē)無(wú)線充電方式可以進(jìn)一步提高充電設(shè)施與現(xiàn)有停車(chē)位的匹配度，進(jìn)一步降低建設(shè)成本，縮短建設(shè)的周期同時(shí)也能夠降低后期的維護(hù)難度和維護(hù)成本。為了更好地在新能源汽車(chē)中應(yīng)用無(wú)線電能傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電，將利用ZigBee短距離無(wú)線通信組網(wǎng)技術(shù)來(lái)進(jìn)行通信。將新能源汽車(chē)電池組中安裝的傳感器所采集的電壓、電流和溫升等關(guān)鍵信息傳送至磁耦合諧振的發(fā)射線圈控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能充電系統(tǒng)的負(fù)反饋閉環(huán)功率控制。

1 無(wú)線電能傳輸技術(shù)

無(wú)線電能傳輸技術(shù)是一種借助于物理空間中的能量載體，基于非導(dǎo)線接觸方式，實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)募夹g(shù)[1]。磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

2 短距離無(wú)線通信系統(tǒng)

新能源汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)是一個(gè)公共設(shè)施，一個(gè)停車(chē)位中的無(wú)線充電系統(tǒng)需要給不同的車(chē)輛進(jìn)行充電服務(wù)，所以在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)信息采集和反饋的短距離無(wú)線通信系統(tǒng)必須具備自動(dòng)連接、自動(dòng)修復(fù)，通信系統(tǒng)間互不干擾的特點(diǎn)。目前技術(shù)相對(duì)成熟具備實(shí)用能力的短距離無(wú)線通信方式主要包括Wifi、Bluetooth和ZigBee。

Wifi是Wireless Fidelity的英文縮寫(xiě)，是一個(gè)創(chuàng)建于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)。目前Wifi主要用于家庭、辦公室、機(jī)場(chǎng)、圖書(shū)館、咖啡廳休閑場(chǎng)所的高速因特網(wǎng)訪問(wèn)。Bluetooth藍(lán)牙技術(shù)，主要用于短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用類(lèi)附屬設(shè)備間通信、或與計(jì)算機(jī)、手機(jī)終端等實(shí)現(xiàn)信息交互和傳輸。ZigBee中文翻譯為紫蜂協(xié)議，采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是一種低速度、近距離傳輸無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee具有能耗低、價(jià)格低、時(shí)延短、容量大等優(yōu)點(diǎn)。由于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為毫瓦級(jí)別且不工作時(shí)可以進(jìn)入休眠狀態(tài)，普通的一節(jié)1.5伏干電池即可維持?jǐn)?shù)年的待機(jī)工作所需;ZigBee模塊成本低目前售價(jià)在幾十元之間，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟相信將來(lái)價(jià)格會(huì)更低;ZigBee通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延是毫秒級(jí)別的，從設(shè)備搜索、連接到實(shí)現(xiàn)通信僅需幾十毫秒的時(shí)間。同時(shí)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自組網(wǎng)能力和自修復(fù)能力。

綜上不難得出在Wifi、Bluetooth和ZigBee三種無(wú)線通信技術(shù)中，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)在能耗、建設(shè)成本、聯(lián)網(wǎng)時(shí)間、自組網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)自修復(fù)能力上都更勝一籌。所以在新能源汽車(chē)電池?zé)o線充電系統(tǒng)中將采用ZigBee無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋控制信息的數(shù)據(jù)通信。

3 新能源汽車(chē)中基于磁耦合諧振的無(wú)線充電功率閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前新能源汽車(chē)中都是應(yīng)用鋰電池組進(jìn)行電能的存儲(chǔ)，鋰蓄電池相比較于其它電池而言體積更小、比能量更高、無(wú)記憶效應(yīng)、不含污染環(huán)境的重金屬等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。但是鋰電池在充電過(guò)程對(duì)充電模式有較高的要求，如果沒(méi)有采用合適的充電策略會(huì)引起充電效率低、充電速度慢，導(dǎo)致充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者充電過(guò)程中溫升過(guò)高導(dǎo)致鋰電池壽命縮短甚至發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。所以提出利用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)作為進(jìn)行鋰電池狀態(tài)信息負(fù)反饋通道。利用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)磁耦合諧振線圈間距離、正對(duì)面積等參數(shù)的調(diào)整從而改變諧振線圈耦合系數(shù)，實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)鋰電池?zé)o線充電系統(tǒng)的功率閉環(huán)自動(dòng)控制。

