新能源汽車電池無線充電功率控制系統設計

范祖良

摘 ?要：以磁耦合諧振無線電能傳輸技術為基礎，利用ZigBee短距離無線通信技術設計了新能源汽車鋰電池無線充電功率控制系統。利用負反饋閉環自動控制原理控制伺服電機調整磁耦合線圈的耦合系數，最終實現無線充電系統功率精準控制。應用Matlab/Simulink進行搭接和數據仿真分析，結果表明通過調節線圈磁耦合系數來調整鋰電池的充電功率控制是可行的。

關鍵詞：新能源汽車;磁耦合諧振;無線充電;功率閉環控制;ZigBee

中圖分類號：TM724 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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，隨著無線電能傳輸技術的不斷完善，該技術在現實生活中的應用也日益增多。無線電能傳輸技術在智能手機上應用也由原來的銷售噱頭功能逐漸轉變為實用功能就是一個很好的例子。近年來隨著新能源電動汽車行業的崛起，新能源汽車在現有汽車保有量中的比例也在逐年增加。但是傳統的固定樁式充電設備由于建設成本和建設方式的原因導致充電樁數增加的速度遠遠低于新能源汽車數量的增長速度，從而造成新能源汽車的充電難問題日益突出。無線傳輸技術在生產生活中的下一階段目標就是將其應用于新能源汽車實現車輛無線充電。采用無線電能傳輸技術實現的新能源汽車無線充電方式可以進一步提高充電設施與現有停車位的匹配度，進一步降低建設成本，縮短建設的周期同時也能夠降低后期的維護難度和維護成本。為了更好地在新能源汽車中應用無線電能傳輸技術實現無線充電，將利用ZigBee短距離無線通信組網技術來進行通信。將新能源汽車電池組中安裝的傳感器所采集的電壓、電流和溫升等關鍵信息傳送至磁耦合諧振的發射線圈控制模塊，從而實現無線電能充電系統的負反饋閉環功率控制。

1 無線電能傳輸技術

無線電能傳輸技術是一種借助于物理空間中的能量載體，基于非導線接觸方式，實現電能傳輸的技術[1]。磁耦合諧振式無線電能傳輸系統示意圖見圖1。

2 短距離無線通信系統

新能源汽車無線充電系統是一個公共設施，一個停車位中的無線充電系統需要給不同的車輛進行充電服務，所以在系統中負責信息采集和反饋的短距離無線通信系統必須具備自動連接、自動修復，通信系統間互不干擾的特點。目前技術相對成熟具備實用能力的短距離無線通信方式主要包括Wifi、Bluetooth和ZigBee。

Wifi是Wireless Fidelity的英文縮寫，是一個創建于IEEE 802.11標準的無線局域網技術。目前Wifi主要用于家庭、辦公室、機場、圖書館、咖啡廳休閑場所的高速因特網訪問。Bluetooth藍牙技術，主要用于短距離點對點應用類附屬設備間通信、或與計算機、手機終端等實現信息交互和傳輸。ZigBee中文翻譯為紫蜂協議，采用IEEE 802.15.4標準是一種低速度、近距離傳輸無線通信技術。ZigBee具有能耗低、價格低、時延短、容量大等優點。由于ZigBee無線通信技術的傳輸速率低，發射功率僅為毫瓦級別且不工作時可以進入休眠狀態，普通的一節1.5伏干電池即可維持數年的待機工作所需;ZigBee模塊成本低目前售價在幾十元之間，隨著技術的進一步成熟相信將來價格會更低;ZigBee通信時延和從休眠狀態激活的時延是毫秒級別的，從設備搜索、連接到實現通信僅需幾十毫秒的時間。同時ZigBee無線通信網絡具有很強的自組網能力和自修復能力。

