基于复合拓扑结构的AGV大功率无线充电系统设计.pdf

2023年第10 期农机使用与维修35基于复合拓扑结构的AGV大功率无线充电系统设计宋丽,孙崇书”,鲁海宁”,鲁康平3（1.烟台科技学院，山东烟台2 6 56 0 0;2.蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司，山东烟台2 6 56 0 0;3.山东蓬翔汽车有限公司，山东烟台2 6 56 0 0）摘要：针对无线充电存在安全隐惠、不能同时为多辆汽车充电的问题，提出了无线充电系统设计。该文设计了一个无线充电系统，该系统主要包含AC/DC模块、高频逆变模块、整流模块和IVU通信控制模块，并对地面拓扑参数和接受拓扑参数进行了设计，可兼容S-S和LCCL两种功率拓扑。为保持充电过程中的最佳效率，采用频率跟踪算法实现对功率的控制，实现对输出电压的可控可调。最后对充电流程的控制状态进行了详细设计，包括车载侧控制状态设置和地面侧控制状态设置。经过实验验证，采用复合拓扑结构的充电系统，实现AGV无线快速充电，充电功率高，定位准确、无接触式火花、系统稳定可靠。关键词：拓扑结构；自动引导车；无线充电中图分类号：TP249Design of AGV High Power Charging System Based on Composite Topology(1.Yantai Institute of Science and Technology,Yantai 265600,China;2.Penglai Jutal Offshore Engineering Heavy In-dustries Co.,Ltd,Yantai 265600 China;3.Shandong Pengxiang Automobile Co.,Ltd,Yantai 265600,China)Abstract:Aiming at the hidden danger of wireless charging,which can not charge many cars at the same time,the de-sign of wireless charging system is put forward.This paper designs a wireless charging system,which includes AC/DCmodule,high frequency inverter module,rectifier module and IVU communication control module.The ground topologyparameters and receiving topology parameters are designed,which can be compatible with S-S and LCCL power topolo-gies.In order to keep the best efficiency in the charging process,the frequency tracking algorithm is used to control thepower and realize the controllable adjustment of the output voltage.At last,the control state of charging process is de-signed in detail,including on-board measurement and control state setting and ground side control state setting.Through the experiment,the charging system with complex topology structure can realize AGV wireless fast charging,high charging power,accurate positioning,non-contact spark and stable and reliable system.Keywords:topology;automatic guided vehicle;charging0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一一有线充电时存在漏电的安全隐患。无线电能传输（Wireless PowerTransfer，W PT)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，基金项目：山东省烟台市蓬莱区科技创新发展计划项目(2020ZDCX05)作者简介：宋丽（19 8 5一），女，山东临沂人，硕士，副教授，研究方向为研究智能装备。文献标识码：ASONG L,UN Chongshu,LU Haining,LU Kangpingdoi;10.14031/ki.njwx.2023.10.009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81.3890kHz,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ACV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。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，36可搭配不同参数系统拓扑和线圈，实现多种参数测试试验。表1无线充电系统参数指标名称技术指标输人电压/VAC38015%（三相五线制）输人电压频率/Hz50 10%供电输人额定电流/A参数功率因数输人功率/kW额定工作频率/kHz接收端输出电压范围/V输出接收端输出电流/A参数接收端低压供电/V接收端具备通信方式接收端冷却方式1.1AC/DC 模块采用华为R95021G1功率模块，其供电为三相交流38 0 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DC400DC950V，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人侧。AC/DC模块设计参数如表2 所示。表2 AC/DC模块设计参数指标名称技术指标通讯总线协议CAN最大并联数量32AC270450（A C 2 7 0 32 0 输出降工作电压/V额；AC320450输出满额）频率/Hz4565,额定值50/6 0输人电流/A60功率因数0.98(负载率50%10 0%)电流THD/%5（负载率50%10 0%）额定输出电压/VDC750额定输出电流/A40最大输出电流/A50农机使用与维修指标名称输出电压范围/V最大输出功率/kW301.2高高频逆变模块DC/AC高频逆变模块。将直流输人变换为高Max每相6 0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0.99(满载),0.9 7(半载)系统、监控系统状态参数等，系统自带上位机，可用Max 30CAN分析仪连接电脑后，远程有线控制。系统具有85.5极高的开源性能，可设置系统各类参数实现不同控DC300 500制需求。DC/AC模块设计参数如表3所示，模块原Max 60理如图1所示，发射模块软件控制如图2 所示。916(低压常电供电)表3DC/AC模块设计参数CAN,WIFI指标名称风冷额定功率/kW输人电压/V输人电流/A输出频率/kHz输出电流/A输出电压/V冷却方式1.3整流模块采用SiC整流器实现全桥整流，输出30 0 500V,电流6 0 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。1.4IVU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5V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）。