基于复合拓扑结构的AGV大功率无线充电系统设计

宋 丽1,孙崇书2,鲁海宁,鲁康平

(1. 烟台科技学院,山东 烟台 265600;2.蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司,山东 烟台 265600;3.山东蓬翔汽车有限公司,山东 烟台 265600)

0 引言

随着科技的进步和社会的发展,新能源汽车受到越来越多的关注。目前,有线充电是新能源汽车主要充电方式,通过充电桩进行电能传输,达到充电的目的。实际充电过程中出现了很多问题,诸如一个充电桩不能同时为多辆汽车充电,导致排队充电的问题越来越严重[1-3],以及不可忽视的安全隐患——有线充电时存在漏电的安全隐患。

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)的出现能够方便地解决上述问题,不需要物理接触便能为各种用电设备充电[4-6]。无线充电作为一种安全、可靠、便利的供电手段,对减少蓄电池数量,减轻电动汽车蓄电池载重提供了一种可行性思路。利用WPT在不增大电池容积的情况下,提升电动汽车行驶里程,因而无线电能传输技术具有广阔应用前景[7]。

目前,在无线充电系统拓扑结构中,通常有S-S和LCCL两种功率拓扑,具有不同的电气特点和控制特性。在S-S拓扑结构中,工作频率为81.38～90 kHz,当发射端和接收端两边LC的谐振点相同时,工作效率比较高,而在实际应用中接收端的LC谐振频率总是和发射端的谐振频率很难达到严格一致。为此提出基于复合拓扑结构的AGV大功率无线充电系统设计。

1 无线充电模块设计

无线充电系统参数设计如表1。

表1 无线充电系统参数

无线充电系统包含4个独立模块:AC/DC模块、高频逆变模块、整流模块及IVU通信控制模块,可搭配不同参数系统拓扑和线圈,实现多种参数测试试验。

1.1 AC/DC模块

采用华为R95021G1功率模块,其供电为三相交流 380 V,为高频逆变模块提供直流输入,输出电压分高低压模式,低压模式可实现正常系统拓扑参数下10 kW输出;高压模式电压调节范围为DC400～DC950 V,实现高压低流输出状态,当低压模式不能满足输出功率时使用;输出接线至高频逆变模块的直流输入侧。AC/DC模块设计参数如表2所示。

表2 AC/DC 模块设计参数

1.2 高频逆变模块

DC/AC高频逆变模块。将直流输入变换为高频交流输出,输出接线至地面端线圈拓扑;逆变模块自带一块高精度触摸屏,可手动设置参数、控制系统、监控系统状态参数等,系统自带上位机,可用CAN分析仪连接电脑后,远程有线控制。系统具有极高的开源性能,可设置系统各类参数实现不同控制需求。DC/AC模块设计参数如表3所示,模块原理如图1所示,发射模块软件控制如图2所示。

图1 系统原理图

图2 发射模块软件控制框图

表3 DC/AC模块设计参数

1.3 整流模块

采用SiC整流器实现全桥整流,输出300～500 V,电流60 A;具备保护功能,过压、过流、过温保护等;接收谐振电容在接收控制箱内,谐振电容散热不良时灌封导热胶;接收控制中心采用STM32单片机,实现对接收整流模块的信号采样,逻辑控制,如图3所示。

图3 整流模块设计

1.4 IVU通信控制模块

设计功能。第一,具备温度采样,可采机箱环境温度,具备过温保护;第二,直流输出电压检测、电流检测;第三,控制开关(可设计系统软开关,自动休眠);第四,PWM调节(预留);第五,开关量采样(BMS连接状态,高压互锁);第六,通信功能(与发射端的 WIFI 通信,与同步整流模块的CAN通信,带5 V电源,CAN协议编制,与BMS的CAN通信);第七,实现根据电池需求充电电压电流实现自动输出调节;第八,LED指示灯(板上指示)。

硬件供电12 V,支持9～16 V电源工作;IVU通信控制板对外接口如下(图4)所示。

图4 IVU通信控制模块

2 拓扑参数设计

2.1 地面拓扑参数设计

拓扑:S-S拓扑结构可试验验证;预留LCCL硬件空间,可更改为LCCL拓扑。S-S拓扑参数参考:谐振电容容值30 nF,线圈电感感量120 μH。地面参考设备的电路如图5所示,谐振补偿网络的电气参数如表4所示。地面线圈感量参考设计如表5所示。

