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新能源汽车的电池无线充电功率控制系统研究

2020-08-17 172 上传者：管理员

摘要：以磁耦合谐振无线电能传输技术为基础，利用ZigBee短距离无线通信技术设计了新能源汽车锂电池无线充电功率控制系统。利用负反馈闭环自动控制原理控制伺服电机调整磁耦合线圈的耦合系数，最终实现无线充电系统功率精准控制。应用Matlab/Simulink进行搭接和数据仿真分析，结果表明通过调节线圈磁耦合系数来调整锂电池的充电功率控制是可行的。

关键词：
ZigBee
功率闭环控制
新能源汽车
无线充电
磁耦合谐振
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近年来，随着无线电能传输技术的不断完善，该技术在现实生活中的应用也日益增多。无线电能传输技术在智能手机上应用也由原来的销售噱头功能逐渐转变为实用功能就是一个很好的例子。近年来随着新能源电动汽车行业的崛起，新能源汽车在现有汽车保有量中的比例也在逐年增加。但是传统的固定桩式充电设备由于建设成本和建设方式的原因导致充电桩数增加的速度远远低于新能源汽车数量的增长速度，从而造成新能源汽车的充电难问题日益突出。无线传输技术在生产生活中的下一阶段目标就是将其应用于新能源汽车实现车辆无线充电。采用无线电能传输技术实现的新能源汽车无线充电方式可以进一步提高充电设施与现有停车位的匹配度，进一步降低建设成本，缩短建设的周期同时也能够降低后期的维护难度和维护成本。为了更好地在新能源汽车中应用无线电能传输技术实现无线充电，将利用ZigBee短距离无线通信组网技术来进行通信。将新能源汽车电池组中安装的传感器所采集的电压、电流和温升等关键信息传送至磁耦合谐振的发射线圈控制模块，从而实现无线电能充电系统的负反馈闭环功率控制。

1、无线电能传输技术

无线电能传输技术是一种借助于物理空间中的能量载体，基于非导线接触方式，实现电能传输的技术[1]。磁耦合谐振式无线电能传输系统示意图见图1。

2、短距离无线通信系统

新能源汽车无线充电系统是一个公共设施，一个停车位中的无线充电系统需要给不同的车辆进行充电服务，所以在系统中负责信息采集和反馈的短距离无线通信系统必须具备自动连接、自动修复，通信系统间互不干扰的特点。目前技术相对成熟具备实用能力的短距离无线通信方式主要包括Wifi、Bluetooth和ZigBee。

图1磁耦合谐振式无线电能传输系统示意图

Wifi是WirelessFidelity的英文缩写，是一个创建于IEEE802.11标准的无线局域网技术。目前Wifi主要用于家庭、办公室、机场、图书馆、咖啡厅休闲场所的高速因特网访问。Bluetooth蓝牙技术，主要用于短距离点对点应用类附属设备间通信、或与计算机、手机终端等实现信息交互和传输。ZigBee中文翻译为紫蜂协议，采用IEEE802.15.4标准是一种低速度、近距离传输无线通信技术。ZigBee具有能耗低、价格低、时延短、容量大等优点。由于ZigBee无线通信技术的传输速率低，发射功率仅为毫瓦级别且不工作时可以进入休眠状态，普通的一节1.5伏干电池即可维持数年的待机工作所需；ZigBee模块成本低目前售价在几十元之间，随着技术的进一步成熟相信将来价格会更低；ZigBee通信时延和从休眠状态激活的时延是毫秒级别的，从设备搜索、连接到实现通信仅需几十毫秒的时间。同时ZigBee无线通信网络具有很强的自组网能力和自修复能力。

综上不难得出在Wifi、Bluetooth和ZigBee三种无线通信技术中，ZigBee无线通信技术在能耗、建设成本、联网时间、自组网和通信网络自修复能力上都更胜一筹。所以在新能源汽车电池无线充电系统中将采用ZigBee无线通信系统来实现负反馈控制信息的数据通信。

