基于無線供電智能電池巡檢儀充電設計

趙緯明 楊夢

摘 要：本文主要介紹了一種基于MSP430F5529芯片的具有無線充電功能的智能電池巡檢儀，分別在軟件設計和硬件設計兩方面分析，可實現遠距離高效率供電的同時保證實時、穩定地檢測控制多路信號，準確顯示多路溫度、壓力、液位等工業過程參數。

關鍵詞：智能電池巡檢儀；原理；硬件

中圖分類號：TN16 文獻標志碼：A

0 引言

由于受到全球化影響，能源與環境面臨巨大的挑戰，在民生和工業領域可再生能源有著廣闊的發展前景和巨大的挖掘潛力。本文設計的智能巡檢儀采用蓄電池作為儲能設備進行無線充電，為巡檢儀提供電能儲備，在滿足無線輸電的同時可降低設備功耗，實現增加系統穩定性和數據傳輸的可靠性等功能。

1 基本原理

1.1 智能電池巡檢儀基本原理

電池智能巡檢儀是一種電池作為電源提供能量的設備，利用主機的連接線接入電池的正負極，導通電流并接入溫度傳感器。整流設備停止運行即蓄電池為直流負荷供電時，巡檢儀檢測到電流變化后，自動啟動放電程序。根據電流、電壓等數據曲線可以計算出電池的剩余電量，并標記不合格電池。

1.2 蓄電池充電工作原理

本文設計的智能巡檢儀在電池充電時雖然采用的是無線充電方式，但其原理與外接電動勢較大的直流電源的蓄電池相同。所有類別的電池都是一種將化學能轉變為電能的設備，其金屬離子作為導電粒子可自由在導體中移動以實現導通電流的功能。常用的鉛蓄電池在充電時，在充電導通電流的推動下，生成PbO2、Pb、H2SO4。這一過程是電解液密度回升，與放電時電解液稀釋的反應相反，如此往復形成蓄電池的充放電。

1.3 無線供電原理

綜合考慮現有的3種無線供電方法：電磁耦合；光電耦合；電磁共振。本項目采用電磁共振的方法實現對巡檢儀的無線供電。電磁諧振式無線供電技術是一種集電磁場、電力電子、高頻電子、電磁感應原理、耦合理論等多學科交叉的基礎研究與應用研究，其具有非輻射性、無方向限制性、穿透性等特點。由于在全體空間內可以進行能量交換的介質是交變磁場，除電場側外對環境的影響也可以忽略不計。

本項目采用的電磁諧振式無線供電方式與高效短距的電磁感應式無線供電和低效率遠距離的電磁輻射式無線供電相比，理論上的傳輸距離能最遠可達到5m左右，傳輸效率的效率十分高，能超過40%。下式（1）（2）為串聯諧振無線供電系統的模型的計算公式，計算公式中的η代表為傳輸效率，Q代表為系統的品質因數，都是電磁諧振式無線供電技術的重要性能指標：

（1）

（2）

公式（1）中，μ0為空間磁導率；N1、N2位初、次級繞組匝數；r1、r2位初、次級線圈的半徑；d為初、次級繞組間的距離；R1、R2為初、次級繞組電阻值；RL為負載電阻值；ω為系統固有頻率。

從式（1）（2）可以看出，傳輸距離的大小對電磁諧振式供電系統起著重要的影響，而負載電阻對其系統整體的傳輸效率影響較小。品質因數是衡量高頻傳輸系統的品質的一個重要因數，電磁諧振式無線供電技術工作在電路的諧振頻率上時，諧振電路則會產生諧振，進入到振蕩中。

2 智能電池巡檢儀硬件設計

2.1 總體結構

本文設計的無線供電智能電池巡檢儀由MSP430F5529單片機作為主芯片，采用VOX330MP05S模塊來實現無線供電傳輸，結合其他驅動實現對智能電池巡檢儀的無線供電。

