超級電容巴士自動充電系統的設計

章 錦 顏亮亮 王祥賀

1．上海奧威科技開發有限公司

2．同濟大學

0 引言

電動汽車充電方式主要有三種商業模式：換電模式、大型集中充電站模式和站臺充電樁模式。其中，換電模式和大型集中充電站模式主要適合于鉛酸電池、鋰離子電池等慢充類儲能方式，而快充電池、超級電容器儲能方式的新能源汽車，則需要充電系統能夠對車輛快速地識別定位，完成充電的連接，快速地充電。超級電容器因其高功率密度、相對較低的能量密度的特性，更需要解決如何快速充電的問題。近年來，新能源全自動充電成了研究新方向，特斯拉自主研發了一款蛇型機器人自動充電裝置[1]，整個過程無需人員的參與，通過蛇形充電樁機器人自動尋找充電口，但結構復雜，控制運動速度緩慢，充電時間較長。德國大眾公司研發名為E-SMARTConnect的快速自動充電系統[2]，采用的是小型機器人+電纜來實現，系統需要人工開啟，結構龐大。國內，對新能源汽車全自動充電的研究還處于起步階段，尚未見到商業化示范的報道。黎陽生[3]通過視覺CCD攝像機提取和跟蹤色塊信標，為機器人對接作引導、定準，但存在圖像處理算法復雜，難以快速識別，同時對接容忍度上還有缺陷，需要進一步提高精度。此外，石建軍[4]研究了基于光伏轉化的移動機器人自主充電系統，施瑩[5]等采用機器人和視覺傳感器，可實現電動汽車自動充電系統的插接自動化和精確控制，但系統的平衡和效率還有待提高。隨著2003年德國倍福公司提出的EtherCAT現場總線協議，其數據傳輸速度可以最快高達100M bit/s的工業以太網技術，具有極小的循環時間、高同步性、易用性和低成本特性，迅速在工業中得到應用，謝香林[6]通過EtherCAT網絡和DSP芯片，開發了EtherCAT從站設備，可實現運動系統高精度的位置控制。

本文通過在插槍充電系統的基礎上，構建了基于PC控制的大功率自動充電系統，控制單元采用高速運算的Beckhoff嵌入式PC控制器，通過EtherCAT協議總線，結合激光定位和多軸運動控制，實現充電系統對以超級電容作為儲能單元的新能源汽車快速、精準、全自動的對接，最終達到無需人員參與，一鍵啟動充電的目的。同時充電系統和車輛的信息實時交互，提高了超級電容巴士的充電效率和安全性。

1 自動充電系統的實現

基于嵌入式PC作為主控單元的自動充電系統的充電示意圖如圖1所示。

圖1 自動充電系統充電示意圖

超級電容巴士到站前，充電系統掃描車輛上的射頻電子標簽信號，識別目標車輛。完成識別后，充電系統自動連接車輛上的WIFI熱點，準備接受車輛的充電指令。當車輛駐車后，司機按下充電按鈕，PC控制器執行定位程序，通過激光以及超聲波的引導，四軸電機的運動，將充電插頭插入到車側的充電插座內，完成充電連接。充電過程中，PC控制器與車載超級電容系統無線通信，可按照超級電容系統的電壓電流需求，實時調整充電樁的輸出功率，對車輛柔性充電。充電結束后，超級電容系統發送停止充電指令，PC控制器驅動四軸電機回歸到零點位置，將充電連接器收回，司機亦可在任何條件下通過操作按鈕中止充電，PC控制器根據信號停止充電，充電結束。

2 自動充電系統的總體設計

2.1 自動充電系統的組成

自動充電系統的組成框圖，分為車載和站臺部分，如圖2所示。

圖2 自動充電系統的組成框圖

車載部分包括充電防護門、充電插座、超級電容管理系統（BMS）、整車控制器（EVCU）、駕駛室充電啟動按鈕、Y軸定位標志（激光反射貼膜）、Z軸定位標志（激光反射貼膜）、射頻電子標簽、WIFI熱點模塊。

站臺部分由充電防護門、充電插頭、嵌入式PC控制器、激光傳感器、備用激光傳感器、超聲波傳感器、射頻讀卡器、WIFI終端模塊、R軸伺服電機、X軸伺服電機、Y軸伺服電機、Z軸伺服電機組成。

