基于復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AGV大功率無線充電系統(tǒng)設(shè)計

宋 麗1,孫崇書2,魯海寧,魯康平

(1. 煙臺科技學(xué)院,山東 煙臺 265600;2.蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司,山東 煙臺 265600;3.山東蓬翔汽車有限公司,山東 煙臺 265600)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展,新能源汽車受到越來越多的關(guān)注。目前,有線充電是新能源汽車主要充電方式,通過充電樁進(jìn)行電能傳輸,達(dá)到充電的目的。實際充電過程中出現(xiàn)了很多問題,諸如一個充電樁不能同時為多輛汽車充電,導(dǎo)致排隊充電的問題越來越嚴(yán)重[1-3],以及不可忽視的安全隱患——有線充電時存在漏電的安全隱患。

無線電能傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)的出現(xiàn)能夠方便地解決上述問題,不需要物理接觸便能為各種用電設(shè)備充電[4-6]。無線充電作為一種安全、可靠、便利的供電手段,對減少蓄電池數(shù)量,減輕電動汽車蓄電池載重提供了一種可行性思路。利用WPT在不增大電池容積的情況下,提升電動汽車行駛里程,因而無線電能傳輸技術(shù)具有廣闊應(yīng)用前景[7]。

目前,在無線充電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,通常有S-S和LCCL兩種功率拓?fù)?具有不同的電氣特點和控制特性。在S-S拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,工作頻率為81.38～90 kHz,當(dāng)發(fā)射端和接收端兩邊LC的諧振點相同時,工作效率比較高,而在實際應(yīng)用中接收端的LC諧振頻率總是和發(fā)射端的諧振頻率很難達(dá)到嚴(yán)格一致。為此提出基于復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AGV大功率無線充電系統(tǒng)設(shè)計。

1 無線充電模塊設(shè)計

無線充電系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計如表1。

表1 無線充電系統(tǒng)參數(shù)

無線充電系統(tǒng)包含4個獨立模塊:AC/DC模塊、高頻逆變模塊、整流模塊及IVU通信控制模塊,可搭配不同參數(shù)系統(tǒng)拓?fù)浜途€圈,實現(xiàn)多種參數(shù)測試試驗。

1.1 AC/DC模塊

采用華為R95021G1功率模塊,其供電為三相交流 380 V,為高頻逆變模塊提供直流輸入,輸出電壓分高低壓模式,低壓模式可實現(xiàn)正常系統(tǒng)拓?fù)鋮?shù)下10 kW輸出;高壓模式電壓調(diào)節(jié)范圍為DC400～DC950 V,實現(xiàn)高壓低流輸出狀態(tài),當(dāng)?shù)蛪耗Ｊ讲荒軡M足輸出功率時使用;輸出接線至高頻逆變模塊的直流輸入側(cè)。AC/DC模塊設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 AC/DC 模塊設(shè)計參數(shù)

1.2 高頻逆變模塊

DC/AC高頻逆變模塊。將直流輸入變換為高頻交流輸出,輸出接線至地面端線圈拓?fù)?逆變模塊自帶一塊高精度觸摸屏,可手動設(shè)置參數(shù)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)等,系統(tǒng)自帶上位機(jī),可用CAN分析儀連接電腦后,遠(yuǎn)程有線控制。系統(tǒng)具有極高的開源性能,可設(shè)置系統(tǒng)各類參數(shù)實現(xiàn)不同控制需求。DC/AC模塊設(shè)計參數(shù)如表3所示,模塊原理如圖1所示,發(fā)射模塊軟件控制如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 發(fā)射模塊軟件控制框圖

表3 DC/AC模塊設(shè)計參數(shù)

1.3 整流模塊

采用SiC整流器實現(xiàn)全橋整流,輸出300～500 V,電流60 A;具備保護(hù)功能,過壓、過流、過溫保護(hù)等;接收諧振電容在接收控制箱內(nèi),諧振電容散熱不良時灌封導(dǎo)熱膠;接收控制中心采用STM32單片機(jī),實現(xiàn)對接收整流模塊的信號采樣,邏輯控制,如圖3所示。

