专家库充电系统（精选4篇）
专家库充电系统 篇1
一、AGV在线自主充电系统
作为实现物流自动化的重要设备, AGV的自动化、智能化、网络化等都是通过AGV控制系统直接实现的。在AGV的研究领域电源系统设计与管理始终是一个被遗漏的主题, 或者认为电池对整个小车的性能没有多大影响。因为AGV系统的大多数研究都是在仿真环境中进行的, 所以电池的实际性能没有被全面考虑。在实际使用中, AGV的电源系统对AGV的整体性能影响较大。电池的性能首先直接影响AGV的续航能力。AGV的1个工作周期由充电时间和放电时间组成, 而放电时间所占的比例直接决定了AGV的生产效率。通过选用合适的电池, 对电池正确充电, 一方面可以缩短电池的充电时间, 另一方面可以延长电池的放电时间, 从而提高AGV工作时间在整个周期中的比例, 提高AGV的使用率。
二、电源系统
AGV的电源系统主要由4个部分组成:电池组, 电池检测模块, 转换模块和地面充电站。电池组由1节或多节电池组成, 为小车提供足够的电压与功率。电池检测模块与转换模块的作用是对电池的状态实时检测, 以及对电池的输出参数进行转换, 以满足AGV内部的使用需求。地面充电站是AGV充电系统的主要组成部分。目前, 使用的智能充电站能够按照设定的电压、电流和时间参数对电池充电, 整个过程不需要人工干预, 能够真正实现自动充电。电源供电方案如图1所示。
1. AGV电池组。
AGV主要依靠自身携带的电池供电。电池的主要形式是蓄电池, 此外还有超级电容等储能方式, 本文, 笔者仅讨论蓄电池供电。常见的AGV系统电压有24 V与48 V两种。电池组的电压并不能完全决定电池组的工作能力, 而只是为了使用方便。因为电池组只能提供最初的电能, 其上游需要与充电机连接, 其下游需要与小车的各种用电机构连接。选择合适的电压可以简化电能在这3者之间的转换。在实际应用中, 除了专用的AGV电池, 普通电池单节电压都不可能达到48 V, 镍镉蓄电池节电压为1.2 V, 镍氢蓄电池节电压为1.4 V。为了满足使用需求, 往往把多节电池通过串联的形式获得需要的电压。设计AGV小车的系统电压为48 V。由于镍镉蓄电池的额定电压为1.2 V, 为获得要求的48V系统电压, 可以使用40只容量为90 Ah的电池串联形成1个电池组, 这样就能满足使用要求, 选择的品牌为长虹电源有限公司生产的烧结式镍镉蓄电池。选择的电池的型号为KPX90, 其电池参数如表1所示。
2. 电源监测模块与转换模块。
在AGV的实际使用过程中, 电池的状态直接关系到AGV小车的效率。另外, 由于电池的充放电均表现为复杂的物流化学反应, 如果不加合理控制, 不仅会大大降低电池的利用率, 而且还会缩短电池的使用寿命。通过使用电源监测模块, 能够实时监测到电池的充电过程, 主要监测的数据有单体电池和电池组的电压、电流、电池内阻、电池温度等。监测模块的主要作用有2个:在充电时监测电源的状态;在使用过程中电量过低时提示充电。它的意义在于不仅能够提高电池的利用率, 而且能够延长电池的使用寿命。
电动机和制动器由电池组直接供电, 其他设备包括工控机, 显示屏, NAV200, S3000及通讯模块的供电由DC-DC电源转换模块提供。监测模块实时监测电池组的状态, 并把数据传送到工控机中, 同时将电池的状态显示在液晶显示屏上。当监测模块监测到电池组电量不足时, 就会将信号发送到工控机提示充电。只有当工控机发现小车满足了充电要求后, 比如小车已经完成了一次任务循环, 工控机一方面命令小车驶向地面充电机, 另一方面通过无线通讯模块将小车的充电信息发送到地面主机, 由地面主机控制充电机做好充电准备。当充电机检测到小车接触良好后, 便开始按照预定的充电策略充电。在以上的过程中, 监测模块检测到电量低时并不会命令小车立即充电, 只是将信号发送到工控机中, 由工控机判断充电时机。充电过程的完成信号是由充电机发出的, 充电机可根据不同的要求设定不同的充电终止策略, 比如充电电压达到上限或者充电时间结束等情况, 可在充电机上预先设定。
3. 自动充电装置。
当电源监测模块监测到电池组电量不足时, 会向工控机发出信号。当工控机发现小车满足了充电条件后, 就会命令小车驶向充电站自动连接并进行充电。当充电完成后, 小车自动脱离充电机, 驶向工作区域正常运行。
