劉大龍

(廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)部，廣東 增城　511325)

基于PID控制的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)智能斷電設(shè)計(jì)

劉大龍

(廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)部，廣東 增城511325)

摘要：通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的智能斷電設(shè)計(jì)可以為充電汽車提供安全保護(hù)的同時(shí)還能節(jié)約電力能源，傳統(tǒng)的充電斷電設(shè)計(jì)采用互感耦合I/O中斷控制方法，當(dāng)充電線圈電磁分布出現(xiàn)脈沖干擾時(shí)，斷電實(shí)時(shí)性不好。提出一種基于PID控制的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)智能斷電控制算法并進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行了電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)電能傳輸原理和結(jié)構(gòu)分析，電動(dòng)汽車的充電磁共振模式采用平面線圈構(gòu)建，通過(guò)兩個(gè)線圈進(jìn)行電磁感耦合，得到電動(dòng)汽車的電磁場(chǎng)3D分布圖。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了斷電控制算法的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)主要包括了電動(dòng)車斷電的傳感器模塊設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)增益控制模塊設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、PCI總線設(shè)計(jì)和A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)硬件電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進(jìn)行電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的智能斷電控制，初級(jí)側(cè)電流和逆變器的輸出電壓在軸向偏移下具有較好的負(fù)載過(guò)載反應(yīng)能力，斷電控制準(zhǔn)確性較好，性能優(yōu)越。

關(guān)鍵詞：PID控制；電動(dòng)汽車；充電系統(tǒng)；智能斷電

電動(dòng)汽車是采用交流電充電作為能源的一種新型交通工具，電動(dòng)汽車具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，將成為未來(lái)汽車的動(dòng)力發(fā)展的一個(gè)新方向，電動(dòng)汽車的智能充電問(wèn)題成為制約電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸技術(shù)，必須通過(guò)改進(jìn)和普及電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)，才能有效促進(jìn)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的智能斷電裝置設(shè)計(jì)可以為充電汽車提供安全保護(hù)的同時(shí)還能節(jié)約電力能源。研究電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)智能斷電設(shè)計(jì)方法具有重要意義[1]。

當(dāng)前，對(duì)電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)智能斷電控制設(shè)計(jì)方法主要采用基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)智能斷電控制方法，基于支持向量機(jī)控制的斷電控制方法，基于耦合系數(shù)互感電磁場(chǎng)控制的斷電控制方法等，但是傳統(tǒng)方法對(duì)充電系統(tǒng)斷電控制中會(huì)因?yàn)殡姶艌?chǎng)分布的脈沖干擾和互感耦合導(dǎo)致充電系統(tǒng)斷電出現(xiàn)誤差和失真，斷電控制性能不好[2-3]。對(duì)此，相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[4]提出一種基于智能斷電系統(tǒng)耦合控制的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用兩個(gè)DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行了電動(dòng)汽車的智能斷電控制信號(hào)的射頻識(shí)別，采用RFID技術(shù)提高了系統(tǒng)的可靠性，但是該系統(tǒng)的計(jì)算開(kāi)銷較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不好[5-8]。針對(duì)這些問(wèn)題，提出一種基于PID控制的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)智能斷電控制算法并進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行了電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)電能傳輸原理和結(jié)構(gòu)分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了斷電控制算法的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了智能斷電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能驗(yàn)證，展示了算法在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)智能斷電控制中的優(yōu)越性能，得出有效性結(jié)論。

1電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)模型

電動(dòng)汽車采用感應(yīng)電能進(jìn)行充電和斷電，在進(jìn)行電動(dòng)汽車智能斷電系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先分析電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的原理，電動(dòng)汽車充電示意圖如圖1所示。

圖1　電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)示意圖

電動(dòng)汽車采用超導(dǎo)永磁電機(jī)進(jìn)行直流充電，電機(jī)模型電流矢量特征方程為：

(1)

式中L11，L22——接收端的電感值和電磁繞阻自感；

M——互感值；

v1，v2——線圈序列磁共振的輸入電壓和輸出電壓；

ψ1和ψ2——共振頻率和磁鏈。

電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的耦合系數(shù)定義為：

(2)

電動(dòng)汽車的充電磁共振模式采用平面線圈構(gòu)建，通過(guò)兩個(gè)線圈進(jìn)行電磁感耦合，得到電動(dòng)汽車的電磁場(chǎng)3D分布如圖2所示。

圖2　電動(dòng)汽車充電線圈磁場(chǎng)分布3D結(jié)構(gòu)

