范祖良

摘 ?要：以磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，利用ZigBee短距離無線通信技術(shù)設(shè)計了新能源汽車鋰電池?zé)o線充電功率控制系統(tǒng)。利用負反饋閉環(huán)自動控制原理控制伺服電機調(diào)整磁耦合線圈的耦合系數(shù)，最終實現(xiàn)無線充電系統(tǒng)功率精準(zhǔn)控制。應(yīng)用Matlab/Simulink進行搭接和數(shù)據(jù)仿真分析，結(jié)果表明通過調(diào)節(jié)線圈磁耦合系數(shù)來調(diào)整鋰電池的充電功率控制是可行的。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;磁耦合諧振;無線充電;功率閉環(huán)控制;ZigBee

中圖分類號：TM724 文獻標(biāo)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(shù)的不斷完善，該技術(shù)在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用也日益增多。無線電能傳輸技術(shù)在智能手機上應(yīng)用也由原來的銷售噱頭功能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵱霉δ芫褪且粋€很好的例子。近年來隨著新能源電動汽車行業(yè)的崛起，新能源汽車在現(xiàn)有汽車保有量中的比例也在逐年增加。但是傳統(tǒng)的固定樁式充電設(shè)備由于建設(shè)成本和建設(shè)方式的原因?qū)е鲁潆姌稊?shù)增加的速度遠遠低于新能源汽車數(shù)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(shù)在生產(chǎn)生活中的下一階段目標(biāo)就是將其應(yīng)用于新能源汽車實現(xiàn)車輛無線充電。采用無線電能傳輸技術(shù)實現(xiàn)的新能源汽車無線充電方式可以進一步提高充電設(shè)施與現(xiàn)有停車位的匹配度，進一步降低建設(shè)成本，縮短建設(shè)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(yīng)用無線電能傳輸技術(shù)實現(xiàn)無線充電，將利用ZigBee短距離無線通信組網(wǎng)技術(shù)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(guān)鍵信息傳送至磁耦合諧振的發(fā)射線圈控制模塊，從而實現(xiàn)無線電能充電系統(tǒng)的負反饋閉環(huán)功率控制。

1 無線電能傳輸技術(shù)

無線電能傳輸技術(shù)是一種借助于物理空間中的能量載體，基于非導(dǎo)線接觸方式，實現(xiàn)電能傳輸?shù)募夹g(shù)[1]。磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)示意圖見圖1。

2 短距離無線通信系統(tǒng)

新能源汽車無線充電系統(tǒng)是一個公共設(shè)施，一個停車位中的無線充電系統(tǒng)需要給不同的車輛進行充電服務(wù)，所以在系統(tǒng)中負責(zé)信息采集和反饋的短距離無線通信系統(tǒng)必須具備自動連接、自動修復(fù)，通信系統(tǒng)間互不干擾的特點。目前技術(shù)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(chuàng)建于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)。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(wǎng)訪問。Bluetooth藍牙技術(shù)，主要用于短距離點對點應(yīng)用類附屬設(shè)備間通信、或與計算機、手機終端等實現(xiàn)信息交互和傳輸。ZigBee中文翻譯為紫蜂協(xié)議，采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是一種低速度、近距離傳輸無線通信技術(shù)。ZigBee具有能耗低、價格低、時延短、容量大等優(yōu)點。由于ZigBee無線通信技術(shù)的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為毫瓦級別且不工作時可以進入休眠狀態(tài)，普通的一節(jié)1.5伏干電池即可維持?jǐn)?shù)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(shù)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(tài)激活的時延是毫秒級別的，從設(shè)備搜索、連接到實現(xiàn)通信僅需幾十毫秒的時間。同時ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)具有很強的自組網(wǎng)能力和自修復(fù)能力。

綜上不難得出在Wifi、Bluetooth和ZigBee三種無線通信技術(shù)中，ZigBee無線通信技術(shù)在能耗、建設(shè)成本、聯(lián)網(wǎng)時間、自組網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)自修復(fù)能力上都更勝一籌。所以在新能源汽車電池?zé)o線充電系統(tǒng)中將采用ZigBee無線通信系統(tǒng)來實現(xiàn)負反饋控制信息的數(shù)據(jù)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(huán)自動控制系統(tǒng)設(shè)計

目前新能源汽車中都是應(yīng)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(yīng)、不含污染環(huán)境的重金屬等諸多優(yōu)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(dǎo)致充電時間過長或者充電過程中溫升過高導(dǎo)致鋰電池壽命縮短甚至發(fā)生爆炸的危險。所以提出利用ZigBee無線通信技術(shù)作為進行鋰電池狀態(tài)信息負反饋通道。利用伺服電機實現(xiàn)磁耦合諧振線圈間距離、正對面積等參數(shù)的調(diào)整從而改變諧振線圈耦合系數(shù)，實現(xiàn)新能源汽車鋰電池?zé)o線充電系統(tǒng)的功率閉環(huán)自動控制。

3.1 ZigBee組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模式選擇

ZigBee組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模式包括單播數(shù)據(jù)傳輸模式、組播數(shù)據(jù)傳輸模式和廣播數(shù)據(jù)傳輸模式。在新能源汽車電池?zé)o線充電功率控制系統(tǒng)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(tǒng)是不固定的，所以采用廣播數(shù)據(jù)傳輸模式是最合適的。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)選擇