AGV的自动充电连接装置可以分为上置式、侧置式和下置式3种。下置式充电装置布置图如图2所示。
本次设计采用下置式布置。下置式充电装置布置在车体下方。当AGV驶入充电区域时, 车体接头与地面充电站接头对接, 当确认对接良好后, 就可以开始充电。当充电完成后, 小车驶离充电站, 对接脱离。由于充电过程中电流很大, 所以将充电器安装在地面, 这样可以避免连接接头处于危险状态。为了提高对接过程的柔性, 可以将地面充电接头设计成弹性装置。
4. 自动连接过程。AGV小车的自动连接即使车体充电接头与地面充电站充电接头准确对接。这个过程可以分为3个阶段:
第一阶段为远程对接阶段, 当工控机发出充电命令以后AGV小车即进入远程对接阶段;第二阶段为近程对接阶段, 当AGV距离对接位置5 m时小车就应该进入近程对接阶段;第三阶段为检查对接阶段, 当小车行驶到了充电机位置时, 要确认对接是否良好。确认的方法是通过检测小车接头两端电压是否符合要求, 这里可通过HT70XX芯片来检测。
在本次设计中, 参考电压选样48 V。然而HT70XX的最高参考电压是7 V, 所以在小车车体接头与比较器负输入端之间应该接入电阻分压电路, 通过选择大小合适的分压电阻, 将参考电压降到7 V。这样, 在对接过程中, 当工控机检测到HT70XX输出端为高电位时, 就可以确认对接成功并进入充电阶段。当小车充电完成后, 充电机会发出充电完成信号到地面主机, 并通过无线通讯模块传送到小车工控机, 工控机发出指令控制小车驶离充电站继续作业, 充电过程完成。
三、总结与展望
AGV在现代自动化生产中的应用领域越来越广阔。在本设计中AGV由电源系统中的蓄电池组为AGV提供电能, 并经过DC-DC转换模块转换后供小车各种用电部件使用。电池的用电和充电过程都受电池监测模块的实时监测, 以充分利用电池能力, 延长电池寿命。通过车体与地面的充电接头, AGV可以实现整个充电过程的完全自动化, 从而提高生产和使用效率。然而AGV在电源系统中, 限于当前蓄电池技术, AGV的续航能力最高只有90 min左右。要提高AGV的续航能力, 一方面可以使用更先进的蓄电池, 或者发展其他功能方式, 如超级电容供电等;另一方面应该发展电池管理技术, 通过合理使用电池来更大限度地利用电池, 从而提高电池的续航能力。
如今, AGV技术还有待进一步发展, 这也预示着AGV还有更多潜在的应用领域。可以预计, 在现代自动化生产过程中, AGV发挥的作用将越来越明显。
一种无线充电系统的设计 篇2
随着现代人们生活质量的提高, 对科技的需求也越来越高。就充电系统而言, 针对个人或企业的需求, 逐步向袖珍方便、简单实用、节能环保的方向发展。然而, 当前的大部分充电器, 例如手机有线充电器和数码相机的有线USB充电器, 都是通过金属电线直接连接的方式来给设备内置电池进行充电。而无线充电技术[1]的优势在于无需金属导线的连接即可对电子设备进行自动充电, 其便捷性和通用性极大地满足了广大用户的需求。使用者既可以随身携带该袖珍型设备, 也可在安装有公共无线充电设备平台的各大型公共场所进行便捷充电, 同时极大地避免了广大消费者之前因设备和充电器型号不匹配等问题而造成的无法充电的现象。
在国外, 无线充电系统的设计思想早在100多年前就已经出现;直到20世纪20年代中期, 日本的科学家H.Yagi和S.Uda从理论的角度完全证实了无线充电系统是一种完全区别于有线充电系统的特殊供电设备。2007年3月“Busihess 20”等媒体报道, 美国宾夕法尼亚的Powercast公司开发的无线充电系统, 可为各种耗电量相对较低的电子产品进行供电。我国关于无线充电系统方面的技术相对落后于国外;在国内, 无线充电技术是近几年才开始发展起来的一个新兴行业, 由于我国具有人口资源等方面的有利条件, 使得无线充电技术在我国的发展极为迅速并且有足够的发展空间。2010年8月31日, 无线充电联盟宣布正式将其Qi无线充电技术国际标准[2]引入国内, 以此为界, 标志着无线充电技术在国内的发展进入了全面推广的历程。时至今日, 国内的无线充电技术已取得了可喜的成效;例如, 我国在针对功耗不超过100W, 对充电距离没有太高要求的小型数码设备方面, 已具备一些相对成熟的技术。
