電動車無線充電系統用嵌入式控制系統設計

(遵義鋁業股份有限公司，遵義 563100)

引　言

磁耦合共振技術是一種以電磁場為媒介，利用具有相同諧振頻率的電磁諧振系統，通過磁耦合諧振作用實現電能無線傳輸的技術[1-2]。其技術特點為傳輸距離遠、系統效率高且傳輸功率大，可開辟無線電能傳輸技術研究的新領域。經過近幾年的不斷發展，該技術已經成功應用于電動車、人體植入式設備及便攜式設備等無線充電場合[3]。

本文主要研究適用于電動車無線充電系統的嵌入式控制系統，其發揮了系統充電控制、充電狀態監測以及充電數據實時顯示與記錄等作用[4]。其中，系統控制包括恒流/恒壓充電切換控制和系統效率優化控制等；充電狀態監測包括系統輸入電壓/電流，過流/過壓信號以及輸出電壓/電流等；充電數據實時顯示與記錄主要用于保存充電過程中的數據，便于電能計量、故障分析以及人機交互等。嵌入式控制系統一方面能夠保證無線充電系統高效且可靠的運行；另一方面能夠為用戶提供直觀的人機交互界面，有效地提高用戶體驗。

1　系統工作原理與功能需求分析

1.1　系統工作原理

圖1　系統結構圖

系統結構圖如圖1所示，無線電能傳輸系統包括一次側部分和二次側部分。根據系統功率等級需求，一次側工頻輸入電壓為220 Vac或380 Vac，經過工頻整流濾波后，全橋逆變器將直流電轉換為高頻交流電(通常為85 KHz)；一次側與二次側均采用串聯結構對發射線圈和接收線圈進行補償，保證系統工作頻率與發射/接收線圈頻率一致，提高系統效率和降低系統功率容量；高頻交流電通過發射線圈形成交變磁場。

接收線圈接收到交變磁場后，經過副邊高頻整流濾波電路，交流電變為直流電，從而實現鋰電池的恒流/恒壓充電。本文采用STM32F103作為控制器，WiFi通信模塊用于實現一次側與二次側之間信息的無線交互；霍爾電流/電流傳感器采集到高頻電流和電壓信號；工頻電能計量模塊測量系統輸入電流、電壓、功率因數等信息。

1.2　功能需求分析

電動車無線充電系統的嵌入式控制系統需滿足安全充電、智能化且高效可靠等特性，具體而言一套無線充電系統應該滿足如下功能需求：

① 保證系統的安全且可靠運行，系統有電氣保護裝置。當發生突發故障時，系統必須在規定時間內快速切斷電源并發出警報，確保用戶及電動車的安全；

② 準確讀取電網參數，準確計量電價；

③ 人機交互界面友好，便于操作，圖形化設計，用戶自助充電；

④ 充電界面顯示用戶充電數據：充電進程、當前電壓、當前電流、電價以及余額等信息；

⑤ 后臺管理系統識別用戶的身份信息，能夠對用戶的個人數據進行查詢和操作。

1.3　嵌入式平臺設計

基于第1.2節中的功能需求分析，電動車無線充電系統的嵌入式控制系統包括人機交互界面、溫濕度檢測單元、IC 卡識別單元、電量計費單元、直流輸出單元等，如圖2所示。

圖2　嵌入式控制系統的結構

根據圖2所示的嵌入式控制系統結構圖，可進一步將其分為三個系統：數據采集系統、充電控制系統和人機交互系統，如圖 3所示。其中，數據采集系統通過微控制器完成對電表、溫濕度傳感器、讀卡器等外圍電路的數據采集。充電控制系統通過微控制器完成對直流輸出單元的控制以及與電池管理系統的通信。人機交互系統選用欣瑞達公司觸摸屏，界面采用自帶軟件編寫。通過RS232接口與STM32F103通信，實時顯示用戶個人信息、充電進程、充電參數等數據。

