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                        電動汽車充電實現無線傳能控制系統

                        添加時間:2018/08/13 來源:天津工業大學 作者:婁貴鑫
                        電動車的發展,促使了對電動汽車的充電需求的提高,而無線傳能技術能夠很大程度上解決電動汽車的充電問題,為電動車充電提供了一種有效的解決方案,勢必會成為W后電動車充電市場的主流產品之一。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          隨著全球環境的惡化,一次能源的日益缺乏,綠色能源中的電能成為其中的侵伎者,而電動汽車更是其在交通領域應用的翅楚。電動汽車的動為來源于電池,受當前動力電池技術水平的制約,電池的體積問題、環保問題、使用壽命問題和單次充電時間過長問題成為了限制電動車發展的主要問題和推廣的瓶頸。

                          電動汽車充電的主要方式有:接觸式和非接觸式兩種,接觸式的充電方式現在己經在電動車上應用廣泛,但這種方式存在諸多問題,如當接觸式充電使用快速充電模式時,其充電電流非常的大,會直接對局域電網產生影響,并對整個電網的穩定性產生隱患,接觸式充電插接操作繁瑣且費時費力十分不方便,當線材老化時會帶來一系列的安全問題。相對于接觸式充電,非接觸式充電電能通過埋在路面下的發射挺置無線的方式傳送給接收裝置,從而使電動車少搭載甚至無需搭載儲能電池組、延長續航里程、提高電能供給的便捷性和安全性。

                          本文首先對磁共振式無線傳能的原理從數學和電路兩個角度進行了闡述。對比四種常用無線傳能拓撲結構,確定了系統選用雙串聯補償拓撲結構。對系統從數學和電路角度,建立了控制算法模型,為實際系統設計提供指導。

                          本文研巧了基于磁共振技術的非接觸式充電系統的控制方法。采用PID控制器實現電動汽車的閑環充電,提高了傳輸的安全可靠性,并對系統為電動汽車進行穩定H段式充電的方案進行詳細研巧。在實際的方案實施中,本文選用32位處理器作為主控器,.通過藍牙2.0模塊進巧通訊,根據接收端發來的數據對充電的發射端進巧實時的調節,從而實現軟件的閑環設計,通過硬件鎖相環技術完成對頻率的跟蹤,實現發射端的閉環調節,最終完成軟硬件設計。

                          關鍵詞:電動汽車;非接觸式充電;自動充電;三段式充電

                        Abstract

                          With the deterioration of the globa 1 environmentj and the growing lack of primary energy,electrical energy of green energy has been 0ne of the best, and electric vehicles is its leader in the field of transportation applications. Electric vehicle,s power comes from the battery, restricte a by the development level of current power battery technology, the size,environmental and life issues,and the bng single charge time problem of the battery, which limit the development of electric vehicles has become the main problera.

                          The main classification of charging is as follows: wire and wireless, but there are many problems in wire charging, such as while wire charging is under faSt charging mode, its charging current is very large, that will directly affect the bcal power grids, and indirectly affect the entire power grids. Contact charging's plug is cumbersome, time-consuming and inconvenience, and the aging wire will bring a series of safe questioa In contrasty wireless charging is transmitted wirelessly to the receiving device through k wireless launcher,so that the electric vehicle can be mounted with little or no battery pack, and the increased mfleage.

                          In this paper, the control method of wireless charging system based on magnetic resonance technology is studied. The PID controller is used to realize the closed-bop charging,and the safety and reliability of the transmissionarc inprovcd. the scheme of three-stage charging for the electric vehicle is studied in detai.

                          From the view of mathematics and circuit, the author sets controi algorithm model, for the actual system desiga.

                          In this paper, the principle of magnetic resonance energy transfer based on the princyle of the circuit and the transformer equivalent model are described in two ways. Conmpared with the four commonly used wireless transmission topology, dual series compensation topology is selecthd for the systhm. In the actual iiqplementation of the program, we use a 32-bit MCU as the controUor, through the Bluetooth 2.0 module th communicate,accoiding to the data sent by the receiver th charge the transmitter in real-time adjustment, in order to achieve the software closed-bop design, through APLL technology th complete the tracking of the frequency Id achieve the transmitter closed-bop regulation, the final compfetio。of hardware and software desiga.