本系统方案设计中, 利用电磁传播和磁感应耦合基本理论, 研究设计出一种无线充电系统方案, 根据该方案研究出来的系统将具有方便快捷﹑通用性好、低能耗、环保节能等优点, 还给出一种可具体操作的发送端核心芯片和接收端核心芯片的选择与设计方案, 为具体开发无线充电系统奠定了基础。
1 系统设计要求
1.1 功能要求
(1) 可为无线通信系统提供电能。要求该无线充电系统能够为小功率无线通信系统方便快捷地提供电能, 只需经过发送端核心芯片BQ500110和接收端核心芯片BQ51013间的磁电转换即可实现对上述电子设备的脱线充电。由于国内无线充电技术属于新兴技术, 目前生产的无线充电系统限于为一系列小功率电子设备提供电能, 如手机、MP3播放器等。
(2) 可在有无线基站信号覆盖的地方正常工作。随着城市里高层建筑越来越多以及电子设备使用者日益增多, 出现了覆盖要求和话务密度不断上升的趋势, 应运而生的无线充电系统也必须保证能够在有无线基站信号覆盖的地方正常工作[3]。
(3) 可具有丰富的扩展功能。由于无线电力技术的快速发展, 各生产厂商会投入更多的精力来研究技术含量更高的无线充电系统。作为一项国内新兴起的技术, 该无线充电系统需要为兼容以后更多的新设备打好基础, 因此, 该无线充电系统需具有丰富的扩展功能, 为日后无线充电系统行业的继续发展做出贡献。
1.2 技术要求
结合前文所述, 给出系统主要技术指标要求:
(1) 体积小, 重量轻, 便于携带;
(2) 耗能低, 使用过程中的电能利用率较高[3,4];
(3) 辐射低, 在使用过程中该无线充电系统对外界的辐射较低符合国际规范;
(4) 工作效率高, 可对电子设备进行快速充电;
(5) 无线充电系统工作温度范围广, 可在各种生活环境中正常工作;
(6) 通用性好, 可同时为多种电子设备进行充电;
(7) 环保性能良好, 使用寿命长。
2 系统总体设计
2.1 系统设计总体方案及工作原理
在该系统设计中, 文章拟采用硬件与软件相结合的方案。系统硬件设计包括以德州仪器推出的BQ500110为核心芯片的发送模块、以BQ51013为核心芯片的接收模块和外围控制电路, 该无线充电系统组成框图如图1。
此装置可以将送电装置和被送电装置在一定距离范围内物理分开, 因此称之为无线充电系统;其中充电器发送平台与220V交流电连接, 而充电器接收平台安装在被送电装置内部, 将经过此特殊处理后的被送电装置放置在充电器发送平台上, 即可实现无线充电。
此无线充电系统设计方案主要依据磁电转换[5]的原理设计完成, 其中磁电转换由嵌入在BQ500110和BQ51013内部的1对耦合线圈完成, 在芯片允许的距离内, 通过一对单片机来检测控制是否需要给被送电装置充电, 再在耦合线圈的作用下实现电能的供给。
2.2 系统的基本工作过程
该无线充电系统设计方案的硬件组成主要由以下3个大的模块构成: (1) 无线充电系统发送模块 (核心芯片为BQ500110) ; (2) 无线充电系统接收模块 (核心芯片为BQ51013) ; (3) 整个系统控制器为ATmega16单片机控制系统。单片机通过对采集到的电压信号进行处理, 经过耦合线圈的作用实现对接收端电子设备的能量供给[6]。硬件电路组成如图2所示:
该无线充电系统的具体工作过程如下:
(1) 发送端首先通过单片机对接收端用户电子设备电池电量进行检测, 当检测到用户电子设备电量不足时, 主动向用户电子设备测的单片机发出能量不足的信息, 此时用户电子设备所在接收端将会向发送端上报能量不足请求信息。
(2) 当发送端通过单片机检测到接收端用户电子设备的电量不足时, 而此时用户电子设备又未上报能量不足请求信息, 在这种特殊情况下, 能量管理软件将会对向用户电子设备发出控制信息, 强行激活用户电子设备内置的电源管理软件, 要求用户电子设备内的电源管理软件和电能转换部件向发送端发送关于能量不足信息的下载请求消息, 以达到补充自身电能的目的。
(3) 当用户电子设备自动激活并通过电源管理软件和耦合线圈向无线充电系统的发送端发出能量不足信息请求, 此时发送端耦合线圈和能量管理软件接收并分析处理这一请求信息, 同时向能量转换单元申请电能进而进行微能量信息的转换, 能量管理软件则向发送端的电源系统提取电能并进行转换、传递。
(4) 当传递完成后, 接收端通过耦合线圈和接收端核心芯片BQ51013的作用实现对能量不足的电子设备及时实现无线充电的目的。