圖2中，電動(dòng)汽車充電線圈采用半橋LLC諧振電路建立包含初級(jí)側(cè)的變壓器模型，當(dāng)電流矢量誤差超出充電線圈磁場(chǎng)分布范圍內(nèi)，通過(guò)Neumann方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，得到充電系統(tǒng)的電勢(shì)感應(yīng)特征信息代價(jià)方程為：

Lx=(1-k2)L11

(3)

Lmx=k2L11

(4)

(5)

式中：μ0=4π×10-1。

通過(guò)這些設(shè)計(jì)，使得電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較固定，具有可靠的供電輸出。通過(guò)上述分析，電動(dòng)汽車充電過(guò)程簡(jiǎn)要描述如圖3所示。

圖3　電動(dòng)汽車充電過(guò)程

2基于PID控制的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

在進(jìn)行了電動(dòng)汽車充電原理描述和系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行斷電控制算法設(shè)計(jì)，電動(dòng)車充電系統(tǒng)的智能斷電控制是保證充電系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)，在過(guò)載和滿電等情況下實(shí)現(xiàn)智能斷電，提高安全性能的同時(shí)節(jié)約能源開(kāi)銷。提出一種基于PID控制的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)智能斷電控制算法，接收器通過(guò)PID控制計(jì)算得出電機(jī)系統(tǒng)在時(shí)刻的電勢(shì)差信息：

(6)

(7)

在時(shí)間t，在電勢(shì)過(guò)負(fù)荷的情況下在觀測(cè)參考時(shí)間m(1.2.3…n)的無(wú)線電能傳輸電流有效值計(jì)算公式為：

(8)

采用并聯(lián)電容方式結(jié)合PID模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，得到共振線圈的電磁場(chǎng)特征用Am0Bm0Cm0表示，負(fù)載為R0上電流有效值的偏移坐標(biāo)用△Am，△Bm，△Cm表示，該電動(dòng)車斷電的三維控制方程公式為：

(9)

線圈序列在磁共振模式下同時(shí)向斷電系統(tǒng)終端發(fā)送控制指令時(shí)，壓縮碼傳輸完成識(shí)別定位實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車充電系統(tǒng)的智能斷電。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

結(jié)合上述系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)模型和控制算法，進(jìn)行基于PID控制的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)智能斷電設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)主要包括了電動(dòng)車斷電的傳感器模塊設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)增益控制模塊設(shè)計(jì)和復(fù)位電路設(shè)計(jì)以及PCI總線設(shè)計(jì)和A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)等，電動(dòng)車斷電系統(tǒng)中所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　電動(dòng)車充電系統(tǒng)斷電控制的線圈控制結(jié)構(gòu)

圖4中，磁共振電能傳輸下電動(dòng)車充電系統(tǒng)斷電控制線圈1電流有效值為Is，不同的激勵(lì)方式下的斷電系統(tǒng)共振線圈2上電流有效值Ir、充電汽車的負(fù)載電阻Ro上電流控制的有效輸出Io，計(jì)算結(jié)果分別為：

(10)

(11)

(12)

采用SRAM構(gòu)建智能斷電系統(tǒng)的ARM主控模塊，得到斷電系統(tǒng)主控電路的輸出功率為：

(13)

采用遠(yuǎn)程模塊化平臺(tái)控制方法進(jìn)行斷電閾值的門限檢測(cè)，斷電系統(tǒng)在最大功率的補(bǔ)償電壓輸出和互感值為：

(14)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用ADUM1201和PCA82C250設(shè)計(jì)電動(dòng)車斷電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)增益控制模塊，在動(dòng)態(tài)增益控制中，次級(jí)側(cè)輸出電壓流過(guò)Lmx的電流為：

(15)

構(gòu)建半橋LLC諧振逆變器用于存放智能斷電控制芯片DSP的加載數(shù)據(jù)，復(fù)位電路采用分立元件構(gòu)成，OUT變高，復(fù)位撤除，得到智能斷電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)增益控制電路如圖5所示。

圖5　智能斷電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)增益控制電路

圖5中，當(dāng)電源VCC上電時(shí)，單片P監(jiān)控ADM706的輸出增益，在電動(dòng)汽車充電中的上電、掉電以及降壓情況下進(jìn)行智能斷電，設(shè)計(jì)AD5545電流電壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，電流電壓轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6　電流電壓轉(zhuǎn)換電路

圖6中，電動(dòng)車智能斷電系統(tǒng)的接口采用簡(jiǎn)單的3線制接口，采用AD780產(chǎn)生電壓3.5V的基準(zhǔn)，Vout管腳和模擬地之間加10和0.1的去藕電容，由此實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車智能斷電系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，得到斷電系統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