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層拓撲結(jié)構(gòu)包括星型、網(wǎng)狀型和樹型。在新能源汽車電池?zé)o線充電功率控制系統(tǒng)中，負責(zé)電壓、電流和溫度信號采集的傳感器終端節(jié)點安裝在汽車鋰電池區(qū)域，接收信號的協(xié)調(diào)器、路由器則采用預(yù)埋暗敷的形式安裝在停車位中。當(dāng)車輛駛?cè)刖邆錈o線充電功能的停車位時，預(yù)埋在停車位下方的充電設(shè)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(yīng)車位下方的協(xié)調(diào)器或路由器進行通信即可，所以對于信息發(fā)射的覆蓋范圍要求不高。所以星型拓撲結(jié)構(gòu)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(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)中的負反饋信號是利用ZigBee短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)鋰電池狀態(tài)信息傳輸。無線充電功率閉環(huán)控制系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。當(dāng)車輛駛?cè)胪＼囄缓髩毫鞲衅鲗毫Ω袘?yīng)信號轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送至中心控制器;中心控制器啟動停車位中的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)協(xié)調(diào)器與車輛中對應(yīng)的終端節(jié)點建立網(wǎng)絡(luò)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(fā)射線圈與電網(wǎng)交流電的連接，并啟動伺服電機調(diào)節(jié)磁耦合諧振線圈間的距離、正對面積等參數(shù)來提高兩線圈間的磁耦合系數(shù)，此時發(fā)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(tài)。

3.3.1 鋰電池溫度異常時功率閉環(huán)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(jié)點實時的采集對應(yīng)的目標(biāo)信息并采用周期輪轉(zhuǎn)的形式向協(xié)調(diào)器上報數(shù)據(jù)信息。當(dāng)鋰電池溫度超過預(yù)設(shè)的三級上限溫度時，溫度傳感器終端節(jié)點將在最近的通信周期內(nèi)報警信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器;協(xié)調(diào)器將接收到的溫度報警信息上報給系統(tǒng)中心控制器，中心控制器向伺服電機發(fā)送控制命令。伺服電機啟動后帶動磁耦合諧振發(fā)射線圈移動，通過調(diào)節(jié)發(fā)射線圈與接收線圈間的距離、正對面積等參數(shù)來降低磁耦合諧振線圈的耦合系數(shù)，從而實現(xiàn)對汽車鋰電池的充電功率控制。

一段時間后若溫度恢復(fù)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(shù)，再次提高無線電能傳輸功率。若在某個無線通信周期數(shù)據(jù)發(fā)送前溫度終端傳感器節(jié)點采集的溫度超過預(yù)設(shè)的二級上限溫度，控制器再次向伺服電機發(fā)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(shù)，從而進一步降低無線充電系統(tǒng)的發(fā)射功率。同時通過短信等方式向停車場管理系統(tǒng)值班人員和車主發(fā)送告警信息并啟動車位聲光告警系統(tǒng)，以便停車場管理員和車主快速找到問題車輛。

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

3.3.2 鋰電池電壓、電流傳感器終端節(jié)點實現(xiàn)充電功率閉環(huán)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(tǒng)時汽車電池側(cè)的電壓傳感器終端節(jié)點先采集鋰電池電壓。電壓傳感器終端節(jié)點將電壓信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器最終達到系統(tǒng)中心控制器。若鋰電池電壓低于門限電壓，控制器發(fā)送控制命令驅(qū)動伺服電機動作，調(diào)整諧振線圈參數(shù)實現(xiàn)發(fā)射線圈以小功率傳輸電能實現(xiàn)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(jié)點將采集到的電流信號發(fā)送至協(xié)調(diào)器，最終到達中心控制器。該電流信號是充當(dāng)伺服電機閉環(huán)控制的負反饋信號以便控制器更精準(zhǔn)的伺服電機的動作，以便更精確地實現(xiàn)鋰電池以0.1C涓細電流充電[3]。

當(dāng)鋰電池電壓達到上限電壓時，協(xié)調(diào)器接收到該信息并傳送至中心控制器[4]?？刂破靼l(fā)送控制命令驅(qū)動伺服電機運行，再次調(diào)節(jié)線圈參數(shù)使得電池充電電流保持0.1C的涓細電流繼續(xù)充電。在進入涓細電流充電狀態(tài)時同時啟動控制器內(nèi)的定時器，30分鐘后控制器切斷磁耦合諧振發(fā)射線圈與交流電源的連接，到此鋰電池充電結(jié)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(shù)據(jù)仿真分析。在理想情況下諧振線圈中的發(fā)射線圈與接收線圈同軸的情況下耦合互感系數(shù)M≈式中0為真空中的磁導(dǎo)率、r為線圈半徑、N為線圈匝數(shù)、d為線圈距離。從公式中不難推出在磁導(dǎo)率？滋0、線圈匝數(shù)N不變時，耦合系數(shù)與線圈距離成負相關(guān)與等效面積半徑成正相關(guān)。線圈發(fā)射功率與耦合系數(shù)函數(shù)關(guān)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(shù)是成正相關(guān)的，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)改變耦合系數(shù)從而實現(xiàn)功率控制是可行的。

5 結(jié)論

無線電能傳輸技術(shù)在新能源汽車充電中的應(yīng)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(shù)應(yīng)用于汽車鋰電無線充電系統(tǒng)作為鋰電池狀態(tài)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(shù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了新能源汽車鋰電池在不同充電階段的精準(zhǔn)功率閉環(huán)控制，為新能源汽車無線充電技術(shù)的研究提供一種方案。

參考文獻：

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