2023年第10 期续表2技术指标300 750技术指标30DC3007505085.5(80 90)Max60DC300500强制风冷2023年第10 期农机使用与维修HY37PU124V/0.6A300-750VDCVFCNDG205-24V电源模块MC1.24VDCVFADC3ADC4TEMPMCU电流电压采集12112V风扇60 mm60 mm3HVGNDPWM1PWM2PWM3PWM4ADC1ADC2PHASECSU2VDDDQQT18B20-T092GND温度传感器N1VCC2PWM13PWM26203驱动模块HV0uF/800vi10jF/800110uF/800VGNDN2VCC23PWM1PWM2C203驱动模块图1系统原理图M1CAS120M12BM2S1GNDHVM2CAS120M12BM2C51.45uF/5doV输出电流电压CNDCr160nF/3000V120H/200ACx260nF/3000V使能占空比控制指示灯、电源、运行、故障机箱风扇、电容风扇（独立电源）图2发射模块软件控制框图3V3运行灯3 y3LED3V3U9RUNLEDAD2C风扇AD3-继电器YKCAN总线CAN棋块U8存储棋块图3整流模块设计硬件供电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。逆变模块DSP核心板PWM控制CAN通信端口设置工作参数上传工作状态信息ADOCANLCANH单片机12CSCKPWM12CDACNDSTM32LC发射网络电流相位电压相位过流AD采样1-3电流、电压、温度U2温度采样U3电压采祥04电热采样U5动U6GND联动YK1-3接充电接口A+、C C 2、电子锁YK4.,YK5接风扇、继电器YK6待机电源控制PWM调节信号YX14BMS连接状态，预留图4IVU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12 0 H。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。2.2接收拓扑参数设计MF-WPT，车载参考设备的主电路设计如图6所示。指示灯IVU核心板AD1-4采样接电压、电流、温度WIFI连发射端CAN口接可控整流模块和BMS38PFCAC农机使用与维修表6车载参考设备的电气规格参数参数C./nFZ105.5Z58.3BUCKUdo2023年第10 期Cz/nFLz/uH31110.2361.09.6Z66.7373.59.3接收线圈感量参考设计人表7 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参数C,/nFZ0130.5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功率等级离地间隙ZWPT,Z2ZZWPT2Z2ZWPT3Z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7 车载参考设备的电气规格参数单位：H离地间隙Ls_minZ43.4Cn/nFLa/uH157.922单位：HLp_minLp_max40.244.643.846.046.346.540.244.643.846.046.346.539.444.7Ioat0ULs_max47.8Z67.7Z61.43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ACV无线充电系统充电流程如图7。Wi连接握手信息交互多数信息交互等待启动指令充电阶段充电结束负载Bo70.263.4IVU-BMS(GB/T27930)充电握手阶段充电参数配置阶段充电阶段充电结束阶段图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（W PT _S_ID L E）、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2023年第10 期广播自已是可用的，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状态农机使用与维修下，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。39系统关闭WPT_S_OFF服务中止并占用WPT_S_STO异常处理WPT_S_ERR系统开机WPT_S_ON启动服务WPT_S_SI等待对齐WPT_S_AA功率传输WPT_S_PT功率激活WPT_S_PTA系统空闲WPT_S_IDLE系统休眠WPT_S_SLP待机WPT_S_STBY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（W PT _V_ID L E）、功率传输激活（WPT_V_PTA）、功率传输（WPT_V_PT）、休眠（WPT_V_SLP）、待机（W PT _V_ST BY）、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。3.4A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（C o m m u n I c a t l o n Se r v I c e U n l t，C SU）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。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40农机使用与维修2023年第10 期系统关闭WPT_V_OFF异常处理WPT_V_ERR系统开机WPT_V_ON启动服务WPT_V_SI等待对齐WPT_V_AA功率传输WPT_V_PT功率传输激活WPT_V_PTA系统空闲WPT_V_IDLE系统休眠WPT_V_SLP待机WPT_V_STBY图9车载侧装置状态图往销终止通信注销终止通信停止充电通信未连接注册建立通信图10充电状态12所示。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。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。通信连接信息上报及查询系统待机启动充电充电中图11无线充电示意图2023年第10 期农机使用与维修CV-65V/3cmIPP=2.155A41CV-65V/5.5cmIPP=0.619ACV-65V/8cmIPP=0.787ACV-62V/3cmIPP=2.725ACV-62V/5.5cm图12实验模型IPP=0.636ACV-62V/8cmIPP=1.147A3.500.0;3 000.0320002.500.0元1500.01000.0500.00.0元0564112816922256282033843948451250765640图13充电功率曲线CR-14Q/3cmVPP=52mV1CR-14Q/5.5cmCR-14Q/8cmVPP=368mVCR-1.5Q/5.5cmVPP=269mV图14电压纹波曲线4结论本文设计的无线充电系统可兼容S-S和LCCL图15电电流纹波曲线两种功率拓扑结构。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8 1.38 时间/90kHz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VPP=52mVLCCL拓扑系统结构中,工作频率为8 5.5kHz,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。参考文献：CR-1.5Q/3cmVPP=398mVCR-1.5Q/8cmVPP=525mV1李杰，张江林，贺兴家，等.新能源汽车无线充电技术综述J.南方农机,2 0 2 2,53(2 0)：41-44.2李新，李云笛，姜捷，等.基于变参数的混合拓扑无线充电系统J.电气传动,2 0 2 2,52(2 2)：2 7-31.3尹华，魏良才，聂斐，等.一种无线充电系统研究J.中国新技术新产品,2 0 2 2(17)：9-12.4张新亮，武凯伟.基于电磁感应的无线充电系统设计J.无线互联科技,2 0 2 0,17(2 3):10-11.5耿琪琛，刘坤，程少宇，等.不同补偿拓扑结构下电动汽车无线充电系统传输特性对比J.电力科学与工程,2 0 2 1,37(9):18 -2 5.6张强.静态谐振式电动汽车无线充电系统研究D.淮南：安徽理工大学,2 0 2 1.7田勇，朱泽，田劲东，等.基于LCC-S补偿的电动汽车动态无线充电系统拓扑参数优化J.机械工程学报，2021,57(14):150-159.(02)