3、新能源汽车中基于磁耦合谐振的无线充电功率闭环自动控制系统设计

目前新能源汽车中都是应用锂电池组进行电能的存储，锂蓄电池相比较于其它电池而言体积更小、比能量更高、无记忆效应、不含污染环境的重金属等诸多优点[2]。但是锂电池在充电过程对充电模式有较高的要求，如果没有采用合适的充电策略会引起充电效率低、充电速度慢，导致充电时间过长或者充电过程中温升过高导致锂电池寿命缩短甚至发生爆炸的危险。所以提出利用ZigBee无线通信技术作为进行锂电池状态信息负反馈通道。利用伺服电机实现磁耦合谐振线圈间距离、正对面积等参数的调整从而改变谐振线圈耦合系数，实现新能源汽车锂电池无线充电系统的功率闭环自动控制。

3.1 ZigBee组网数据传输模式选择

ZigBee组网数据传输模式包括单播数据传输模式、组播数据传输模式和广播数据传输模式。在新能源汽车电池无线充电功率控制系统中，由于每一辆新能源汽车在不同的时间、不同的地点接入的充电系统是不固定的，所以采用广播数据传输模式是最合适的。

3.2 ZigBee网络拓扑结构选择

ZigBee网络层拓扑结构包括星型、网状型和树型。在新能源汽车电池无线充电功率控制系统中，负责电压、电流和温度信号采集的传感器终端节点安装在汽车锂电池区域，接收信号的协调器、路由器则采用预埋暗敷的形式安装在停车位中。当车辆驶入具备无线充电功能的停车位时，预埋在停车位下方的充电设备距离底盘距离近且中间无任何遮挡和障碍物，同时每辆新能源汽车只需与对应车位下方的协调器或路由器进行通信即可，所以对于信息发射的覆盖范围要求不高。所以星型拓扑结构是最适合的方式。

3.3 基于磁耦合谐振的无线充电功率闭环控制系统设计

系统中的负反馈信号是利用ZigBee短距离无线通信网络实现锂电池状态信息传输。无线充电功率闭环控制系统组成示意图如图2所示。当车辆驶入停车位后压力传感器将压力感应信号转换成电信号发送至中心控制器；中心控制器启动停车位中的ZigBee无线网络，当协调器与车辆中对应的终端节点建立网络连接确定该车位新能源汽车且满足正常充电条件的情况下，控制器接通磁耦合谐振发射线圈与电网交流电的连接，并启动伺服电机调节磁耦合谐振线圈间的距离、正对面积等参数来提高两线圈间的磁耦合系数，此时发射线圈以最大功率输出电能新能源汽车锂电池进入无线充电状态。

3.3.1 锂电池温度异常时功率闭环控制原理

图2停车位无线充电功率闭环控制系统组成示意图

在锂电池充电过程中，电压、电流和温度传感器终端节点实时的采集对应的目标信息并采用周期轮转的形式向协调器上报数据信息。当锂电池温度超过预设的三级上限温度时，温度传感器终端节点将在最近的通信周期内报警信息发送至协调器；协调器将接收到的温度报警信息上报给系统中心控制器，中心控制器向伺服电机发送控制命令。伺服电机启动后带动磁耦合谐振发射线圈移动，通过调节发射线圈与接收线圈间的距离、正对面积等参数来降低磁耦合谐振线圈的耦合系数，从而实现对汽车锂电池的充电功率控制。

一段时间后若温度恢复正常且电池仍未充满，则控制器再次控制伺服电机动作提高磁耦合谐振线圈的耦合系数，再次提高无线电能传输功率。若在某个无线通信周期数据发送前温度终端传感器节点采集的温度超过预设的二级上限温度，控制器再次向伺服电机发送控制命令，伺服电机通过动作进一步降低磁耦合谐振线圈的耦合系数，从而进一步降低无线充电系统的发射功率。同时通过短信等方式向停车场管理系统值班人员和车主发送告警信息并启动车位声光告警系统，以便停车场管理员和车主快速找到问题车辆。