圖3　嵌入式控制系統的模塊化結構

2　數據采集系統設計

如圖2所示，數據采集系統和人機交互系統主要完成無線充電系統的實時電網參數狀態監測、溫濕度檢測、用戶信息讀取、充電計費數據運算以及相關參數顯示等功能。本節主要設計STM32F103控制板與電能表、溫濕度傳感器、IC卡讀卡器、組態屏的硬件電路接口與連接。

2.1　電網參數采集單元

圖4　電網參數計量模塊

電網參數采集模塊采用艾銳達光電公司的IM1227單相互感式計量模塊，如圖4所示。通過RS485通信接口與STM32F103實現數據交互。具體而言，模塊功能特點如下：采集單相交流電參數，包括電壓、電流、功率、電能等多個電參量；采用專用測量芯片，有效值測量方式，測量精度高；RS485通信接口，通信規約采用標準 Modbus-RTU，兼容性好，方便編程；寬工作電壓 AC 80～265 V，并具防接反保護功能，接反電源不會損壞模塊。

2.2　電池充電信息采集單元

電池充電信息主要包括直流充電電流和直流充電電壓。本系統中采用北京森社公司的閉環霍爾電流模塊LA-50P和閉環霍爾電壓模塊CHV-25P，如圖5所示。

圖5　充電電流/電壓采集電路框圖

圖7　觸摸屏與STM32接口電路

上述兩個模塊均采用霍爾磁補償原理制造，原邊輸入電流IN與副邊輸出電流IM電氣隔離，并真實地跟隨輸入電流/電壓線性變化。其中，LA-50P用于測量50～100 A直流、交流及脈沖電流；CHV-25P用于測量10～600 V(10 mA)直流、交流、脈沖電壓。這兩個模塊的輸出均為電流信號，需要使用電阻將電流轉換為電壓信號，經過信號調理電路后，送入STM32F103控制的A/D采集單元。

2.3　溫度與濕度采集單元

溫濕度傳感器技術從檢測復雜的模擬量發展到目前數字化智能檢測的階段。本文選用 DHT11 數字化溫濕度檢測器，其內部由8位單片機、測溫元件以及濕感元件構成。該傳感器具有抗干擾能力強、穩定、可靠的優點。

圖6　溫濕度傳感器接口電路

DHT11供電電壓為3～5.5 V。DHT11 上電后，為了使其達到穩定狀態，微控制器在1 s內不發送任何命令。DHT11 供電電壓為3.3 V，電源與地之間要加一個 100 nF 的去耦濾波電容。STM32F103控制器通過I/O口與DHT11通信，通信遵循單總線數據格式，如圖6所示。

3　人機交互界面設計與系統測試

觸摸屏分析如下：根據第1.2節的功能需求，觸摸屏實時顯示充電進程、電網參數等數據；用戶能夠通過人機界面提供的操作接口，完成充電、查詢等操作。

3.1　硬件接口

本系統采用欣瑞達觸摸屏XG0505FI-B3，搭載欣瑞達 SGUS(超級圖形應用軟件)系統。用戶可通過 SGUS 串口智能顯示終端實現觸控功能,如數據文本錄入、 按鍵值返回、增量調節、彈出菜單等；也可以快速實現顯示功能，如表盤時鐘、圖標變量、藝術字、曲線顯示、列表顯示、文本顯示等。觸摸屏通過RS232與STM32F103進行數據交互，最高波特率為921 600 bps，接口電路如圖7所示。

3.2　界面設計

結合功能需求分析和人機交互界面應用環境，界面應滿足如下要求：人機交互界面顯示充電狀態信息；人機交互界面輸出計費管理系統信息；用戶通過人機交互界面實現自助充電；管理員通過人機交互界面查詢充電記錄。

本文設計的交互界面實現用戶自助充電，并且對用戶相應的誤操作給出提示。充電主界面如圖 8所示。

圖8　觸摸屏界面設計

結　語