图5 地面参考设备的主电路拓扑

表4 地面参考设备的电气参数

表5 地面设备线圈自感值Lp在不同离地间隙、不同功率等级下的范围 单位:μH

2.2 接收拓扑参数设计

MF-WPT3车载参考设备的主电路设计如图6所示。

图6 MF-WPT3车载参考设备的主电路拓扑

车载参考设备谐振补偿网络的电气参数设计如表6所示。

表6 车载参考设备的电气规格参数

接收线圈感量参考设计入表7所示。

表7 车载参考设备的电气规格参数 单位:μH

3 无线充电系统控制状态设计

不同充电流程阶段,无线充电系统各部分也处于不同控制状态。下面分别就地面侧和车载侧进行设计。

3.1 充电流程

AGV无线充电系统充电流程如图7。

图7 充电流程图

3.2 地面侧装置状态设置

地面侧装置有系统开机(WPT_S_ON)、启动服务(WPT_S_SI)、等待对齐(WPT_S_AA)、系统空闲(WPT_S_IDLE)、功率传输(WPT_S_PT)、服务中止并占用(WPT_S_STO)、系统关闭(WPT_S_OFF)、休眠(WPT_S_SLP)、待机(WPT_S_STBY)等不同状态(图8)。在WPT_S_ON状态下,供电端装置不进行功率传输,其通信功能正常。供电端装置可以对外广播自己是可用的,并能够与车载侧建立连接。在响应车载侧的连接建立请求时,将退出WPT_S_ON状态。在WPT_S_SI状态下,车载侧与地面侧建立了通信。如果供电端装置具备相应功能,车载侧也可以要求供电端装置提供精确定位支持服务。连接成功并启动对齐支持功能后,状态WPT_S_SI正常退出。在WPT_S_AA状态下,供电端装置正在等待副边线圈和原边线圈对齐。在EV端装置成功完成对齐并对齐完成指示后,配对过程已成功完成。WPT_S_IDLE状态是供电端装置对齐并配对确定后的状态,但是准备功率传输的一些参数还需要交换,同时需要激活安全系统。在WPT_S_PT状态下,供电端装置向EV端装置传输电能,安全监视和诊断活动处于活动状态,以确保电能传输过程的完整性。在该状态下,车载侧控制器可以通过请求零功率或通过供电端装置将最大可传输功率设置为零来暂停功率传输。在WPT_S_STO状态下,已经中止了功率传输,并且已经终止了与车载侧控制器的通信;但是电动汽车仍然占用停车位,因此供电端装置无法为其他用户提供服务。在WPT_S_OFF状态下,供电端装置不能用于功率传输。可以使用通信通道来指示供电端装置处于WPT_S_OFF状态。当供电端装置可以进行功率传输时,会立即退出此状态。

图8 地面侧装置状态图

3.3 车载侧装置状态

车载侧装置设置系统开机(WPT_V_ON)、启动服务(WPT_V_SI)、等待对齐(WPT_V_AA)、空闲(WPT_V_IDLE)、功率传输激活(WPT_V_PTA)、功率传输(WPT_V_PT)、休眠(WPT_V_SLP)、待机(WPT_V_STBY)、关闭(WPT_V_OFF)等不同的状态(图9)。在WPT_V_AA状态,EV 端装置等待副边和原边装置对齐。在WPT_V_IDLE状态,车载侧与地面侧建立通信,并与原边设备配对;未准备好功率传输,此状态下检查安全功能的可用性。

图9 车载侧装置状态图

3.4 A通信连接状态图

电动汽车无线充电过程中,地面通信控制单元(CommunIcatIonServIceUnIt,CSU)和车载通信控制单元(In-VehIcleUnIt,IVU)需要交互各种信息,以实现地面侧和车载侧安全、高效的能量传输。

车载侧和地面侧设备的充电流程共4个状态,可分为通信未连接、通信连接、待机、充电,如图10所示。

图10 充电状态

设计的无线充电模型示意如图11。为了验证设计的可行性,制作了相关实物模型进行试验,如图12所示。

图11 无线充电示意图

图12 实验模型

通过上述的模拟实验模型对充电过程中的功率进行了模拟,得到的功率曲线如图13所示。电压和电流纹波曲线如图14、图15所示。

图13 充电功率曲线

图14 电压纹波曲线

图15 电流纹波曲线

通过实验结果分析:可以看出设计的无线充电系统的电压纹波因数0.4%,电流纹波因数2.7%,充电电压、电流稳定,充电功率高,系统稳定可靠。

4 结论

本文设计的无线充电系统可兼容S-S和LCCL两种功率拓扑结构。在设计中采用频率跟踪算法保持充电过程中的最佳效率,主要通过采集线圈电流和电压电流的相位差实现,在频率范围81.38～90 kHz之间调整过程,采样电流最大值所对应的频率就是最佳工作频率,再通过调节PWM占空比和PFC模块的输出电压来实现充电功率的控制。在LCCL拓扑系统结构中,工作频率为85.5 kHz,定频输出,通过调节PWM占空比和PFC模块输出电压来试验充电功率的控制,更优的设计为接收端增加DC/DC功率变换,来实现输出电压可控可调。