当系统出现一级温度告警后，为确保安全无线充电系统将无法自行进入充电状态。要再次进入充电状态必须同时满足两个条件：（1）温度已经降到安全水平；（2）停车场管理系统中的无线充电确认按钮手动复位。

3.3.2 锂电池电压、电流传感器终端节点实现充电功率闭环控制原理

锂电池采用恒压恒流即恒功率充电模式时，新能源汽车锂电池在刚接入磁耦合谐振无线充电系统时汽车电池侧的电压传感器终端节点先采集锂电池电压。电压传感器终端节点将电压信息通过无线网络发送至ZigBee协调器最终达到系统中心控制器。若锂电池电压低于门限电压，控制器发送控制命令驱动伺服电机动作，调整谐振线圈参数实现发射线圈以小功率传输电能实现对锂电池进行以0.1C的涓细电流充电。此时锂电池端的电流传感器终端节点将采集到的电流信号发送至协调器，最终到达中心控制器。该电流信号是充当伺服电机闭环控制的负反馈信号以便控制器更精准的伺服电机的动作，以便更精确地实现锂电池以0.1C涓细电流充电[3]。

当锂电池电压达到上限电压时，协调器接收到该信息并传送至中心控制器[4]。控制器发送控制命令驱动伺服电机运行，再次调节线圈参数使得电池充电电流保持0.1C的涓细电流继续充电。在进入涓细电流充电状态时同时启动控制器内的定时器，30分钟后控制器切断磁耦合谐振发射线圈与交流电源的连接，到此锂电池充电结束。

4、仿真验证

为验证无线充电功率的可控性，利用了Matlab/Simulink进行搭接和数据仿真分析。在理想情况下谐振线圈中的发射线圈与接收线圈同轴的情况下耦合互感系数式中μ0为真空中的磁导率、r为线圈半径、N为线圈匝数、d为线圈距离。从公式中不难推出在磁导率μ0、线圈匝数N不变时，耦合系数与线圈距离成负相关与等效面积半径成正相关。线圈发射功率与耦合系数函数关系图示见图3。

图3线圈发射功率与耦合系数关系图

从仿真图像可知磁耦合线圈间的传输功率跟两线圈之间的磁耦合系数是成正相关的，通过闭环控制系统改变耦合系数从而实现功率控制是可行的。

5、结论

无线电能传输技术在新能源汽车充电中的应用将会进一步地促进新能源汽车的普及。将ZigBee短距离无线通信技术应用于汽车锂电无线充电系统作为锂电池状态负反馈信号的传输渠道。利用中心控制器利用负反馈信号精确的控制伺服电机对磁耦合线圈距离、正对面积等参数的调节，实现了新能源汽车锂电池在不同充电阶段的精准功率闭环控制，为新能源汽车无线充电技术的研究提供一种方案。

参考文献：

[1]黄学良,王维,谭林林.磁耦合谐振式无线电能传输技术研究动态与应用展望[J].电力系统自动化,2017(2):2-14+141.

[2]陈超,谢瑞,何湘宁.电动汽车车载锂电池分段充电策略研究[J].机电工程,2011(7):887-890,900.

[3]何秋生,徐磊,吴雪雪.锂电池充电技术综述[J].电源技术,2013(08):185-187.

[4]杨阳,汤桃峰,秦大同,等.电动汽车锂电池PNGV等效电路模型与SOC估算方法[J].系统仿真学报,2012(04):202-206.

范祖良.新能源汽车电池无线充电功率控制系统设计[J].科技创新与应用,2020(24):73-74+77.

基金:2019年福建省中青年教师教育科研项目(编号:JAT191535);