2.2 自動充電系統的控制單元組成

硬件控制單元由Beckhoff嵌入式PC控制器CX5120-0115以及EtherCAT端子組成。Ether-CAT端子包括：8通道PNP型數字量輸入端子模塊EL1008、8通道PNP型數字量輸出端子模塊EL2008、4通道模擬量輸入端子模塊EL3054（4~20 mA）、2通道RS422/RS485串口端子模塊EL6022。PC控制器通過485轉WIFI模塊以實現和車輛的無線通信。自動充電系統的控制單元框圖如圖3所示。

圖3 控制單元框圖

2.3 自動充電系統的運動單元組成

自動充電系統的運動單元主要由伺服驅動器和伺服電機組成，共有四個軸（X軸、Y軸、Z軸、R軸）可以自由運動，每個軸上均安裝一個伺服電機，PC控制器CX5120-0115通過遠程控制接觸器的閉合，給伺服系統供電，通過EtherCAT總線與松下MINASA6B系列伺服驅動器組網連接，同時電機的位置信號通過編碼器反饋給伺服驅動器，運用Beckhoff公司的運動控制軟件TwinCAT NC PTP最終實現對電機的閉環控制。自動充電系統的伺服系統電路圖，如圖4所示。

圖4 伺服系統電路圖

2.4 自動充電系統的路徑規劃

1）充電連接

充電開始，通過超聲波及激光信號的引導，PC控制器依次控制R軸、Y軸、Z軸、X軸伺服電機驅動充電插頭運行到定位位置，完成插槍過程，建立充電樁和車輛的充電連接。四軸運動的路徑，如表1所示。

表1 四軸的運動路徑

R軸，旋轉軸，驅動充電插頭水平角度轉動。

Y軸，與車輛行駛方向平行，驅動充電插頭左右移動。

Z軸，與車輛高度方向平行，驅動充電插頭上下移動。

X軸，與車輛充電接口垂直，驅動充電插頭前后移動。

2）定位運動

PC控制器控制Y軸、Z軸伺服電機驅動滑臺從位置0 mm運動到350 mm，激光傳感器掃過車輛上的反射貼膜，PC控制器收到反饋信號后記錄此時的電機位置Y1、Y2、……Yn以及Z1、Z2……Zn。PC控制器建立二維數組模型，計算出的插座中心點位置Yx、Zx。Y軸電機的定位運動圖例，如圖5所示。Z軸電機的定位運動圖例，如圖6所示。

圖5 Y軸電機的定位運動

圖6 Z軸電機的定位運動

3）充電結束

充電連接完成后，充電樁對車輛進行充電，充電結束后或司機按下充電停止開關，PC控制器控制充電樁停止輸出，依次驅動X軸、Z軸、Y軸、R軸伺服電機回歸到零點位置，完成充電插頭的收回。

3 自動充電系統軟件設計

3.1 軟件總體設計

軟件系統采用Beckhoff的嵌入式PC（型號CX5130）作為主控制單元，并采用TwinCAT3軟件編程，除了實現運動控制，還通過模擬量通道實現對超聲波傳感器（對充電插頭和車輛充電接口的距離進行測量）、激光傳感器距離信號的采集，數字量輸入通道接收接觸器反饋信號、射頻信號，數字量輸出通道驅動接觸器、指示燈、蜂鳴器、防護門的動作。

充電樁與車輛充電接口的距離Xrms表示如下:

考慮到在電機運動時記錄的y、z軸位移值測量誤差問題，由于多數隨機誤差都服從正態分布，設被測量值的真值為L0，一系列測量值為li，則測量列的隨機誤差δi可表示為：

式中i=1,2,…,n。

正態分布的密度f(δ)與分布函數F(δ)為：

式中，σ——標準差（或均方根誤差）

其平均誤差為：

由式(3)可知，由于誤差的補償性，隨測量次數的增加，隨機誤差的算術平均值趨向于0。

由式(1)可知：

綜上，電機掃描判定插座中心水平位置YX、插座中心豎直位置ZX表示如下:

自動充電系統主程序流程圖，如圖7所示：

圖7 自動充電系統主程序流程圖

3.2 定位模塊軟件設計

通過調用TC2_MC2庫中的MC_MoveAbsolute功能塊，實現對電機的驅動，如圖8所示。

圖8 MC_MoveAbsolute功能塊

定位程序流程圖，如圖9所示。

圖9 定位程序流程圖

定位程序如下所示：

poweron();//軸上使能

absmove();//絕對運動

reset();//清除錯誤

y_velocityread:=axis2．Nc ToPlc．ActVelo;

y_positionread:=axis2．Nc ToPlc．ActPos;

IFyerrorid<>0 THEN//故障清除

resety:=1;