綜上不難得出在Wifi、Bluetooth和ZigBee三種無線通信技術中，ZigBee無線通信技術在能耗、建設成本、聯網時間、自組網和通信網絡自修復能力上都更勝一籌。所以在新能源汽車電池無線充電系統中將采用ZigBee無線通信系統來實現負反饋控制信息的數據通信。

3 新能源汽車中基于磁耦合諧振的無線充電功率閉環自動控制系統設計

目前新能源汽車中都是應用鋰電池組進行電能的存儲，鋰蓄電池相比較于其它電池而言體積更小、比能量更高、無記憶效應、不含污染環境的重金屬等諸多優點[2]。但是鋰電池在充電過程對充電模式有較高的要求，如果沒有采用合適的充電策略會引起充電效率低、充電速度慢，導致充電時間過長或者充電過程中溫升過高導致鋰電池壽命縮短甚至發生爆炸的危險。所以提出利用ZigBee無線通信技術作為進行鋰電池狀態信息負反饋通道。利用伺服電機實現磁耦合諧振線圈間距離、正對面積等參數的調整從而改變諧振線圈耦合系數，實現新能源汽車鋰電池無線充電系統的功率閉環自動控制。

3.1 ZigBee組網數據傳輸模式選擇

ZigBee組網數據傳輸模式包括單播數據傳輸模式、組播數據傳輸模式和廣播數據傳輸模式。在新能源汽車電池無線充電功率控制系統中，由于每一輛新能源汽車在不同的時間、不同的地點接入的充電系統是不固定的，所以采用廣播數據傳輸模式是最合適的。

3.2 ZigBee網絡拓撲結構選擇

ZigBee網絡層拓撲結構包括星型、網狀型和樹型。在新能源汽車電池無線充電功率控制系統中，負責電壓、電流和溫度信號采集的傳感器終端節點安裝在汽車鋰電池區域，接收信號的協調器、路由器則采用預埋暗敷的形式安裝在停車位中。當車輛駛入具備無線充電功能的停車位時，預埋在停車位下方的充電設備距離底盤距離近且中間無任何遮擋和障礙物，同時每輛新能源汽車只需與對應車位下方的協調器或路由器進行通信即可，所以對于信息發射的覆蓋范圍要求不高。所以星型拓撲結構是最適合的方式。

3.3 基于磁耦合諧振的無線充電功率閉環控制系統設計

系統中的負反饋信號是利用ZigBee短距離無線通信網絡實現鋰電池狀態信息傳輸。無線充電功率閉環控制系統組成示意圖如圖2所示。當車輛駛入停車位后壓力傳感器將壓力感應信號轉換成電信號發送至中心控制器;中心控制器啟動停車位中的ZigBee無線網絡，當協調器與車輛中對應的終端節點建立網絡連接確定該車位新能源汽車且滿足正常充電條件的情況下，控制器接通磁耦合諧振發射線圈與電網交流電的連接，并啟動伺服電機調節磁耦合諧振線圈間的距離、正對面積等參數來提高兩線圈間的磁耦合系數，此時發射線圈以最大功率輸出電能新能源汽車鋰電池進入無線充電狀態。

3.3.1 鋰電池溫度異常時功率閉環控制原理

在鋰電池充電過程中，電壓、電流和溫度傳感器終端節點實時的采集對應的目標信息并采用周期輪轉的形式向協調器上報數據信息。當鋰電池溫度超過預設的三級上限溫度時，溫度傳感器終端節點將在最近的通信周期內報警信息發送至協調器;協調器將接收到的溫度報警信息上報給系統中心控制器，中心控制器向伺服電機發送控制命令。伺服電機啟動后帶動磁耦合諧振發射線圈移動，通過調節發射線圈與接收線圈間的距離、正對面積等參數來降低磁耦合諧振線圈的耦合系數，從而實現對汽車鋰電池的充電功率控制。

