邱興陽，梁鋒林，鄭維清，鄭德山

微型電動汽車動態(tài)無線充電技術(shù)的研究

邱興陽，梁鋒林，鄭維清，鄭德山

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學院 自動化工程系，福建 莆田 351119）

研究了基于無線充電技術(shù)的微型電動汽車動態(tài)充電系統(tǒng)。當微型電動汽車需要充電時經(jīng)無線充電模塊發(fā)出充電請求信號，信號經(jīng)充電控制器采集并通過ZigBee模塊傳送至后臺協(xié)同管理中心，由后臺協(xié)同控制管理軟件分析處理實時控制充電控制器的充電狀態(tài)，完成微型電動汽車的無線充電。相對于有線充電，無線充電更加安全和靈活，具有重要的研究意義。

電動汽車；動態(tài)；無線充電

隨著社會的發(fā)展和科技的進步，能源問題與環(huán)保問題顯得越來越突出，發(fā)展和普及電動汽車等新能源汽車的呼吁也越來越多，電力驅(qū)動車輛成為汽車工業(yè)研究、開發(fā)和使用的熱點[1]。隨著國內(nèi)外純電動汽車和插電式混合動力汽車的量產(chǎn)和銷售越來越多，對其采用充電技術(shù)而言，現(xiàn)在市面上的電動汽車充電方式全部采用直接接觸充電，非接觸式的無線充電技術(shù)處于剛起步階段[2]。國內(nèi)外多家研究機構(gòu)和汽車生產(chǎn)商已經(jīng)開始研究無線充電技術(shù)在電動汽車上的應用，從便利性來看應用無線充電技術(shù)給電動汽車動力電池充電優(yōu)勢更加突出，從使用性來看非接觸式無線充電技術(shù)更適用[3]。無線充電根據(jù)能量轉(zhuǎn)換機制的不同一般可分為3種：電磁感應式充電、磁耦合共振充電、微波充電，由于微波充電效率較低一般不用于電動汽車的充電領域，故電動汽車的無線充電一般采用前兩種方法[4]。利用無線充電技術(shù)可以改變電動汽車繁瑣的充電方式，甚至可以實現(xiàn)電動汽車在行駛過程中進行自動充電，實現(xiàn)充電的智能化、人性化，同時解決接觸式充電在維護和安全方面存在的問題[5]。本文搭建了微型電動汽車無線充電系統(tǒng)，用來驗證和優(yōu)化電動車協(xié)同充電的調(diào)度算法，采用模糊控制算法，能夠迅速找尋電動汽車充電最佳位置，實現(xiàn)充電效率最高化，效率能超過70%，減少充電費用并保證電網(wǎng)的安全運行。

1 系統(tǒng)總體設計方案

無線充電的原理就是通過發(fā)射裝置將電能轉(zhuǎn)化成電磁波后發(fā)射出去，接收裝置接收到電磁波后再通過電力電子裝置將其轉(zhuǎn)換為電能[6]。電動汽車無線充電技術(shù)的一個關鍵性能指標是能量傳輸效率，無線充電發(fā)送裝置和接受裝置的振蕩頻率匹配程度以及無線充電裝置中耦合變壓器的耦合系數(shù)對能量傳輸效率產(chǎn)生的影響最大[7]。本文針對微型電動汽車采用磁耦合共振充電，動態(tài)充電系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示。在本系統(tǒng)中要求微型電動汽車具有自動行駛功能、信息采集功能、無線通信功能。充電控制器具有智能化的控制功能，包括充電信號計量采集功能和無線通信功能。而協(xié)同控制中心具有數(shù)據(jù)儲存、分析和處理功能，當然也具備無線通信功能。

圖1 微型電動汽車動態(tài)充電系統(tǒng)框圖

2 無線充電系統(tǒng)的硬件設計

2.1 無線接收端的硬件設計

無線接收端微型電動汽車的控制器采用51單片機，硬件框架如圖2所示?？刂破鞑捎媚：刂频乃惴?，電動車自動行駛到充電位置停穩(wěn)后，車子的磁極位置固定后即進行最佳位置搜索，由步進電機驅(qū)動磁極運動，同時微型電動汽車的信息采集系統(tǒng)，不斷掃描無線發(fā)送端的電壓電流信號，并將信號儲存。單片機會一直掃描步進電機運行時電壓電流值，步進電機運行一次，控制器就掃描一次，將掃描值與前一次的檢測值進行比較，所得到的掃描值與儲存值之間的差值大于上一次檢測值與儲存值的差值，則步進電機會繼續(xù)運行，直到掃描值與儲存值之差比上一次的值小，則找到最佳坐標位置。由于車子的坐標位置是由X軸和Y軸決定的，所以在搜索最佳坐標位置是先找出X軸的坐標點，然后再找Y軸的最佳坐標點。圖中的紅外傳感器是電動汽車自動行駛時用來找尋初始充電位置，ZigBee模塊是用來與后臺協(xié)同管理控制中心進行通訊，上傳數(shù)據(jù)以及接收控制命令。