(5) 当用户使用电子设备的电能充足时, 用户电子设备内置电源管理软件则会向发送端发出电能饱和的“终止电力”信号[7], 发送端停止能量的转换, 达到环保节能的目的。
3 系统硬件设计
3.1 系统主要模块的选择
3.1.1 无线充电系统接收芯片的选择
无线充电系统中的接收芯片是该无线充电系统设计中非常重要的器件之一, 主要从以下几个方面加以考虑:
(1) 满足距离和效率的要求;
(2) 能够实现系统低功耗, 能量转换效率高的要求;
(3) 能够检测接收到发送端的电能信号, 及时为发送端补充电能;
(4) 芯片体积小, 方便携带;
(5) 在和发送端交换信号时, 要求接收芯片具有较高的灵敏度。
由德州仪器公司生产的新一代无线充电系统接收芯片, 高度集成了微型器件, 充分满足了智能手机、数码相机、MP3播放器以及工业与医疗卫生设备等的需求。接收器集成电路将无线电源控制技术与电压调节进行了完美的结合, 不但可以支持高达5W的输出功率, 更主要的是可实现高效率的交直流电源转换, 其转换效率可高达93%。同时, 他又是接收器线圈与系统之间所需的唯一IC[7]。综所上述, 在满足普通无线充电系统接收芯片基本性能要求的基础上, 选择性能优良的BQ51013作为该设计的核心接收芯片。
3.1.2 无线充电系统发送芯片的选择
在无线充电联盟 (WPC) 的标准[8]下, 功耗为0~5W即所谓的无线传输“低功耗”。而该无线充电系统发送端借助核心芯片BQ500110便可同上述无线充电系统接收端共同构成达到这一标准范围的无线充电系统, 从而使由BQ51013构成的无线充电系统接收端和由BQ500110构成的无线充电系统发送端在2个平面线圈之间使用电感耦合来实现能量的传输[9]。
3.2 影响无线充电系统传输效率因素
系统的传输效率是影响其充电效率的重要因素之一, 因此在无线充电系统的设计中如何提高传输效率是一个重要研究方向。而针对该设计主要由发送平台和接收平台的一对线圈来实现能量传输的特征, 可以通过解决线圈间的漏磁问题来达到提高系统传输效率的目的。本设计方案中无线充电系统的发送、接收线圈没有物理上的直接连接, 同紧密耦合的变压器相比较, 这种疏松耦合的结构具有相对较大的漏磁;同时, 发射、接收线圈之间的距离越远, 则线圈间的耦合度越小, 漏磁现象越严重, 因此发送平台和接收平台在实际使用时有距离的限制。由漏磁现象带来的负面影响很大, 不但造成能量的损耗, 降低充电效率而且由此引发的电磁辐射对环境也产生很坏的影响。为提高无线充电系统的传输效率可以通过减小发送﹑接收端线圈间的距离和为发送﹑接收端线圈设计磁屏蔽来实现[10]。
4 系统软件设计
该系统的软件设计流程如图3。
该无线充电系统的软件设计根据该系统的具体工作过程可分为如下几个部分:
(1) 首先由发送端和接收端的单片机均进行系统初始化 (见图3) 。
(2) 系统初始化完成后发送端的ATmega16单片机对接收端用户电子设备电池电量进行检测, 当其检测到用户电子设备电量不足需要充电时, 会主动向用户电子设备侧的单片机发出能量不足的信息, 此时用户电子设备将会向发送端上报能量不足的请求信息, 当发送端检测到由接收端发出的能量不足信息时, 发送端开始初始化充电模块;当发送端通过单片机检测到接收端用户电子设备的电量不足时, 而此时用户电子设备又未上报能量不足请求信息, 在这种特殊情况下, 则能量管理软件模块将会对用户电子设备发出控制信息, 强行激活用户电子设备内置的电源管理软件, 要求用户电子设备内的电源管理软件和电能转换部件向发送端发送关于能量不足信息的下载请求消息, 以达到补充自身电能的目的。
(3) 当用户电子设备所在的接收端向无线充电系统的发送端通过上述2种情况发出能量不足信息请求时, 此时发送端能量管理软件中的充电模块接收并感知[11]这一请求信息, 同时向BQ500110发出信号, 在BQ500110的控制下电源管理模块进行电能的转换传递。
(4) 当充电完成后, 电源管理软件向接收端发出信号, 该信号可使用户电子设备侧的指示能量充足的信号灯点亮, 提示充电完毕, 并向发送端发出电力充足信号。
(5) 发送端单片机检测到接收端的能量饱和信号后提示饱和, 并对发送端和接收端的信号均进行初始化, 初始化完毕后, 发送端开始对接收端的电源控制模块进行采样检测, 当检测到接收端能量不足时, 继续对其进行无线充电, 此过程循环进行。
5 结束语