一段時間后若溫度恢復正常且電池仍未充滿，則控制器再次控制伺服電機動作提高磁耦合諧振線圈的耦合系數，再次提高無線電能傳輸功率。若在某個無線通信周期數據發送前溫度終端傳感器節點采集的溫度超過預設的二級上限溫度，控制器再次向伺服電機發送控制命令，伺服電機通過動作進一步降低磁耦合諧振線圈的耦合系數，從而進一步降低無線充電系統的發射功率。同時通過短信等方式向停車場管理系統值班人員和車主發送告警信息并啟動車位聲光告警系統，以便停車場管理員和車主快速找到問題車輛。

當系統出現一級溫度告警后，為確保安全無線充電系統將無法自行進入充電狀態。要再次進入充電狀態必須同時滿足兩個條件：（1）溫度已經降到安全水平;（2）停車場管理系統中的無線充電確認按鈕手動復位。

3.3.2 鋰電池電壓、電流傳感器終端節點實現充電功率閉環控制原理

鋰電池采用恒壓恒流即恒功率充電模式時，新能源汽車鋰電池在剛接入磁耦合諧振無線充電系統時汽車電池側的電壓傳感器終端節點先采集鋰電池電壓。電壓傳感器終端節點將電壓信息通過無線網絡發送至ZigBee協調器最終達到系統中心控制器。若鋰電池電壓低于門限電壓，控制器發送控制命令驅動伺服電機動作，調整諧振線圈參數實現發射線圈以小功率傳輸電能實現對鋰電池進行以0.1C的涓細電流充電。此時鋰電池端的電流傳感器終端節點將采集到的電流信號發送至協調器，最終到達中心控制器。該電流信號是充當伺服電機閉環控制的負反饋信號以便控制器更精準的伺服電機的動作，以便更精確地實現鋰電池以0.1C涓細電流充電[3]。

當鋰電池電壓達到上限電壓時，協調器接收到該信息并傳送至中心控制器[4]。控制器發送控制命令驅動伺服電機運行，再次調節線圈參數使得電池充電電流保持0.1C的涓細電流繼續充電。在進入涓細電流充電狀態時同時啟動控制器內的定時器，30分鐘后控制器切斷磁耦合諧振發射線圈與交流電源的連接，到此鋰電池充電結束。

4 仿真驗證

為驗證無線充電功率的可控性，利用了Matlab/Simulink進行搭接和數據仿真分析。在理想情況下諧振線圈中的發射線圈與接收線圈同軸的情況下耦合互感系數M≈式中0為真空中的磁導率、r為線圈半徑、N為線圈匝數、d為線圈距離。從公式中不難推出在磁導率？滋0、線圈匝數N不變時，耦合系數與線圈距離成負相關與等效面積半徑成正相關。線圈發射功率與耦合系數函數關系圖示見圖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是成正相關的，通過閉環控制系統改變耦合系數從而實現功率控制是可行的。

5 結論

無線電能傳輸技術在新能源汽車充電中的應用將會進一步地促進新能源汽車的普及。將ZigBee短距離無線通信技術應用于汽車鋰電無線充電系統作為鋰電池狀態負反饋信號的傳輸渠道。利用中心控制器利用負反饋信號精確的控制伺服電機對磁耦合線圈距離、正對面積等參數的調節，實現了新能源汽車鋰電池在不同充電階段的精準功率閉環控制，為新能源汽車無線充電技術的研究提供一種方案。

參考文獻：

[1]黃學良，王維，譚林林.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術研究動態與應用展望[J].電力系統自動化，2017（2）：2-14+141.

[2]陳超，謝瑞，何湘寧.電動汽車車載鋰電池分段充電策略研究[J].機電工程，2011（7）：887-890，900.

[3]何秋生，徐磊，吳雪雪.鋰電池充電技術綜述[J].電源技術，2013（08）：185-187.

[4]楊陽，湯桃峰，秦大同，等.電動汽車鋰電池PNGV等效電路模型與SOC估算方法[J].系統仿真學報，2012（04）：202-206.