圖7　集成電路設(shè)計(jì)結(jié)果

4仿真實(shí)驗(yàn)與性能測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于PID控制的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)智能斷電控制系統(tǒng)的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中運(yùn)放供電的+220V，調(diào)節(jié)的數(shù)字量ΔD=65 536×V/5，兩路D/A同時(shí)輸出最小值0V，開(kāi)發(fā)AT25HP512進(jìn)行PID控制算法的在線程序加載和讀寫，把本文設(shè)計(jì)的PID控制算法加載成Matlab文件燒寫到EEPROM中，配合AT25HP512的時(shí)序進(jìn)行斷電控制和電動(dòng)車充電的過(guò)載保護(hù)。采用INSTEKPST3202 可編程芯片進(jìn)行混合示波器設(shè)計(jì)和控制輸出測(cè)量，上電檢查通過(guò)后，進(jìn)行電動(dòng)汽車充電過(guò)程中過(guò)壓保護(hù)的斷電功能測(cè)試，系統(tǒng)的各個(gè)元件參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1。

表1　電動(dòng)汽車斷電控制系統(tǒng)各元件參數(shù)值

基于仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行電動(dòng)汽車斷電控制仿真，得到電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)智能斷電控制的輸出電流和電壓變量時(shí)域變化圖如圖8和圖9所示。

圖8　輸出電壓過(guò)載下斷電控制結(jié)果

圖9　輸出電流過(guò)載時(shí)斷電控制結(jié)果

從圖8和圖9可見(jiàn)，采用本文方法進(jìn)行電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的智能斷電控制，初級(jí)側(cè)電流和逆變器的輸出電壓在軸向偏移下具有較好的負(fù)載過(guò)載反應(yīng)能力，斷電控制準(zhǔn)確性較好，性能優(yōu)越。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的智能斷電設(shè)計(jì)可以為充電汽車提供安全保護(hù)的同時(shí)還能節(jié)約電力能源，傳統(tǒng)的充電斷電設(shè)計(jì)采用互感耦合I/O中斷控制方法，當(dāng)充電線圈電磁分布出現(xiàn)脈沖干擾時(shí)，斷電實(shí)時(shí)性不好。提出一種基于PID控制的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)智能斷電控制算法并進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行了電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)電能傳輸原理和結(jié)構(gòu)分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了斷電控制算法的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了智能斷電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能驗(yàn)證，展示了本文算法在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)智能斷電控制中的優(yōu)越性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的智能斷電控制，初級(jí)側(cè)電流和逆變器的輸出電壓在軸向偏移下具有較好的負(fù)載過(guò)載反應(yīng)能力，斷電控制準(zhǔn)確性較好，性能優(yōu)越，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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(本文編輯：趙艷粉)

Intelligent Power-off Design for Electric Vehicle Charging System Based on PID Control

LIU Da-long

(DepartmentofMechanicalandElectricalandInformationEngineering,HualiCollegeofGuangdongUniversityofTechnology,Zengcheng511325,China)

Abstract:The intelligent power-off design of electric vehicle (EV) charging system can provide the safety protection of the charging car and save power energy. The traditional design adopts the mutual inductance coupling I/O power-off control method, but has poor real-time power-off control performance in the event of pulse interference in charging coil electromagnetic distribution. This paper proposes an intelligent power-off control algorithm for EV charging system based on PID control and conducts the hardware design of the system. Firstly, the electric energy transmission principle and structure analysis of the EV charging system are carried out. The magnetic resonance mode of EV charging is constructed by using the planar coil. The electromagnetic 3D distribution of the EV is obtained by using two coils. Thereupon, the power control algorithm of PID neural network algorithm is designed, and hardware circuit design mainly includes the sensor module design of EV power, dynamic gain control module design, reset circuit design, PCI bus design and A/D converter circuit design. System test results show that this intelligent power-off control of EV charging system is superior in control accuracy and performance and the primary side current and the output voltage of the inverter has good overload response capability.

Key words:PID control; electric vehicle; charging system; intelligent power-off

DOI：10.11973/dlyny201601015

基金項(xiàng)目：2012年質(zhì)量工程立項(xiàng)文件粵教高函[2012]204號(hào)

作者簡(jiǎn)介：劉大龍(1976)，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姽る娮蛹夹g(shù)和控制科學(xué)與技術(shù)。

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)01-0070-05

收稿日期：2015-10-22