圖3 整流模塊設(shè)計

1.4 IVU通信控制模塊

設(shè)計功能。第一,具備溫度采樣,可采機(jī)箱環(huán)境溫度,具備過溫保護(hù);第二,直流輸出電壓檢測、電流檢測;第三,控制開關(guān)(可設(shè)計系統(tǒng)軟開關(guān),自動休眠);第四,PWM調(diào)節(jié)(預(yù)留);第五,開關(guān)量采樣(BMS連接狀態(tài),高壓互鎖);第六,通信功能(與發(fā)射端的 WIFI 通信,與同步整流模塊的CAN通信,帶5 V電源,CAN協(xié)議編制,與BMS的CAN通信);第七,實現(xiàn)根據(jù)電池需求充電電壓電流實現(xiàn)自動輸出調(diào)節(jié);第八,LED指示燈(板上指示)。

硬件供電12 V,支持9～16 V電源工作;IVU通信控制板對外接口如下(圖4)所示。

圖4 IVU通信控制模塊

2 拓?fù)鋮?shù)設(shè)計

2.1 地面拓?fù)鋮?shù)設(shè)計

拓?fù)?S-S拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可試驗驗證;預(yù)留LCCL硬件空間,可更改為LCCL拓?fù)洹-S拓?fù)鋮?shù)參考:諧振電容容值30 nF,線圈電感感量120 μH。地面參考設(shè)備的電路如圖5所示,諧振補償網(wǎng)絡(luò)的電氣參數(shù)如表4所示。地面線圈感量參考設(shè)計如表5所示。

圖5 地面參考設(shè)備的主電路拓?fù)?/p>

表4 地面參考設(shè)備的電氣參數(shù)

表5 地面設(shè)備線圈自感值Lp在不同離地間隙、不同功率等級下的范圍 單位:μH

2.2 接收拓?fù)鋮?shù)設(shè)計

MF-WPT3車載參考設(shè)備的主電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 MF-WPT3車載參考設(shè)備的主電路拓?fù)?/p>

車載參考設(shè)備諧振補償網(wǎng)絡(luò)的電氣參數(shù)設(shè)計如表6所示。

表6 車載參考設(shè)備的電氣規(guī)格參數(shù)

接收線圈感量參考設(shè)計入表7所示。

表7 車載參考設(shè)備的電氣規(guī)格參數(shù) 單位:μH

3 無線充電系統(tǒng)控制狀態(tài)設(shè)計

不同充電流程階段,無線充電系統(tǒng)各部分也處于不同控制狀態(tài)。下面分別就地面?zhèn)群蛙囕d側(cè)進(jìn)行設(shè)計。

3.1 充電流程

AGV無線充電系統(tǒng)充電流程如圖7。

圖7 充電流程圖

3.2 地面?zhèn)妊b置狀態(tài)設(shè)置

地面?zhèn)妊b置有系統(tǒng)開機(jī)(WPT_S_ON)、啟動服務(wù)(WPT_S_SI)、等待對齊(WPT_S_AA)、系統(tǒng)空閑(WPT_S_IDLE)、功率傳輸(WPT_S_PT)、服務(wù)中止并占用(WPT_S_STO)、系統(tǒng)關(guān)閉(WPT_S_OFF)、休眠(WPT_S_SLP)、待機(jī)(WPT_S_STBY)等不同狀態(tài)(圖8)。在WPT_S_ON狀態(tài)下,供電端裝置不進(jìn)行功率傳輸,其通信功能正常。供電端裝置可以對外廣播自己是可用的,并能夠與車載側(cè)建立連接。在響應(yīng)車載側(cè)的連接建立請求時,將退出WPT_S_ON狀態(tài)。在WPT_S_SI狀態(tài)下,車載側(cè)與地面?zhèn)冉⒘送ㄐ?。如果供電端裝置具備相應(yīng)功能,車載側(cè)也可以要求供電端裝置提供精確定位支持服務(wù)。連接成功并啟動對齊支持功能后,狀態(tài)WPT_S_SI正常退出。在WPT_S_AA狀態(tài)下,供電端裝置正在等待副邊線圈和原邊線圈對齊。在EV端裝置成功完成對齊并對齊完成指示后,配對過程已成功完成。WPT_S_IDLE狀態(tài)是供電端裝置對齊并配對確定后的狀態(tài),但是準(zhǔn)備功率傳輸?shù)囊恍﹨?shù)還需要交換,同時需要激活安全系統(tǒng)。在WPT_S_PT狀態(tài)下,供電端裝置向EV端裝置傳輸電能,安全監(jiān)視和診斷活動處于活動狀態(tài),以確保電能傳輸過程的完整性。在該狀態(tài)下,車載側(cè)控制器可以通過請求零功率或通過供電端裝置將最大可傳輸功率設(shè)置為零來暫停功率傳輸。在WPT_S_STO狀態(tài)下,已經(jīng)中止了功率傳輸,并且已經(jīng)終止了與車載側(cè)控制器的通信;但是電動汽車仍然占用停車位,因此供電端裝置無法為其他用戶提供服務(wù)。在WPT_S_OFF狀態(tài)下,供電端裝置不能用于功率傳輸。可以使用通信通道來指示供電端裝置處于WPT_S_OFF狀態(tài)。當(dāng)供電端裝置可以進(jìn)行功率傳輸時,會立即退出此狀態(tài)。

