電動汽車充電樁用磁保持繼電器動態特性優化

車賽 遲長春 左少林 王澤濤

（上海電機學院，上海 200120）

1 前言

充電樁作為電動汽車的配套系統，可提供快速、安全的充電服務，為電動汽車的快速發展提供有力保障。繼電器作為充電樁的執行單元，在實際工作中需要頻繁動作，實現用戶自助充電、計費監控、故障報警等智能控制功能[1]。當遇到突發狀況，例如充電樁發生短路時，電動汽車無法正常進行能量補給，繼電器應能自動斷電以保障人身安全。因此，繼電器的閉合可靠性及使用壽命直接關系到充電樁的安全與穩定。

相比于傳統的電磁式繼電器，磁保持繼電器結構簡單，控制方便，無需長時間通電，溫升和噪聲較小，且受電網波動的影響很小。目前，國內外學者已對磁保持繼電器開展了諸多研究，如電磁仿真和動態建模仿真[2-3]、抗干擾分析研究以及控制電路設計[4-5]等。

研究顯示，磁保持繼電器在閉合過程中達到穩態前，動、靜觸頭由于碰撞會發生彈跳。多次彈跳產生的短電弧使得接觸部位產生高溫，由于熔池內外存在很大的溫度梯度，熔池內金屬快速凝固結晶，使得接觸部位形成熔焊點。當觸點的熔焊力大于其分斷力時會產生熔焊，這種情況對于容性負載更為嚴重：容性負載接通過程中，瞬時峰值電流可達額定電流的10～15 倍，峰值電流附近的閉合過程加速了觸點的燒損，嚴重損害磁保持繼電器的使用壽命，導致充電樁發生故障[6]。

因此，探究動態合閘特性的影響因素及其改善方法，提高磁保持繼電器的使用壽命和閉合可靠性，減少動、靜觸頭的彈跳次數，對充電樁的穩定運行具有重要意義與實用價值。

2 磁保持繼電器分析

本文針對YK818-B系列充電樁用磁保持繼電器進行研究，如圖1 所示。線圈額定電壓為12 V 直流，單線圈電阻范圍為129.6～158.4 Ω，線圈額定電流范圍為0.076～0.093 A，2 500匝，吸合釋放時間小于20 ms。

圖1 YK818-B系列磁保持繼電器

2.1 電磁機構

磁保持繼電器的電磁機構包括銜鐵組件（含永久磁鐵和上、下磁極片）、鐵芯、軛鐵和線圈[7]，如圖2 所示。軛鐵與上、下磁極片之間的工作氣隙和銜鐵組件可將電磁能轉換為機械能，從而帶動整個接觸機構工作。

圖2 電磁機構示意

2.2 電磁機構仿真與分析

在ANSYS 軟件的Maxwell 3D Design 中建立電磁機構仿真模型，永磁鐵為Y30BH，鐵芯和軛鐵為電工純鐵（DT4E）。網格劃分時，銜鐵組件附近的網格精度更高，其余部件自由劃分即可，如圖3所示。

圖3 電磁機構網格劃分

對銜鐵組件進行參數化分析，其中磁動勢范圍為0～390 At，旋轉角度范圍為-7°～7°，以麥克斯韋理論為基礎，進行電磁場的求解計算，仿真得到不同磁動勢和旋轉角度的合力矩及其變化趨勢，如圖4所示。

3 動態模型系統仿真及優化

3.1 動態數學模型的建立

磁保持繼電器電磁機構閉合和關斷的動態過程中，涉及電磁、熱能變化及機械運動等多方面因素，因此需要在電磁系統上使用電壓平衡方程，在磁場上使用麥克斯韋方程，機械運動遵循達朗貝爾運動方程，這些相互聯系的方程構成了描述機構動態過程的微分方程組[8]，忽略細微的渦流損耗及線圈工作溫度變化，方程組表達形式為：

式中，U為線圈勵磁電壓；R為線圈電阻；i、Ψ分別為線圈電流及電磁系統磁鏈；T、Tf分別為電磁轉矩和反作用力矩；J為銜鐵組件的轉動慣量；ω為銜鐵組件角速度；α為銜鐵組件旋轉角度；t為時間。