经专家鉴定, 该系统方便快捷﹑通用性好、低能耗、环保节能, 可为电子设备及时地提供电能, 能满足信息时代移动设备要求便捷充电的需求。
参考文献
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智能有序充电控制系统设计 篇3
社会高速发展,能源消耗巨大,为更加合理有效地使用能源,人们对能源结构逐步优化。电能因具备其他能源形式无法比拟的优点(易获取、易传输、零排放、零噪声等),在人们日常生产、生活中得到日益广泛的应用。在诸多领域中,逐步采用电能替代传统能源形式(如油改电项目)。
随着技术的不断进步,电动车辆取代传统燃油车辆的趋势不可阻挡。现今,在许多大中型城市,已经采用电动车或者油气混合车替代传统燃油车。此外,国家政府也出台相应鼓励优惠政策促进家庭电动车的推广。电动车辆数目的增多,车辆充电成为了一个严重制约电动车辆推广普及的重要因素。
截止到目前,关于电动车辆的充电研究主要包含[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]电池自身充电特性探究、电池SOC(State of Charge)的估算方法、充电桩的监测与设计、电池接入电网的谐波分析与影响、减弱谐波影响的方法、充电负载均衡问题、传输电网的分析等。可见,电动车辆的充电过程需要考虑诸多制约因素,且对于多因素的考虑十分必要。它们共同影响着整个充电过程的安全。
本文主要论述针对电池自身充电特性、充电机输出功率、电网传输容量与车主充电需求等因子下,电动车辆有序充电问题的解决办法;对该有序充电控制系统进行结构设计,阐述系统主要环节的设计思路与多因子调控优化的逻辑流程。
1 系统概述
本文所述的多目标有序充电控制系统[8,9,10,11,12]简化架构如图1 所示,主要包含控制器(检测单元、分析单元与控制单元等)、充电车辆、充电机组/充电桩、传输电网等。控制器中分析单元根据检测单元传送的信号,结合相应控制规则,将分析结果传输给控制单元;控制单元依照分析单元发送的信息执行相应操作,控制充电机组/充电桩的充电功率,从而实现电动车辆充电过程的调控。
该系统设计主要考虑因素为电动车辆本身可承受的充电能力、充电机组/充电桩的输出功率、电网当前负荷与其他用户用电情况、充电车辆业主的充电需求等。其中,电动车辆自身能够承受的充电电流或充电电压是系统设计考虑的关键因素,电池采用简化电流源模型;它与充电机组/充电桩功率、电网当前负荷与容量一起作为电动车辆充电调控过程中制约因素考虑;充电车辆业主的充电要求作为补充因素考虑;依照相关控制规则,综合上述多个因子,控制电动车辆的充电进程。
2 系统调控的逻辑说明
系统调控相关因子的处理流程[5,7,9,13,14]如图2所示。在充电开关闭合之后,首先进行电路自检,同时依照前述方法获得依照电池自身特性的可承受最佳充电电流值。然后,检测充电机组/充电桩当前功率,判断其是否处于负荷的情况下,并进行相应的功率调整。若充电机过载,则立即减小充电输出功率;反之,检测当前电网容量,增大充电机输出功率。判断是否超出电网容量,保证电网运行安全。
若上述三因子(电池承受能力、充电机负载、电网容量)均在安全运行范围之内,检测充电车辆业主需求。电路协调平衡模块,依照充电车辆业主的优先等级,在保证电池、充电机与电网运行安全的前提下,动态分配调整充电机组的输出功率,使得充电进程安全有序进行。
电路协调平衡模块中关于功率分配调整的策略可简述为:首先,针对充电车辆业主的不同需求,设定不同的事件优先级,并匹配相应的权值;优先级高的用户,分配高权值,反之,分配低权值;处于同一优先级,采用平均分配策略,处于不同优先级,采用加权平均值的方法进行功率分配。
式中:αi、αk为加权算子;Ii、Ik为调整前充电电流值;Ii′ 为调整后充电电流值;m为充电用户数目。
3 电池监测与调控
3.1 电池模型的搭建
在综合大量研究文献[11,12,14,15,16]的基础上,结合实际充电进程中电池自身特性,将电池等效为如图3 所示的简化模型,其中包含受控电流源、欧姆内阻、并联电容等。为使得后续调控过程中更加精准,引入电流检测与电压检测单元。
电流检测单元的电流信号通过安时积分器获得充电进程中电池SOC信息,经修正函数Revise_Fcn调整之后,传送给控制函数Control_Fcn。修正函数Revise_Fcn的作用关系可简化为式(2)。