3.1 ZigBee組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模式選擇

ZigBee組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模式包括單播數(shù)據(jù)傳輸模式、組播數(shù)據(jù)傳輸模式和廣播數(shù)據(jù)傳輸模式。在新能源汽車(chē)電池?zé)o線充電功率控制系統(tǒng)中，由于每一輛新能源汽車(chē)在不同的時(shí)間、不同的地點(diǎn)接入的充電系統(tǒng)是不固定的，所以采用廣播數(shù)據(jù)傳輸模式是最合適的。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星型、網(wǎng)狀型和樹(shù)型。在新能源汽車(chē)電池?zé)o線充電功率控制系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)電壓、電流和溫度信號(hào)采集的傳感器終端節(jié)點(diǎn)安裝在汽車(chē)鋰電池區(qū)域，接收信號(hào)的協(xié)調(diào)器、路由器則采用預(yù)埋暗敷的形式安裝在停車(chē)位中。當(dāng)車(chē)輛駛?cè)刖邆錈o(wú)線充電功能的停車(chē)位時(shí)，預(yù)埋在停車(chē)位下方的充電設(shè)備距離底盤(pán)距離近且中間無(wú)任何遮擋和障礙物，同時(shí)每輛新能源汽車(chē)只需與對(duì)應(yīng)車(chē)位下方的協(xié)調(diào)器或路由器進(jìn)行通信即可，所以對(duì)于信息發(fā)射的覆蓋范圍要求不高。所以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最適合的方式。

3.3 基于磁耦合諧振的無(wú)線充電功率閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的負(fù)反饋信號(hào)是利用ZigBee短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)鋰電池狀態(tài)信息傳輸。無(wú)線充電功率閉環(huán)控制系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。當(dāng)車(chē)輛駛?cè)胪＼?chē)位后壓力傳感器將壓力感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)發(fā)送至中心控制器;中心控制器啟動(dòng)停車(chē)位中的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)協(xié)調(diào)器與車(chē)輛中對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)連接確定該車(chē)位新能源汽車(chē)且滿足正常充電條件的情況下，控制器接通磁耦合諧振發(fā)射線圈與電網(wǎng)交流電的連接，并啟動(dòng)伺服電機(jī)調(diào)節(jié)磁耦合諧振線圈間的距離、正對(duì)面積等參數(shù)來(lái)提高兩線圈間的磁耦合系數(shù)，此時(shí)發(fā)射線圈以最大功率輸出電能新能源汽車(chē)鋰電池進(jìn)入無(wú)線充電狀態(tài)。

3.3.1 鋰電池溫度異常時(shí)功率閉環(huán)控制原理

在鋰電池充電過(guò)程中，電壓、電流和溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)的采集對(duì)應(yīng)的目標(biāo)信息并采用周期輪轉(zhuǎn)的形式向協(xié)調(diào)器上報(bào)數(shù)據(jù)信息。當(dāng)鋰電池溫度超過(guò)預(yù)設(shè)的三級(jí)上限溫度時(shí)，溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)將在最近的通信周期內(nèi)報(bào)警信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器;協(xié)調(diào)器將接收到的溫度報(bào)警信息上報(bào)給系統(tǒng)中心控制器，中心控制器向伺服電機(jī)發(fā)送控制命令。伺服電機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)磁耦合諧振發(fā)射線圈移動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射線圈與接收線圈間的距離、正對(duì)面積等參數(shù)來(lái)降低磁耦合諧振線圈的耦合系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)鋰電池的充電功率控制。