圖2 無線接收端的硬件框架

無線接收端的充電模塊采用芯科泰公司的XKT-R2芯片，該芯片具有大電流充電功能，寬電壓設計工藝以及穩(wěn)壓功能。根據(jù)微型電動汽車的12 V充電電壓需求，電路設計如圖3所示。

圖3 無線接收端充電電路設計

2.2 無線發(fā)送端的硬件設計

電動汽車充電時如果不進行管理，可能影響到電網(wǎng)的供配電，因此為了避免電動車充電時給電網(wǎng)造成供配電壓力，就要對電動汽車的充電過程進行監(jiān)測控制[8]。停車場每一個充電位都對應一個充電控制器，控制核心處理器采用STM32F103芯片，輔于紅外傳感器、電能計量模塊、電能控制模塊等外部器件或電路實現(xiàn)微型電動汽車的智能充電，硬件框架如圖4所示。充電控制器首先通過ZigBee模塊與后臺協(xié)同中心通訊，獲得電動汽車的充電需求信息，然后去控制PWM和電能控制模塊來實現(xiàn)對高頻逆變電源電路的開啟和充電速度控制。圖中的電能計量模塊是當充電開啟時用來對電網(wǎng)的電能進行計量，紅外傳感器是用來檢測電動汽車是否在充電區(qū)域，顯示模塊用來顯示充電停車位的充電詳細信息。

圖4 停車場充電控制器框架結(jié)構(gòu)

發(fā)送端的無線發(fā)射模塊采用XKT-801芯片，該芯片是一款遠距離大功率充電芯片，輸出電壓是通過調(diào)節(jié)電阻改變其電壓大小，內(nèi)部含有高頻共振電路，具有頻率自鎖、自檢負載、功率自動控制、高效電磁能量轉(zhuǎn)換、高速傳送輸電能量等優(yōu)點[6]，電路設計如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件協(xié)同通信

系統(tǒng)由軟件發(fā)送端、接收端和上位機(后臺協(xié)同控制中心)3大部分構(gòu)成。電動汽車動態(tài)無線充電模型的上位機與發(fā)送端、接收端主要是進行信號傳遞和人機交互。微型電動汽車自身的參數(shù)信息和充電控制器采集到的充電計量信息，由ZigBee通信模塊傳達至上位機后，通過后臺協(xié)同控制中心設置的軟件算法對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，然后將處理過的數(shù)據(jù)信息指令下發(fā)送給停車場充電控制器和微型電動汽車，完成整個微型電動汽車充電系統(tǒng)的協(xié)同控制，系統(tǒng)的充電流程如圖6所示。系統(tǒng)的后臺協(xié)同中心軟件控制界面如圖7所示。

ZigBee通信模塊具有節(jié)點容量大、低功耗、短延時、傳輸安全可靠等優(yōu)點，還可以支持不同的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)在應用時要對其進行設置。ZigBee模塊有3種節(jié)點類型：路由器、協(xié)調(diào)器以及終端節(jié)點。在本系統(tǒng)中后臺協(xié)同控制中心負責系統(tǒng)的全盤調(diào)度，對于ZigBee模塊來說其網(wǎng)絡通訊的核心是協(xié)調(diào)器，負責組網(wǎng)而且要讓所有信息都傳送至協(xié)調(diào)器中，所以在使用時把協(xié)同控制中心的ZigBee模塊設置成協(xié)調(diào)器。充電控制器的ZigBee模塊設置為路由器，微型電動汽車上的ZigBee模塊設置為終端節(jié)點，兩者之間的區(qū)別是路由器能夠進行信息參數(shù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，而終端節(jié)點只能對數(shù)據(jù)信息進行收發(fā)。在使用時，后臺協(xié)同控制中心與充電控制器進行通信協(xié)議設定，具體通信參數(shù)信息設定如表1和表2所示。

圖6 系統(tǒng)的充電流程

表1 充電控制器到后臺協(xié)同中心的通信協(xié)議

位數(shù)012345~67~1112~1617~2122~23 內(nèi)容停車場標識停車場序號停車位序號工作狀態(tài)錯誤標志車子編號電池電壓充電電流功率終止標識