式中:C0为充电开始时电池SOC信息;Δ 为充电过程中环境温度的影响及车载BMS相关信息。
电压检测单元的电压信号,主要包含电池开路电压值Uk,充电进程中的电压值Ui。其中,Uk结合式(3)[17],综合电池SOC信息,遵照马斯三定律,获得充电进程中仅考虑电池自身所能承受充电情况下的最佳起始电流值与电流衰减指数。Ui主要用于切换电池充电模式的参照与电池自身的安全保护,亦可用来对电池荷电状态信息的修正(通常所得结果偏差稍大,不建议使用)。
3.2 电池检测与调控
电池检测与调控过程的简化结构如图4 所示,主要包含电池端电压的检测,电池电流的检测,车载BMS(Battery Manage System)的通信、电池分析单元与控制单元等。该部分主要完成仅电池自身可承受能力条件下,分析获得电池最佳起始电流值与电流衰减指数,为后续过程电流的调控提供参照值Iref,且无论影响充电过程的其他因素如何变化,图4 中,充电机组/充电桩的输出电流都不应超过该参照值Iref;否则,将会对电池造成损害。Iref依照公式(10)变化。
下面论述充电进程中电池所能承受最佳电流参照值Iref的获取过程。
电池分析单元依照电压检测单元中电池开路电压Uk,结合式(3),获得电池电解质浓度dc。
式中:dc为电池电解质浓度;Uk为电池开路端电压;Cons为取决于电池特性的常数。
获得dc后,运用下述模糊推理规则[12]。
式中:X为模糊集合U的论域;μU(x)为模糊集合U的隶属函数;Y为模糊集合I的论域;μI(y)为模糊集合I的隶属函数;R为依据模糊关系确立的一个多级条件语句[17]。
可得考虑电池自身特性条件下,电池所能承受的最佳初始充电电流值Ij为
再结合式(2)与式(8)、式(9),即可推得最佳电流衰减指数αj。
式中:C为电池总容量;Crej为开始充电时刻电池待充入电量。
式中,αj为遵循马斯定律的最佳充电电流衰减指数。
将获得的电池最佳充电电流参照值Iref信息传送给控制单元,作为控制单元控制充电机组/充电桩的一个原则性参照;控制单元依照最佳电流参照值Iref与其他充电信号信息向充电机组/充电桩发布调控指令,控制相关器件的导通角。考虑到多数车载BMS中包含电池SOC信息,可以读取其中信息作为本系统调控的参照或者修正依据,便于提升整个系统的控制精度。
4 充电机监测与调控
4.1 充电机模型搭建
充电机可简化[10,15,18,19,20,21,22]为图5 所示,主要包含变压器、晶闸管、压控型/流控型/功率型变换器件等。通过编程控制脉冲触发器的脉冲周期、相应的发生时刻,脉冲触发器的脉冲信号控制晶闸管器件的导通角,实现对电路通断时间的控制;在经过相应的压控型/流控型/功率型变换电路部分,完成对电池充电进程中电流与功率的变换调控。
其中,编程控制部分的设计与实施,依照后述中多因子逻辑调控进行。可选用现行的DSP、FPGA等分析处理产品,亦可通过集散方式,通过后台分析处理,只将结果反馈到充电机单元。
4.2 充电机组/充电桩检测与调控
充电机组/充电桩检测与调控部分如图6 所示,主要包含电压检测、电流检测、充电机分析单元与控制单元等。其中,电压与电流检测模块完成对充电机电压与电流信息的获取,信号经通信总线传送给充电机分析单元;分析单元依照充电机额定功率与实际功率、当前负载充电车辆情况,结合用户充电需求与负载均衡规则,分析得到充电车辆的电流调控参照值,并将该参照值传送给控制单元;控制单元依照该参照值与其他影响因子相应参照值,经图6 中函数变换后,得到脉冲触发器的触发角数值,进而实现充电进程中的电流调控。
传输电网容量的检测与充电机组/充电桩的检测相类似,且无法对其进行调控,故本文在此不再赘述。
5 结论与应用前景
本文所述的多目标有序充电系统,相对于普通不可调控充电机,能够在保证电池自身可承受能力范围、充电机、传输电网运行安全的前提下,对电池进行有效快速充电,缩短充电时间。同时,能够依照电网当前负荷与电价情况、充电车辆业主的充电需求,动态调整分配各充电机的输出功率,提升服务或实际使用进程中的满意度。在现行技术条件与设备配置条件下,可通过引入控制分析器与相应检测装置实现所设计的系统功能;主要可用于充电站/充电桩的充电传输调控。
随着电动车辆的普及,除去大规模大功率充电站/充电桩的建设之外,为满足用户实际使用的需求,社区或公共场所内,中小功率可控可调整充电设备推出与使用势在必行。