其初始條件為：Ψ|t=0=Ψ0，ω|t=0=0,α|t=0=α0。

圖4 銜鐵組件合力矩特性

3.2 模糊控制器設計及優化

由圖4可知，為了降低動、靜觸頭碰撞的速度，應在閉合初始階段將其占空比設置為最大，在末尾階段將占空比設為最小，由此建立模糊規則如表1所示。表1中，輸入量為銜鐵組件旋轉角度α和旋轉角速度ω，輸出量為脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）占空比D，XS、S、M、L、XL分別表示很小、小、中、大、很大。

表1 模糊規則

當α和ω很小時，輸出的PWM 占空比很大，使通入線圈的脈沖電流很大，增大了銜鐵組件的合力矩及旋轉速度，從而達到快速閉合的目的，可提高磁保持繼電器的可靠性。反之，當PWM占空比很小時，減小銜鐵組件在動、靜觸頭碰撞前的角速度，以減少觸頭間的彈跳。

為了進一步縮短閉合時間，減少動、靜觸頭間的彈跳，采用遺傳算法優化模糊控制規則。本文遺傳策略設置為隨機均勻分布選擇法、算數交叉法及自適應變異法。設置遺傳算法種群規模為20，交配概率為0.8，變異概率為0.2，進化代數達到100 代時算法停止。對于模糊控制規則，本文采用十進制編碼方式，使用1～5 依次代表XS、S、M、L、XL 5 個語言值，即數字化模糊控制規則，形成遺傳算法的個體。控制目標為在旋轉速度小于模糊控制下的旋轉速度時，使得閉合時間最短，適應度函數為min(c1·t+c2·ω),{t,ω|θ=-7°}，其中c1、c2為常系數。優化流程如圖5所示。

圖5 遺傳算法流程

經過94 代達到最優解，最優結果轉換成模糊規則如表2所示。

表2 優化后的模糊規則

3.3 動態系統模型建立

根據磁保持繼電器的動態數學模型，在MATLAB/Simulink 中建立主電路模塊、機械運動控制模塊、模糊控制模塊及遺傳算法優化模糊控制模塊，如圖6所示。

3.4 仿真結果對比分析

模型中包含了原始系統、模糊控制系統及遺傳算法優化模糊控制系統，將3個系統的機械運動控制模塊輸出的角度及角速度進行對比，結果如圖7所示。

圖6 磁保持繼電器動態系統模型

圖7 角度和角速度仿真結果對比

由圖7可知，模糊控制降低了原始系統銜鐵組件的角速度，但旋轉時間增加較多。采用遺傳算法優化模糊控制后，閉合時間和銜鐵組件運動結束時刻角速度相對于模糊控制明顯減小，動態特性更優，從而減小動、靜觸頭接觸時的碰撞力，減少觸頭間的彈跳。

4 試驗驗證

觸頭閉合時的速度較小，難以捕捉到具體彈跳時長及現象，因此，在觸頭兩側串聯采樣電阻與直流電源，試驗原理如圖8 所示。在閉合過程中，采用示波器捕捉采樣電阻兩端的電壓波形，即可直觀地反應觸頭的彈跳現象。

圖8 試驗原理

利用圖8所示的原理，搭建樣機開展試驗，如圖9所示。利用樣機分別測出原始系統、模糊控制系統以及遺傳算法優化模糊控制系統的觸頭彈跳波形，如圖10所示。

圖9 實物樣機

圖10 觸頭彈跳及銜鐵組件旋轉波形

由圖10 可以看出：原始系統中觸頭彈跳現象最嚴重，彈跳時間約6 ms，完全閉合時間約12 ms；線圈電流采用模糊控制優化后，觸頭彈跳明顯減小，彈跳時間約3 ms，但銜鐵組件旋轉時間過長，觸頭完全閉合時間約19 ms，雖然觸頭彈跳減少，但閉合時間過大，閉合可靠性大幅降低；采用遺傳算法優化模糊控制后，銜鐵組件旋轉時間降至16 ms，且觸頭彈跳時間縮小至約1 ms。

5 結束語

本文針對充電樁用磁保持繼電器合閘過程中觸頭彈跳引起的溫升、熔焊及損耗問題，進行了銜鐵組件電磁仿真和動態系統建模仿真，使用遺傳算法對合閘過程模糊控制策略加以優化。通過試驗獲得了原始系統、模糊控制系統、遺傳算法優化模糊控制系統的合閘過程波形，結果表明：采用遺傳算法優化模糊控制的方法可有效改善觸頭彈跳現象，且閉合時間相對于模糊控制系統明顯減小，可提高磁保持繼電器的使用壽命和穩定性。