表2 后臺協(xié)同中心到充電控制器的通信協(xié)議

位數(shù)0~45~8910111213~1414~15 內(nèi)容前綴短地址間隔停車場序號停車位序號開關控制車子編號終止標識

3.2 協(xié)同充電調(diào)度算法

通常用戶一般會選擇在電價最低時對電動汽車充電，這樣有可能造成該時段形成電網(wǎng)負荷峰值，使得停車場所配備的變壓器容量不夠，會影響電網(wǎng)的使用安全。為了解決這一問題，本文提出針對同一配電變壓器下電動汽車無線充電的協(xié)同調(diào)度算法。電動汽車協(xié)同充電調(diào)度算法流程如圖8所示。

式中：Ctransformer是變壓器的容量，是除了電動汽車充電功率之外其他各用電設備總負荷估算值。

為了防止電動汽車在不超限的時隙內(nèi)因不按照上述最佳充電序列進行充電而導致超限，變壓器負荷管理系統(tǒng)應按式(4)來計算各電動汽車的充電功率上限。

至此，對電動汽車充電采用協(xié)同控制調(diào)度可以保證其按最佳充電序列進行充電，并確保在整個調(diào)度區(qū)內(nèi)不超限，從而避免變壓器過載運行，抑制負荷波動，提高配電電網(wǎng)的穩(wěn)定性，降低用戶的充電費用[9]。

4 實驗結(jié)果分析

根據(jù)上述系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計完成了微型電動汽車充電模型搭建。電動車現(xiàn)場充電電壓與電流的波形如下所示。圖9是單輛微型電動車的充電電壓、充電電流波形圖，充電壓在13～14 V之間，充電電流2.2 A左右。圖10是兩輛微型電動車的充電電壓、充電電流波形圖，充電壓在12～13 V之間，充電電流2 A左右。

對不同負載的微型電動汽車進行充電實驗中，記錄了不同時刻的充電電壓、充電電流。具體實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

圖9 單輛微型電動車充電電壓、電流

圖10 兩輛微型電動車充電電壓、電流

表3 不同時刻的電動汽車充電電壓、電流

充電時間/h單輛微型電動汽車 兩輛微型電動汽車 充電電壓/V充電電流/A充電電壓/V充電電流/A 0～0.513.32.1812.92.10 0.5～1.014.21.8813.91.82 1.0～1.514.61.6314.31.60 1.5～2.015.20.7815.00.72 2.0～2.515.40.2315.20.21 2.5～3.015.80.0215.60.02 3.0～3.516.20.0116.00.01 3.5～4.016.80.0016.60.00

從表3可以看出，當充電電壓達到15.6 V左右時，處于涓流充電模式，充電電流很小。通過實驗可以得出結(jié)論，電動小車在3 h左右就可以充滿，證明該設計方案的充電效率較高，達70%左右，充電時間短也能同時說明系統(tǒng)的充電費用較低的優(yōu)點。

5 結(jié)論

目前我國的無線充電相關技術(shù)大多處于研究驗證階段，本文介紹了一種基于無線充電技術(shù)的微型電動汽車動態(tài)充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用協(xié)同調(diào)度算法，避免變壓器過載，影響電網(wǎng)的正常運行，建立多臺電動汽車的最佳充電序列，有效地降低了充電費用。本系統(tǒng)可以用于游樂場的微型電動汽車充電，也可以應用于兒童玩具車充電，具有一定的實用意義和使用價值。

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Research on Dynamic Wireless Charging Technology for Micro Electric Vehicle

QIU Xing-yang, LIANG Feng-lin, ZHENG Wei-qing, ZHENG De-shan

（Department of Automation Engineering, Meizhouwan Vocational Technology College, Putian 351119, China）

The paper studies the dynamic charging system for micro electric vehicles based on wireless charging technology. When the micro electric vehicle needs to be charged, the wireless charging module sends out a charging request signal, the signal is collected by the charging controller and transmitted to the background collaborative management center through ZigBee module, and the charging state of the real-time controller is analyzed and processed by the background collaborative control management software, so as to complete the wireless charging of the micro electric vehicle. Compared with wired charging, wireless charging is safer and more flexible, which has important research significance.

electric vehicle; dynamic; wireless charging

TN99

A

1674-3261(2021)02-0099-06

10.15916/j.issn1674-3261.2021.02.007

2020-08-11

福建省中青年教師教育科研項目(JZ181027)

邱興陽(1981-)，男，福建仙游人，講師，碩士。

責任編校：孫 林