无线感应耦合充电系统仿真与设计 篇4
近年来,布线成本成了有线通信网络的一个沉重负担。而无线传感器网络具有安装成本低、传感器端子重构小的优点,此外它还能安装在很难提供电力的地方[1]。因为基于无线系统每一个终端设备都需要交换电池,导致了无线传感器网络投入成本增加。于是需要实现一个传感器网络设备,能实现短距离提供电力。无线充电是随着微电子及云计算技术应运而生的无线充电传输技术。无线充电传输技术体系结构突出了开放性以及可编程性,运用数字化虚拟传输处理,通过A/D和D/A变换,减少硬件电路单一缺陷,实现了只需要天线信号就能滤波放大后由A/D产生采样增压指令,并被核心计算机模块接收,提供稳定转换速率、工作带宽、动态范围,满足无线充电设备增压、传输的要求,这种感应耦合预处理技术就是无线充电电能传输技术。无线感应耦合电能传输充电技术具有一些很实用的优点与应用领域,比如可以解决电子设备充电接口不兼容的状况,很多传感器也需要无线充电,还有就是应用于植入性医疗器件、市政交通管理设备。在沙漠、深山、探井等人力不能到达的地域以及高危险领域,同样需要无线充电技术。
1 设计需求分析
1.1 设计理念
基于无线充电特点和技术需求的认识,在系统的实现技术上,必须尽量采用先进实用的主流技术并结合现有的设备及线路条件。为此,确定采用以下设计路线:依据无线网络通道,采用感应耦合交换技术,实现电能无线网络传输;本文设计中采用电路仿真模型,进行面向无线充电对象的设计。
1.1.1 硬件环境
硬件环境指的是承载整个系统的基础设施物理环境,包括各类主机服务器、接收设备、感应设备、充电模块、交换设备以及线路、UPS等。
1.1.2 系统平台
无线充电系统平台是一个复合体,既有基础服务构成层体系(包括操作系统、各类中间件),又有软件应用平台体系(包含各类应用共用无线服务软件),还包括感应充电接收体系以及耦合电能传输运行体系。
1.1.3 系统支撑层
系统支撑层是多层架构的,它将组件技术和电能传输技术整合一体。本系统支撑层包括无线传输系统、感应系统、感应充电耦合系统、电能传输接收系统和调试监控系统等。
1.2 主要技术路线以及技术因素考虑
1.2.1 感应传输技术
通过无线网络计算机中的若干关键点发送信息并对电器进行充电,并依靠无线感应电能耦合传输技术的软件和硬件整合来实现远程无线充电的过程。无线感应电能耦合传输技术一般依靠无线网络技术,通常将主机、无线网络、代理服务器、服务电路进行构建。传输中原始网络包是数据源的关键,利用主控电路和程序在混杂模式下实时监测网络适配器,并对网络的关键数据流进行处理、打包、分析。一旦需要充电行为,响应模块就提供多种选项通知、报警,并对指令采取必要的响应措施。
1.2.2 充电的工作原理
无线电力传输射频技术(RFID)有多种无线传输技术,例如共振耦合和电感耦合,图1所示为与微波MPT、RFID模块构建无线充电系统UPS。
图中L1为无线充电系统UPS线圈电感,L2为无线充电系统UPS对应边线圈电感,R1为电阻,R2为对应边电阻,M为电流互感。假设线圈间的耦合系数为k,R1与L1的合阻抗为Z1,R2与L2的合阻抗为Z2,Lm的阻抗为Zm,则有
Z1=jwL=jw(1-k)L1 (1)
Z2=jwL=jw(1-k)n2L2=jw(1-k)L1 (2)
Zm=jwL=jwkL1 (3)
无线传能的传输效率可表示为
式中:ULIL是电路电压、电流;UPIP是电源电压、电流。由于无线充电UPS线圈间隙耦合的k值偏小,因此通过式(4)可知无线充电系统UPS传输效率不高。
1.2.3 无线感应耦合电能传输技术优点
1) 成本较低:
无线充电系统NIDS设置在远程网络中,可以是一个节点,也可以是多个关键节点。由于无须在每台电器上都安装NIDS,实现和管理成本较低。
2) 实时充电及响应[2]:
NIDS充电可以随时发现应对访问或者反馈,并能迅速做出响应措施,具有较强的实时性。这种实时性使得可以根据预先定义的参数迅速采取相应的行动,从而将电能传输造成的损失减至最低。
3) 电压倍增:
无线能量的一个主要障碍是把收获到的相对低功率无线射频(RF)能量增强到足够高的直流电压为实际使用。于是使用几个电压倍增器串联,以提高无线能量收集电路的直流输出电压的拓扑[3]。为了保证电路有足够的电压和功率,在实际应用中,通过串接EHU大电容来实现。
