電動(dòng)汽車(chē)充電樁用磁保持繼電器動(dòng)態(tài)特性?xún)?yōu)化

車(chē)賽 遲長(zhǎng)春 左少林 王澤濤

（上海電機(jī)學(xué)院，上海 200120）

1 前言

充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)的配套系統(tǒng)，可提供快速、安全的充電服務(wù)，為電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展提供有力保障。繼電器作為充電樁的執(zhí)行單元，在實(shí)際工作中需要頻繁動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)自助充電、計(jì)費(fèi)監(jiān)控、故障報(bào)警等智能控制功能[1]。當(dāng)遇到突發(fā)狀況，例如充電樁發(fā)生短路時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)法正常進(jìn)行能量補(bǔ)給，繼電器應(yīng)能自動(dòng)斷電以保障人身安全。因此，繼電器的閉合可靠性及使用壽命直接關(guān)系到充電樁的安全與穩(wěn)定。

相比于傳統(tǒng)的電磁式繼電器，磁保持繼電器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間通電，溫升和噪聲較小，且受電網(wǎng)波動(dòng)的影響很小。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)磁保持繼電器開(kāi)展了諸多研究，如電磁仿真和動(dòng)態(tài)建模仿真[2-3]、抗干擾分析研究以及控制電路設(shè)計(jì)[4-5]等。

研究顯示，磁保持繼電器在閉合過(guò)程中達(dá)到穩(wěn)態(tài)前，動(dòng)、靜觸頭由于碰撞會(huì)發(fā)生彈跳。多次彈跳產(chǎn)生的短電弧使得接觸部位產(chǎn)生高溫，由于熔池內(nèi)外存在很大的溫度梯度，熔池內(nèi)金屬快速凝固結(jié)晶，使得接觸部位形成熔焊點(diǎn)。當(dāng)觸點(diǎn)的熔焊力大于其分?jǐn)嗔r(shí)會(huì)產(chǎn)生熔焊，這種情況對(duì)于容性負(fù)載更為嚴(yán)重：容性負(fù)載接通過(guò)程中，瞬時(shí)峰值電流可達(dá)額定電流的10～15 倍，峰值電流附近的閉合過(guò)程加速了觸點(diǎn)的燒損，嚴(yán)重?fù)p害磁保持繼電器的使用壽命，導(dǎo)致充電樁發(fā)生故障[6]。

因此，探究動(dòng)態(tài)合閘特性的影響因素及其改善方法，提高磁保持繼電器的使用壽命和閉合可靠性，減少動(dòng)、靜觸頭的彈跳次數(shù)，對(duì)充電樁的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義與實(shí)用價(jià)值。

2 磁保持繼電器分析

本文針對(duì)YK818-B系列充電樁用磁保持繼電器進(jìn)行研究，如圖1 所示。線(xiàn)圈額定電壓為12 V 直流，單線(xiàn)圈電阻范圍為129.6～158.4 Ω，線(xiàn)圈額定電流范圍為0.076～0.093 A，2 500匝，吸合釋放時(shí)間小于20 ms。

圖1 YK818-B系列磁保持繼電器

2.1 電磁機(jī)構(gòu)

磁保持繼電器的電磁機(jī)構(gòu)包括銜鐵組件（含永久磁鐵和上、下磁極片）、鐵芯、軛鐵和線(xiàn)圈[7]，如圖2 所示。軛鐵與上、下磁極片之間的工作氣隙和銜鐵組件可將電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而帶動(dòng)整個(gè)接觸機(jī)構(gòu)工作。

圖2 電磁機(jī)構(gòu)示意

2.2 電磁機(jī)構(gòu)仿真與分析

在A(yíng)NSYS 軟件的Maxwell 3D Design 中建立電磁機(jī)構(gòu)仿真模型，永磁鐵為Y30BH，鐵芯和軛鐵為電工純鐵（DT4E）。網(wǎng)格劃分時(shí)，銜鐵組件附近的網(wǎng)格精度更高，其余部件自由劃分即可，如圖3所示。

圖3 電磁機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分

對(duì)銜鐵組件進(jìn)行參數(shù)化分析，其中磁動(dòng)勢(shì)范圍為0～390 At，旋轉(zhuǎn)角度范圍為-7°～7°，以麥克斯韋理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行電磁場(chǎng)的求解計(jì)算，仿真得到不同磁動(dòng)勢(shì)和旋轉(zhuǎn)角度的合力矩及其變化趨勢(shì)，如圖4所示。

3 動(dòng)態(tài)模型系統(tǒng)仿真及優(yōu)化

3.1 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立

磁保持繼電器電磁機(jī)構(gòu)閉合和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，涉及電磁、熱能變化及機(jī)械運(yùn)動(dòng)等多方面因素，因此需要在電磁系統(tǒng)上使用電壓平衡方程，在磁場(chǎng)上使用麥克斯韋方程，機(jī)械運(yùn)動(dòng)遵循達(dá)朗貝爾運(yùn)動(dòng)方程，這些相互聯(lián)系的方程構(gòu)成了描述機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程組[8]，忽略細(xì)微的渦流損耗及線(xiàn)圈工作溫度變化，方程組表達(dá)形式為：

式中，U為線(xiàn)圈勵(lì)磁電壓；R為線(xiàn)圈電阻；i、Ψ分別為線(xiàn)圈電流及電磁系統(tǒng)磁鏈；T、Tf分別為電磁轉(zhuǎn)矩和反作用力矩；J為銜鐵組件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為銜鐵組件角速度；α為銜鐵組件旋轉(zhuǎn)角度；t為時(shí)間。

