基于復合拓撲結構的AGV大功率無線充電系統設計

宋 麗1,孫崇書2,魯海寧,魯康平

(1. 煙臺科技學院,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

隨著科技的進步和社會的發展,新能源汽車受到越來越多的關注。目前,有線充電是新能源汽車主要充電方式,通過充電樁進行電能傳輸,達到充電的目的。實際充電過程中出現了很多問題,諸如一個充電樁不能同時為多輛汽車充電,導致排隊充電的問題越來越嚴重[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具有廣闊應用前景[7]。

目前,在無線充電系統拓撲結構中,通常有S-S和LCCL兩種功率拓撲,具有不同的電氣特點和控制特性。在S-S拓撲結構中,工作頻率為81.38～90 kHz,當發射端和接收端兩邊LC的諧振點相同時,工作效率比較高,而在實際應用中接收端的LC諧振頻率總是和發射端的諧振頻率很難達到嚴格一致。為此提出基于復合拓撲結構的AGV大功率無線充電系統設計。

1 無線充電模塊設計

無線充電系統參數設計如表1。

表1 無線充電系統參數

無線充電系統包含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,可搭配不同參數系統拓撲和線圈,實現多種參數測試試驗。

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,低壓模式可實現正常系統拓撲參數下10 kW輸出;高壓模式電壓調節范圍為DC400～DC950 V,實現高壓低流輸出狀態,當低壓模式不能滿足輸出功率時使用;輸出接線至高頻逆變模塊的直流輸入側。AC/DC模塊設計參數如表2所示。

表2 AC/DC 模塊設計參數

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撲;逆變模塊自帶一塊高精度觸摸屏,可手動設置參數、控制系統、監控系統狀態參數等,系統自帶上位機,可用CAN分析儀連接電腦后,遠程有線控制。系統具有極高的開源性能,可設置系統各類參數實現不同控制需求。DC/AC模塊設計參數如表3所示,模塊原理如圖1所示,發射模塊軟件控制如圖2所示。

圖1 系統原理圖

圖2 發射模塊軟件控制框圖

表3 DC/AC模塊設計參數

1.3 整流模塊

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

圖3 整流模塊設計

1.4 IVU通信控制模塊

設計功能。第一,具備溫度采樣,可采機箱環境溫度,具備過溫保護;第二,直流輸出電壓檢測、電流檢測;第三,控制開關(可設計系統軟開關,自動休眠);第四,PWM調節(預留);第五,開關量采樣(BMS連接狀態,高壓互鎖);第六,通信功能(與發射端的 WIFI 通信,與同步整流模塊的CAN通信,帶5 V電源,CAN協議編制,與BMS的CAN通信);第七,實現根據電池需求充電電壓電流實現自動輸出調節;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 拓撲參數設計

2.1 地面拓撲參數設計

拓撲:S-S拓撲結構可試驗驗證;預留LCCL硬件空間,可更改為LCCL拓撲。S-S拓撲參數參考:諧振電容容值30 nF,線圈電感感量120 μH。地面參考設備的電路如圖5所示,諧振補償網絡的電氣參數如表4所示。地面線圈感量參考設計如表5所示。

圖5 地面參考設備的主電路拓撲

表4 地面參考設備的電氣參數

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

2.2 接收拓撲參數設計

MF-WPT3車載參考設備的主電路設計如圖6所示。

圖6 MF-WPT3車載參考設備的主電路拓撲

車載參考設備諧振補償網絡的電氣參數設計如表6所示。

表6 車載參考設備的電氣規格參數

接收線圈感量參考設計入表7所示。

表7 車載參考設備的電氣規格參數 單位:μH

3 無線充電系統控制狀態設計

不同充電流程階段,無線充電系統各部分也處于不同控制狀態。下面分別就地面側和車載側進行設計。

3.1 充電流程

AGV無線充電系統充電流程如圖7。

圖7 充電流程圖

3.2 地面側裝置狀態設置

地面側裝置有系統開機(WPT_S_ON)、啟動服務(WPT_S_SI)、等待對齊(WPT_S_AA)、系統空閑(WPT_S_IDLE)、功率傳輸(WPT_S_PT)、服務中止并占用(WPT_S_STO)、系統關閉(WPT_S_OFF)、休眠(WPT_S_SLP)、待機(WPT_S_STBY)等不同狀態(圖8)。在WPT_S_ON狀態下,供電端裝置不進行功率傳輸,其通信功能正常。供電端裝置可以對外廣播自己是可用的,并能夠與車載側建立連接。在響應車載側的連接建立請求時,將退出WPT_S_ON狀態。在WPT_S_SI狀態下,車載側與地面側建立了通信。如果供電端裝置具備相應功能,車載側也可以要求供電端裝置提供精確定位支持服務。連接成功并啟動對齊支持功能后,狀態WPT_S_SI正常退出。在WPT_S_AA狀態下,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狀態是供電端裝置對齊并配對確定后的狀態,但是準備功率傳輸的一些參數還需要交換,同時需要激活安全系統。在WPT_S_PT狀態下,供電端裝置向EV端裝置傳輸電能,安全監視和診斷活動處于活動狀態,以確保電能傳輸過程的完整性。在該狀態下,車載側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置為零來暫停功率傳輸。在WPT_S_STO狀態下,已經中止了功率傳輸,并且已經終止了與車載側控制器的通信;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。在WPT_S_OFF狀態下,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。當供電端裝置可以進行功率傳輸時,會立即退出此狀態。

圖8 地面側裝置狀態圖

3.3 車載側裝置狀態

車載側裝置設置系統開機(WPT_V_ON)、啟動服務(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(WPT_V_STBY)、關閉(WPT_V_OFF)等不同的狀態(圖9)。在WPT_V_AA狀態,EV 端裝置等待副邊和原邊裝置對齊。在WPT_V_IDLE狀態,車載側與地面側建立通信,并與原邊設備配對;未準備好功率傳輸,此狀態下檢查安全功能的可用性。

圖9 車載側裝置狀態圖

3.4 A通信連接狀態圖

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,以實現地面側和車載側安全、高效的能量傳輸。

車載側和地面側設備的充電流程共4個狀態,可分為通信未連接、通信連接、待機、充電,如圖10所示。

圖10 充電狀態

設計的無線充電模型示意如圖11。為了驗證設計的可行性,制作了相關實物模型進行試驗,如圖12所示。

圖11 無線充電示意圖

圖12 實驗模型

通過上述的模擬實驗模型對充電過程中的功率進行了模擬,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

通過實驗結果分析:可以看出設計的無線充電系統的電壓紋波因數0.4%,電流紋波因數2.7%,充電電壓、電流穩定,充電功率高,系統穩定可靠。

4 結論

本文設計的無線充電系統可兼容S-S和LCCL兩種功率拓撲結構。在設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,在頻率范圍81.38～90 kHz之間調整過程,采樣電流最大值所對應的頻率就是最佳工作頻率,再通過調節PWM占空比和PFC模塊的輸出電壓來實現充電功率的控制。在LCCL拓撲系統結構中,工作頻率為85.5 kHz,定頻輸出,通過調節PWM占空比和PFC模塊輸出電壓來試驗充電功率的控制,更優的設計為接收端增加DC/DC功率變換,來實現輸出電壓可控可調。