2.2 單片機選擇

智能電池巡檢儀是一種檢測蓄電池工作狀態、運行情況的智能儀表。對單片機的要求是功耗低、性能強，能穩定驅動實現無線供電功能以及數據接口傳輸等通信功能。

本巡檢儀采用MSP430系列F5529型號的單片機，其基本功能有：16位超低功率微處理器；采用精簡指令集（RISC）結構，大多數是模擬指令，只有27條簡潔指令；功耗是μA級，工作電流極小，關斷電流僅為0.1μA，待機電流為0.8μA，端口漏電流小于50nA，并且可以零功耗掉電復位（BOR）；128KB閃存，8KB RAM；具有USB接口；12位ADC等。相比較于傳統的51系列單片機，引進Flash型程序存儲器和JTAG技術，可實現在線編程使，簡化編程人員的工作，提高效率。

2.3 無線供電芯片選擇

無線供電作為一種新型輸送電能的方式，其應用和發展具有巨大的市場空間。由于電器電源二者無直接接觸完全分離，電器的用電安全問題得以保障。并且無線供電的使用環境不受限制，磁場能穿透非金屬材質產生電能進行輸送，例如玻璃、木頭、石板等，也包括水和空氣等最常見的介質。而這種使用安全操作簡便的輸電方式是有線供電無法實現的。

為了更好地實現電池巡檢儀的智能現代化，本智能電池巡檢儀加入無線供電模塊，是無線供電成為可能。本次采用VOX330MP05S模塊做為實現無線供電傳輸的核心芯片，該芯片具有3個引腳，其引腳定義為第一引腳為電源，第二引腳為輸出端，第三引腳為接地端。

該芯片的電源端電壓工作范圍為9-15VDC，只要給VOX330MP05S提供一個12V的工作電壓，它就能推動電感電容諧振回路，最終將電能發射出去。由于電池巡檢儀需要大功率電能傳輸充電，故在電路設計中采用變壓器降壓來實現對IC的充電，為了給IC散熱降溫接入一個低功率風扇。

3 無線供電軟件設計

為了實現對充電過程的監測和對充電電路的實時調控，本智能電池巡檢儀的無線充電功能軟件設計部分采用MSP430單片機上自帶的AD轉換器，在線監測蓄電池兩端的電壓。在符合規定電壓是發射控制信號以斷開該電路。由于MSP430具有的高速、高精度AD轉換器，多功能性能良好的定時器等優點，本巡檢儀上另設計有充電顯示進度條、實時充電電壓監測、已充電時長和預計剩余充電時間等內容。在繪制進度條時采用根據電壓值計算坐標、調用直線函數的方法進行，可以達到更為逼真的效果，體現本智能巡檢儀的人性化。

4 智能電池巡檢儀的調試

根據國家的要求JJF 1071—2010《國家計量校準規程編寫規則》，JJF 1001—2011《通用計量屬于及定義》，JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》等準則，重點對電池巡檢儀的無線充電功能進行調試，抗干擾功能作為主要功能也需作適當校正。

針對于巡檢儀用于在不間斷電源、電力整流電源環境中工作，供電系統、噪聲、電磁都會對其造成一定程度的干擾，進而影響無線輸電功能。因此從軟硬件兩方面應盡可能的減少智能電池巡檢儀收到的干擾。

在對智能電池巡檢儀的無線供電功能進行調試時，電源電壓一定要從低電壓開始，慢慢上調直至達到穩定工作電壓，防止發生事故；測量電池組電壓以及充放電電流時要小心接線，不可接反并要仔細檢查。

結語

本文以無線充電智能電池巡檢儀作為設計載體，重點對蓄電池的無線充電技術進行深入研究。在參考了前人對無線供電領的初步研究，比較分析現有的無線供電方式后，最終選取了電磁共振的方式實現對電池巡檢儀中的蓄電池進行較遠距離、高效率的充電。這種無接觸式的充電方式大大減少了電器用電安全的隱患，對智能電池巡檢儀的推廣和使用具有重要影響意義。

參考文獻

[1]劉冰，張立紅，陳文娟，等.多負載諧振耦合式無線輸電的傳輸特性研究[J].大學物理，2017，36（11）：58-63.