其初始條件為：Ψ|t=0=Ψ0，ω|t=0=0,α|t=0=α0。

圖4 銜鐵組件合力矩特性

3.2 模糊控制器設(shè)計(jì)及優(yōu)化

由圖4可知，為了降低動(dòng)、靜觸頭碰撞的速度，應(yīng)在閉合初始階段將其占空比設(shè)置為最大，在末尾階段將占空比設(shè)為最小，由此建立模糊規(guī)則如表1所示。表1中，輸入量為銜鐵組件旋轉(zhuǎn)角度α和旋轉(zhuǎn)角速度ω，輸出量為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）占空比D，XS、S、M、L、XL分別表示很小、小、中、大、很大。

表1 模糊規(guī)則

當(dāng)α和ω很小時(shí)，輸出的PWM 占空比很大，使通入線(xiàn)圈的脈沖電流很大，增大了銜鐵組件的合力矩及旋轉(zhuǎn)速度，從而達(dá)到快速閉合的目的，可提高磁保持繼電器的可靠性。反之，當(dāng)PWM占空比很小時(shí)，減小銜鐵組件在動(dòng)、靜觸頭碰撞前的角速度，以減少觸頭間的彈跳。

為了進(jìn)一步縮短閉合時(shí)間，減少動(dòng)、靜觸頭間的彈跳，采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制規(guī)則。本文遺傳策略設(shè)置為隨機(jī)均勻分布選擇法、算數(shù)交叉法及自適應(yīng)變異法。設(shè)置遺傳算法種群規(guī)模為20，交配概率為0.8，變異概率為0.2，進(jìn)化代數(shù)達(dá)到100 代時(shí)算法停止。對(duì)于模糊控制規(guī)則，本文采用十進(jìn)制編碼方式，使用1～5 依次代表XS、S、M、L、XL 5 個(gè)語(yǔ)言值，即數(shù)字化模糊控制規(guī)則，形成遺傳算法的個(gè)體。控制目標(biāo)為在旋轉(zhuǎn)速度小于模糊控制下的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，使得閉合時(shí)間最短，適應(yīng)度函數(shù)為min(c1·t+c2·ω),{t,ω|θ=-7°}，其中c1、c2為常系數(shù)。優(yōu)化流程如圖5所示。

圖5 遺傳算法流程

經(jīng)過(guò)94 代達(dá)到最優(yōu)解，最優(yōu)結(jié)果轉(zhuǎn)換成模糊規(guī)則如表2所示。

表2 優(yōu)化后的模糊規(guī)則

3.3 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型建立

根據(jù)磁保持繼電器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink 中建立主電路模塊、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制模塊、模糊控制模塊及遺傳算法優(yōu)化模糊控制模塊，如圖6所示。

3.4 仿真結(jié)果對(duì)比分析

模型中包含了原始系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)及遺傳算法優(yōu)化模糊控制系統(tǒng)，將3個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制模塊輸出的角度及角速度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

圖6 磁保持繼電器動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型

圖7 角度和角速度仿真結(jié)果對(duì)比

由圖7可知，模糊控制降低了原始系統(tǒng)銜鐵組件的角速度，但旋轉(zhuǎn)時(shí)間增加較多。采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制后，閉合時(shí)間和銜鐵組件運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)刻角速度相對(duì)于模糊控制明顯減小，動(dòng)態(tài)特性更優(yōu)，從而減小動(dòng)、靜觸頭接觸時(shí)的碰撞力，減少觸頭間的彈跳。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

觸頭閉合時(shí)的速度較小，難以捕捉到具體彈跳時(shí)長(zhǎng)及現(xiàn)象，因此，在觸頭兩側(cè)串聯(lián)采樣電阻與直流電源，試驗(yàn)原理如圖8 所示。在閉合過(guò)程中，采用示波器捕捉采樣電阻兩端的電壓波形，即可直觀(guān)地反應(yīng)觸頭的彈跳現(xiàn)象。

圖8 試驗(yàn)原理

利用圖8所示的原理，搭建樣機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)，如圖9所示。利用樣機(jī)分別測(cè)出原始系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)以及遺傳算法優(yōu)化模糊控制系統(tǒng)的觸頭彈跳波形，如圖10所示。

圖9 實(shí)物樣機(jī)

圖10 觸頭彈跳及銜鐵組件旋轉(zhuǎn)波形

由圖10 可以看出：原始系統(tǒng)中觸頭彈跳現(xiàn)象最嚴(yán)重，彈跳時(shí)間約6 ms，完全閉合時(shí)間約12 ms；線(xiàn)圈電流采用模糊控制優(yōu)化后，觸頭彈跳明顯減小，彈跳時(shí)間約3 ms，但銜鐵組件旋轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，觸頭完全閉合時(shí)間約19 ms，雖然觸頭彈跳減少，但閉合時(shí)間過(guò)大，閉合可靠性大幅降低；采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制后，銜鐵組件旋轉(zhuǎn)時(shí)間降至16 ms，且觸頭彈跳時(shí)間縮小至約1 ms。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)充電樁用磁保持繼電器合閘過(guò)程中觸頭彈跳引起的溫升、熔焊及損耗問(wèn)題，進(jìn)行了銜鐵組件電磁仿真和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真，使用遺傳算法對(duì)合閘過(guò)程模糊控制策略加以?xún)?yōu)化。通過(guò)試驗(yàn)獲得了原始系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)、遺傳算法優(yōu)化模糊控制系統(tǒng)的合閘過(guò)程波形，結(jié)果表明：采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制的方法可有效改善觸頭彈跳現(xiàn)象，且閉合時(shí)間相對(duì)于模糊控制系統(tǒng)明顯減小，可提高磁保持繼電器的使用壽命和穩(wěn)定性。