一段時(shí)間后若溫度恢復(fù)正常且電池仍未充滿，則控制器再次控制伺服電機(jī)動(dòng)作提高磁耦合諧振線圈的耦合系數(shù)，再次提高無(wú)線電能傳輸功率。若在某個(gè)無(wú)線通信周期數(shù)據(jù)發(fā)送前溫度終端傳感器節(jié)點(diǎn)采集的溫度超過(guò)預(yù)設(shè)的二級(jí)上限溫度，控制器再次向伺服電機(jī)發(fā)送控制命令，伺服電機(jī)通過(guò)動(dòng)作進(jìn)一步降低磁耦合諧振線圈的耦合系數(shù)，從而進(jìn)一步降低無(wú)線充電系統(tǒng)的發(fā)射功率。同時(shí)通過(guò)短信等方式向停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)值班人員和車(chē)主發(fā)送告警信息并啟動(dòng)車(chē)位聲光告警系統(tǒng)，以便停車(chē)場(chǎng)管理員和車(chē)主快速找到問(wèn)題車(chē)輛。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一級(jí)溫度告警后，為確保安全無(wú)線充電系統(tǒng)將無(wú)法自行進(jìn)入充電狀態(tài)。要再次進(jìn)入充電狀態(tài)必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件：（1）溫度已經(jīng)降到安全水平;（2）停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)中的無(wú)線充電確認(rèn)按鈕手動(dòng)復(fù)位。

3.3.2 鋰電池電壓、電流傳感器終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)充電功率閉環(huán)控制原理

鋰電池采用恒壓恒流即恒功率充電模式時(shí)，新能源汽車(chē)鋰電池在剛接入磁耦合諧振無(wú)線充電系統(tǒng)時(shí)汽車(chē)電池側(cè)的電壓傳感器終端節(jié)點(diǎn)先采集鋰電池電壓。電壓傳感器終端節(jié)點(diǎn)將電壓信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器最終達(dá)到系統(tǒng)中心控制器。若鋰電池電壓低于門(mén)限電壓，控制器發(fā)送控制命令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)動(dòng)作，調(diào)整諧振線圈參數(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈以小功率傳輸電能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池進(jìn)行以0.1C的涓細(xì)電流充電。此時(shí)鋰電池端的電流傳感器終端節(jié)點(diǎn)將采集到的電流信號(hào)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，最終到達(dá)中心控制器。該電流信號(hào)是充當(dāng)伺服電機(jī)閉環(huán)控制的負(fù)反饋信號(hào)以便控制器更精準(zhǔn)的伺服電機(jī)的動(dòng)作，以便更精確地實(shí)現(xiàn)鋰電池以0.1C涓細(xì)電流充電[3]。

當(dāng)鋰電池電壓達(dá)到上限電壓時(shí)，協(xié)調(diào)器接收到該信息并傳送至中心控制器[4]?？刂破靼l(fā)送控制命令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)行，再次調(diào)節(jié)線圈參數(shù)使得電池充電電流保持0.1C的涓細(xì)電流繼續(xù)充電。在進(jìn)入涓細(xì)電流充電狀態(tài)時(shí)同時(shí)啟動(dòng)控制器內(nèi)的定時(shí)器，30分鐘后控制器切斷磁耦合諧振發(fā)射線圈與交流電源的連接，到此鋰電池充電結(jié)束。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證無(wú)線充電功率的可控性，利用了Matlab/Simulink進(jìn)行搭接和數(shù)據(jù)仿真分析。在理想情況下諧振線圈中的發(fā)射線圈與接收線圈同軸的情況下耦合互感系數(shù)M≈式中0為真空中的磁導(dǎo)率、r為線圈半徑、N為線圈匝數(shù)、d為線圈距離。從公式中不難推出在磁導(dǎo)率？滋0、線圈匝數(shù)N不變時(shí)，耦合系數(shù)與線圈距離成負(fù)相關(guān)與等效面積半徑成正相關(guān)。線圈發(fā)射功率與耦合系數(shù)函數(shù)關(guān)系圖示見(jiàn)圖3。

從仿真圖像可知磁耦合線圈間的傳輸功率跟兩線圈之間的磁耦合系數(shù)是成正相關(guān)的，通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)改變耦合系數(shù)從而實(shí)現(xiàn)功率控制是可行的。

5 結(jié)論

無(wú)線電能傳輸技術(shù)在新能源汽車(chē)充電中的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步地促進(jìn)新能源汽車(chē)的普及。將ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)鋰電無(wú)線充電系統(tǒng)作為鋰電池狀態(tài)負(fù)反饋信號(hào)的傳輸渠道。利用中心控制器利用負(fù)反饋信號(hào)精確的控制伺服電機(jī)對(duì)磁耦合線圈距離、正對(duì)面積等參數(shù)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了新能源汽車(chē)鋰電池在不同充電階段的精準(zhǔn)功率閉環(huán)控制，為新能源汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的研究提供一種方案。

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