END_IF

IFglobal．zhome=0 THEN

IFglobal．rdone=1 AND y_positionread=0

THEN//R軸運動完成，執行Y軸掃描運動

global．yhome:=0;

resety:=0;//清reset

power:=1;

execute2:=1;

setposition:=350;

setvelocity:=175;

ELSIF y_positionread=350 THEN

execute2:=1;

setposition:=global．ylazer[50];

setvelocity:=175;

state:=1;

ELSIF state=1 AND y_positionread=global．ylazer[50]AND global．ylazer[50]>0 THEN

global．ydone:=1;

state:=0;

END_IF

ELSIF global．zhome=1 THEN//Z軸歸零，執行Y軸歸零運動

IF y_positionread=global．ylazer[50]THEN

execute2:=1;

setposition:=0;

setvelocity:=175;

ELSIF y_positionread=0 THEN//Y軸歸零運動完成，下使能

power:=0;

execute2:=0;

global．yhome:=1;

END_IF

END_IF

IF global．zhome=0 AND y_positionread>=200 AND j<=100 THEN//模擬掃描激光膜

global．ylazer[j]:=y_positionread;

j:=j+1;

ELSIF global．yhome=1 AND j<>1 THEN

j:=j-1;

global．ylazer[j]:=0;

END_IF

4 實驗結果與分析

通過Beckhoff公司的TwinCAT3軟件中的Visualization功能，在組態界面中插入輸入、輸出以及顯示控件，可以模擬實現充電的啟動和停止，并通過觀察四軸電機的運動速度、所在位置以及完成的狀態，判斷軟件的執行情況。運動仿真頁面圖如圖10所示。

圖10 運動仿真頁面

通過調用TwinCAT3軟件中的Measurement中的Scope YTNC功能，可實時觀察并記錄四軸電機的運動過程中的絕對位置、相對位置、速度、加速度、跟隨誤差，得知自動充電系統的對接過程和運動軌跡。

R軸電機的運動波形，如圖11所示,通過仿真模擬試驗，顯示R軸電機從0度轉動到90度，經歷了一次加速減速過程，最高轉動速度45°/s。

圖11 R軸電機運動波形圖

Y軸電機的運動波形，如圖12所示,Y軸電機四次加速減速，從位置0 mm運動到最大量程350 mm，最高線速度200 mm/s，其間掃描過車輛行駛上方向的反射膜，記錄對應的電機的位置，PC控制器計算出插座水平的中心點，又從350 mm處運動到插座水平中心點位置。

圖12 Y軸電機運動波形圖

Z軸電機的運動波形，如圖13所示,Z軸電機四次加速減速，從位置0 mm運動到最大量程350 mm，最高線速度200 mm/s，其間掃描過車輛垂直方向上的反射膜，記錄對應的電機位置，PC控制器計算出的插座垂直中心點，又從350 mm處運動到插座垂直中心點位置。

圖13 Z軸電機運動波形圖

X軸電機的運動波形，如圖14所示,X軸電機從0 mm轉動到600 mm位置處，經歷了一次加速減速過程，最高線速度300 mm/s，模擬將充電槍插入到充電插座中。至此整個過程完成了本文2．4節中的路徑規劃。

圖14 X軸電機運動波形圖

如圖15所示為自動充電裝置圖，此時R軸位于90°即充電狀態。如圖16、17所示，對接裝置除充電插頭接口外，在其左右兩側裝有兩個機械引導孔，與充電插頭上機械引導裝置對應，用于對充電樁插頭進行機械引導使充電插頭準確對接，最大可以容納±3．25 cm誤差。

圖15 自動充電樁成品圖

圖16 車載對接裝置接口圖

圖17 車載側對接裝置圖

5 結論

由仿真試驗可知，整個充電連接過程可以在5s內完成，實現對車輛上的充電插座的識別、定位、連接，系統響應速度較快。通過R軸電機的驅動實現了充電插頭的釋放及回收，提高了充電連接器的防護等級；Y軸電機的驅動解決了車輛行駛方向上駐車誤差影響，可接受最大350 mm偏差；Z軸電機的驅動解決了車輛負載以及車輛高度變化對充電連接的影響，可接受車輛0~350 mm的上下浮動變化；X軸電機的驅動解決了車輛距離充電裝置遠近的影響，可接受0~600 mm誤差范圍。通過以上四軸的運動，降低了對司機的泊車停靠要求，增強了自動充電系統的容忍性。在插槍充電系統的基礎上，基于PC控制技術開發的大功率自動直流充電裝置，可實現對超級電容巴士快速、精準的充電連接，最終達到無需人員參與，自動充電的目的。