2 无线充电系统功能仿真设计
2.1 系统的功能设计
2.1.1 无线网络模块
无线网络模块主要是微波功率接收与指令系统使用(图2所示)。
这个微波接收系统包括整流电路、DC-DC转换器、恒定直流电源3部分。电源存储器由一个电容建立,如果微波功率不足以推动ZigBee设备,电容可以取代二次电池。二次电池,可以提供稳定的电力,但它比电容寿命短。在这项研究中使用的ZigBee设备套件是由NEC生产的ZB24FM-Z套件(其中含有温度传感器)。ZigBee网络由控制节点(ZED)、通信基站(ZC)和控制终端(ZR)三部分组成。
2.1.2 电源模块
目前,运用无线网络远程控制的感应耦合电路一直是电源设计的关注热点[4]。作为电源设计中常用的单片机,常常利用可控硅器件控制电压电流大小,有时电源还能感应耦合电路自动开闭。感应耦合电路方案利用单稳态晶闸管可控硅器件控制电路,以达到感应耦合电路传输的目的(图3所示)。
2.2 电路的设计
2.2.1 感应控制电路
根据RC感应耦合规律,利用可控硅器件构成如图4所示的电源制电路。
图4中,因为反相器输出的电平幅度是独立的,为保证传输系统导通,电路设计了VD1;为了保证感应电路传输的平稳性,令UI为高电平,且电路增加了VD2。这样,无论电平高低,晶体管V都会由导通变成截止,这样保证CX可控硅器件充电,导致Uc上升。如果Uc>UR,那么电器呈现为低电平。同样,如果CX放电,导致Uc逐渐下降,只要Uc>UR,电器必然呈现为高电平。根据推导可得出
Tx=RCXln
若取UR=(VCC+VCES)/2,则得TX=RCXln2。
另外,根据电路传输控制,还可以对电路传输控制进行优化。如果CX改变脉冲宽度,让TX与CX成正比,那么,TX因无线电路系统的饱和压而降低VCES,很自然进行数据锁存。
3 无线感应耦合电能传输系统的仿真
3.1 函数量变模型
假设将Vcc=5 V,R=100 Ω代入式(5),则-icx>βIB-50,β是感应耦合传输系统的电流放大系数,IB是感应耦合传输系统的2位显示电流,它与Rb的函数关系为
式中:1.4 V为正向压降和系数。
这里,由于无线充电变化,Uc的最大值是5 V,放电结束时Uc的最小值是0,方波振荡周期为0.5 s。当无线充电系统反相器电压UI变化成高电平时,晶体管由于截止导致CX充电,整个电路Uc上升。只要Uc>VREF,那么电路电压是低电平[5]。同样,如果CX放电,只要Uc<VREF,电压必然是高电平。
3.2 无线充电系统的仿真测试
假设无线充电电路UI为低电平,那么CX放电,晶体管导通。一旦CX左右两边电压Uc>VCES,CX中的电流为
如果R=100 Ω,Vcc=5 V,那么-icx>βIB-50(mA)(β是电流系数,IB是基极电流)。这样可以得到与Rb函数关系与式(6)相同。
如果继续将Vcc=5 V进行无线充电优化,和式(7)结合成方程组,得到
可以得到无线充电电路仿真波形如图5所示。
从图5b可看到模拟结果十分符合充放电的相关规律,电平的变化和为无线传输的质量是相吻合的。
4 总结
无线充电是随着微电子及云计算技术应运而生的无线充电传输技术,开发具有现实挑战性。在科技和技术日
益发展的今天,开放性和可编程性无线充电技术会发展的更好,相信有一天感应耦合电能传输会成为人们生活的好帮手。
摘要：无线充电是随着微电子及云计算技术应运而生的无线充电传输技术。其强调体系结构的开放性和可编程性,减少灵活性差的硬件电路,这种预处理技术就是所谓的感应耦合电能传输技术。基于此理念提出了感应耦合电能传输无线充电技术,在无线网络下无线充电工作原理和无线充电技术参数基础上,详细设计了系统功能模块和电路,最后通过函数算法进行了系统测试,模拟实现了无线充电技术的仿真。
关键词：无线充电技术,感应耦合传输,电路设计
参考文献
[1]黄洁琳,章磊.无线充电的设计[J].山西电子技术,2009(3):30.
[2]肖志坚,韩震宇,李绍卓.关于便携式电子设备新型无线充电系统的研究[J].自动化技术与应用,2007(12):114-116.
[3]池雪莲.交直流自动切换无线传能充电器的设计[J].山东师范大学学报:自然科学版,2010,25(S2):35-37.
[4]倪兰.无线充电技术国际标准发布市场风险致主流厂商态度未明[J].通信世界,2010(33):4.