                          Key words: electric vehicles; Wireless charging; Automatic charging; A three-stage charging

                          隨著人類社會電氣化程度日益加深,規模龐大的互聯電網已經得到了廣泛應用。在電網中起著電能傳輸作用的金屬導線數量巨大,維系著整個電網的架構,成為連接發電、輸電、配電、用電的重要紐琳。雖然這種電線(或電纜)供電的輸電方式已經發展得十分成熟,但因其觸電接觸摩擦產生火花、絕緣與導體耗損等問題,會縮短使用壽命,甚至危害供電安全性與可靠性以。此外,在對電能傳輸方式的技術經濟性、靈活性、安全性、可維護性等有更高要求的特殊場景,傳統的接觸式電能傳輸方式己經不能滿足應用需求,例如:地面上某些邊遠山區、高原和海島,雖蘊藏豐富地熱資源、勢能資源、太陽能資源等,卻由于地形復雜,線路架設難度大,在當地建立的地面水電站、太陽能電站等無法對外輸送地下礦井等需要解決電為應急供應問題的地點;日常生活中錯綜復雜的家電設備的電線帶來了空間上和視覺上的困擾;地面行駛的電動汽車或空中飛行的各種飛行器等處于運動狀態的電力供應的目標以;這些目標目前仍無法通過傳統的有線能量傳輸方式對其直接提供能量。

                          無線傳能為緩解上述問題找到了新的方法依據,它的發現為解決供輸電存在的一些難題提供了又一種解決思路,甚至可能導致人類生產和生活方式的重大變化。美國《技術評論》雜志將其評價為"會給人們帶來巨大變革的十大硏究方向之一";電工技術學會五十周年活動上,無線傳能技術被稱為"10大未來科技"。目前,無線輸電技術己成為在國內外各界都備受關注的熱點技術,全球各國均投入大量的人力和物為資源,競相爭奪和搶占這一科技制高點。

                          電動汽車經過最初的發展階段,停滯和恢復期,開始迅速發展。遠在19世紀后期,發明家Robert Davidsson,在英國制作了世界上第一臺可實際應用的電動汽車,其上使用的是一次鐵鋒電池驅動的電機作為動力驅動汽車。而隨后在1890年美國的第一輛純電機驅動汽車被成功研制,在那之后法國和德國也分別在1899年與1900年獲得第一臺純電動汽車研制的勝利,這是最初的發展階段以。

                          20世紀前葉起動機的成功研制,使用內燃機作為動力的汽車迅速發展,致使以電機作為動力的汽車完全停滯發展。到第二千世紀中葉,由于燃料汽車帶來的環境問題和石油資源問題帶來的緊張局勢不斷加劇,各地區和國家開始了電動汽車的發展和推廣,電動汽車的發展開始復蘇,F階段電動汽車的優勢很明顯,發展也十分迅猛,但諸如最高速度和續航里程等制約電動汽車的進一步發展。

                          在國家電網公司方面,為配合國家對電動汽車網絡建設的規劃目標,在測剛發布的《國家電網公司十H五電網智能化規劃》中指出:要在2025年前,公司在該地區運營、建設1000座電動汽車充換電站和24萬個充電粧,形成基本電動汽車充電服務網絡。而采用無線充電技術為電動汽車充電,不僅可有效緩解傳統充電粧數量有限和擴建新充屯站需占用大量用地等問題,同時也能符合低碳經濟發展原則和避免一些安全事故。另外一方面,雖然無線輸電技術擁有良好的應用前景,但無線輸電技術在推廣應用的過程中,其電磁兼容所帶來的安全性問題一直受到人們所關注。由于無線電力傳輸技術的工作頻段大多分布在kHz和MHz頻段,高頻功率在發射時所改散在空間中的高頻電磁波在一定程度上對周圍環境、周圍設備、生物體等產生影響。但實際上高頻電磁波的產生僅僅發生在工作過程中,并且如果定位準確,使用磁屏蔽技術可以很好的解決電磁兼容問題,所以不難看出無線充電技術需耍一套完備的充電控制系統去控制其進行準確定位,并且在合適時機開斷。

                          本文工作源于國家自然科學基金重點項目"基于智能模塊技術的高壓直流斷路器短路開斷相關理論研究(No.51337001)"和新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)開放課題"直流真空斷路器弧后介質恢復研究(No.LAPS16017)",主要工作如下:

                          通過對磁諧振式無線傳能技術的研究,對磁諧振調功原理進行分析,實現三段式電動車非接觸無線充電的方式;陔妱榆囋谧詣踊潆娞匦苑治,實現近場區磁場諧振禪合機制與能量傳輸,進而實現三段式充電。建立系統物理數學模型,對電動車無線充電系統進行控制算法分析,選擇最佳方案,實現系統設計。

                          本文基本結構和主要研究內容如下:

                          第一章在查閱國內外相關研究文獻基礎上,分析了接觸式供電所存在的缺陷,綜述了電動汽車和無線充電的應用現狀,引入無線傳能技術,分析國內外現有研究現狀以及無線傳能發展趨勢。

                          第二章基于無線充電系統中控制系統的必要性與重要性分析,面向無線充電需求,提出控制策略,給出電路設計方案。針對磁諧振無線傳能原誼逆變產生的高頻電壓和電流,給出安全采集設計方案。

                          第蘭章基于磁諧振式基本原理分析,將數學模型建立與電路分析相結合。通過比對分析現有的雙串聯諧振、串并聯諧振、并串聯諧振、雙并聯諧振四種無線傳能拓撲結構特征,結合電動車無線傳能特點,選擇雙串聯磁諧振拓撲結構作為系統拓撲結構。針對雙串聯諧振拓樸結構,建立物理數學模型,并在MATLABSimulink仿真環境下,針對所搭建的充電模型進行了控制與仿真分析,為后續樣機設計提供仿真基礎和理論依據。

                          第四章在現有模型條件下進行樣機設計與系統巧環控制。在第二章硬件設計基礎上采用無線通訊方法,設計出針對發射端和接收端全系統閉環調節模塊。并一臺500W電源為控制對象進巧實驗分析與定量描述,以驗證三段式充電的可行性和有效性。

                          第五章基于電動汽車無線三段式充電理論模型建立、控制方法選擇與實驗研究進行總結,并針對無線充電系統的應用做展望分析。

                          無線傳能控制系統聯調:

                        控制器最小系統
                        控制器最小系統

                        RS485模塊
                        RS485模塊

                        RS485智能電表
                        RS485智能電表

                        兩級繼電器輸出
                        兩級繼電器輸出

                        工業控制屏
                        工業控制屏

                        地而端獨立調試系統
                        地而端獨立調試系統

                        電壓電流采集模塊
                        電壓電流采集模塊

                        紅外定位裝置
                        紅外定位裝置

                        車載總控制器
                        車載總控制器

                        車載控制系統第一版
                        車載控制系統第一版

                        系統聯調測試圖
                        系統聯調測試圖

                        集成地面主控制器
                        集成地面主控制器

                        集成的地面控制端
                        集成的地面控制端

                        定位裝置改進圖
                        定位裝置改進圖

                        化化后的電壓電流采集模塊
                        化化后的電壓電流采集模塊

                        目錄

                          第一章 緒論
                            1.1 引言
                            1.2 無線傳能國內外研究現狀
                              1.2.1 國外研巧現狀
                              1.2.2 國內研巧現狀
                            1.3 論文研巧目的及意義
                            1.4 論文主要研巧內容與結構安排
                          第二章 無線傳能原理與算法建模
                            2.1 無線傳能技術基本理論
                            2.2 磁稱合與諧振理論
                            2.3 磁諧振式無線傳能系統結構與原理
                              2.3.1 磁諧振式無線傳能系統結構
                              2.3.2 電動車無線傳能系統拓撲結構選擇
                              2.3.3 磁諧振式無線傳能系統原理
                            2.4 磁諧振式無線無線傳能系統模型
                              2.4.1 基于賴合模理論的磁諧振式無線傳能模型
                              2.4.2 基于電孫理論的磁諧振式無線傳能模型
                            2.5 三段式無線充電系統模型
                              2.5.1 電池三段式充電
                              2.5.2 恒流階釋的建模
                              2.5.3 恒壓階段的建模
                              2.5.4 無線傳能蘭段式充電仿真
                            2.6 本章小結
                          第三章 控南臟計
                            3.1 車載控制方案
                            3.2 地面控制器方案
                            3.3 控制方案中的電路方案
                              3.3.1 供電電源方案
                              3.3.2 外圍采集方案
                              3.3.3 外困控制方案
                              3.3.4 通訊方案
                            3.4 控制方案中的調功方案
                              3.4.1 調功方案的分類
                              3.4.2 直流母線調壓調功方法
                              3.4.3 逆變調功方法
                            3.5 本章小結
                          第四章 樣機設計與系統聯調
                            4.1 樣機的設計
                              4.1.1 地面發射端設計
                              4.1.2 車載接收端設計
                            4.2 樣機的改進設計
                              4.2.1 地面端的改進
                              4.2.2 車載端的改進
                            4.3 系統聯調
                            4.4 本章小結
                          第五章 總結與展望
                              5.1 總結
                              5.2 展望
                          參考文獻
                          發表論文和參加科研情況說明
                          致謝

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