圖8 地面?zhèn)妊b置狀態(tài)圖

3.3 車載側(cè)裝置狀態(tài)

車載側(cè)裝置設(shè)置系統(tǒng)開機(jī)(WPT_V_ON)、啟動服務(wù)(WPT_V_SI)、等待對齊(WPT_V_AA)、空閑(WPT_V_IDLE)、功率傳輸激活(WPT_V_PTA)、功率傳輸(WPT_V_PT)、休眠(WPT_V_SLP)、待機(jī)(WPT_V_STBY)、關(guān)閉(WPT_V_OFF)等不同的狀態(tài)(圖9)。在WPT_V_AA狀態(tài),EV 端裝置等待副邊和原邊裝置對齊。在WPT_V_IDLE狀態(tài),車載側(cè)與地面?zhèn)冉⑼ㄐ?并與原邊設(shè)備配對;未準(zhǔn)備好功率傳輸,此狀態(tài)下檢查安全功能的可用性。

圖9 車載側(cè)裝置狀態(tài)圖

3.4 A通信連接狀態(tài)圖

電動汽車無線充電過程中,地面通信控制單元(CommunIcatIonServIceUnIt,CSU)和車載通信控制單元(In-VehIcleUnIt,IVU)需要交互各種信息,以實現(xiàn)地面?zhèn)群蛙囕d側(cè)安全、高效的能量傳輸。

車載側(cè)和地面?zhèn)仍O(shè)備的充電流程共4個狀態(tài),可分為通信未連接、通信連接、待機(jī)、充電,如圖10所示。

圖10 充電狀態(tài)

設(shè)計的無線充電模型示意如圖11。為了驗證設(shè)計的可行性,制作了相關(guān)實物模型進(jìn)行試驗,如圖12所示。

圖11 無線充電示意圖

圖12 實驗?zāi)Ｐ?/p>

通過上述的模擬實驗?zāi)Ｐ蛯Τ潆娺^程中的功率進(jìn)行了模擬,得到的功率曲線如圖13所示。電壓和電流紋波曲線如圖14、圖15所示。

圖13 充電功率曲線

圖14 電壓紋波曲線

圖15 電流紋波曲線

通過實驗結(jié)果分析:可以看出設(shè)計的無線充電系統(tǒng)的電壓紋波因數(shù)0.4%,電流紋波因數(shù)2.7%,充電電壓、電流穩(wěn)定,充電功率高,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的無線充電系統(tǒng)可兼容S-S和LCCL兩種功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在設(shè)計中采用頻率跟蹤算法保持充電過程中的最佳效率,主要通過采集線圈電流和電壓電流的相位差實現(xiàn),在頻率范圍81.38～90 kHz之間調(diào)整過程,采樣電流最大值所對應(yīng)的頻率就是最佳工作頻率,再通過調(diào)節(jié)PWM占空比和PFC模塊的輸出電壓來實現(xiàn)充電功率的控制。在LCCL拓?fù)湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)中,工作頻率為85.5 kHz,定頻輸出,通過調(diào)節(jié)PWM占空比和PFC模塊輸出電壓來試驗充電功率的控制,更優(yōu)的設(shè)計為接收端增加DC/DC功率變換,來實現(xiàn)輸出電壓可控可調(diào)。