基于RFID技术的嵌入式充电桩电磁耦合器设计

刘大龙, 朱浩清, 颜晓文, 朱键濠

(广东工业大学 华立学院，广东 广州 511325)

基于RFID技术的嵌入式充电桩电磁耦合器设计

刘大龙, 朱浩清, 颜晓文, 朱键濠

(广东工业大学 华立学院，广东 广州 511325)

嵌入式充电桩电磁耦合器是实现充电桩的感应电能智能控制和传输的重要部件，设计充电桩设计的核心。通过对电磁耦合器的优化控制设计提高充电桩电能输入输出的稳定性。提出基于RFID技术的嵌入式充电桩电磁耦合器设计方法，进行嵌入式充电桩的充电原理分析和系统的总体设计描述。在平板式电磁耦合器基础上构建嵌入式充电桩电磁耦合器电能传输的拓扑结构，基于RFID无线射频识别技术进行嵌入式充电桩电磁耦合器的电路集成设计，采用自适应加权耦合控制进行嵌入式充电桩电磁耦合约束参量的优化控制，提高输出性能。实验结果表明，该系统具有较好的智能充电控制能力，对电动汽车的充电效率较高，提高了智能充电桩的电能传输效率。

RFID技术；嵌入式；智能充电桩；电磁耦合器；电动汽车

0 引 言

随着汽车保有量的增多，汽车的尾气排放对环境污染造成了较大的影响，发展电动汽车成为未来汽车工业发展的重要走向。电动汽车(BEV)是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，近年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展，电动汽车的技术也不断在完善，商业化电动汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显著的进步，在电动汽车取得了巨大发展的同时，制约电动汽车发展的充电桩问题凸显，研究发展智能充电桩在促进电动汽车工业发展具有重要意义[1-3]。

嵌入式充电桩电磁耦合器是实现充电桩的感应电能智能控制和传输的重要部件，设计充电桩设计的核心。通过对电磁耦合器的优化控制设计提高充电桩电能输入输出的稳定性，相关的设计方法研究受到人们的重视。嵌入式智能充电桩是一种多变量、非线性的强耦合系统，在其电磁耦合器控制过程中，需要构建多元的约束参量模型[4-7]，传统方法中，对嵌入式智能充电桩的电磁耦合器的设计方法主要有基于模糊神经网络控制的电磁耦合控制方法和基于耦合器最小功率补偿的电磁耦合器设计方法，其中Feezor和Sorrell等人研究开发的200 W的电能传输耦合器CLPT系统[8-10]，提高了对充电桩的充电效率，但是该系统在受到不稳定电压干扰下，会导致输出电压失真，对充电桩的稳定性控制水平产生影响。针对上述问题，提出基于RFID技术的嵌入式充电桩电磁耦合器设计方法，RFID是一种射频识别技术，采用非接触式的自动识别进行电动汽车的充电桩电磁耦合控制，提高充电桩的智能水平和电能传输稳定性。首先进行了充电桩的电磁耦合器系统总体设计描述和等效电路约束参量分析，然后进行了基于RFID技术的嵌入式充电桩电磁耦合器设计充电系统的电路设计，最后通过实验分析进行了性能验证，得出有效性结论。

1 嵌入式充电桩电磁耦合器充电原理及系统总体设计描述

图1 智能充电桩的线圈序列工作原理示意图

为了实现对智能充电桩的优化设计，基于RFID技术进行嵌入式充电桩电磁耦合器设计，提高充电的稳定性和可靠性，首先进行嵌入式充电桩的充电原理分析，智能充电桩是通过线圈序列磁共振进行智能充电和电能传输，嵌入式充电桩磁耦合器通过接收线圈的感应电能，通过发送线圈将电能采用次级共振传输方式输送到智能充电桩的发射端线圈序列，根据上述分析，得到嵌入式充电桩线圈序列电磁分布传输的工作原理示意图如图1所示。

图2 平板式电磁耦合器

图中可见，嵌入式智能充电中在进行电动汽车充电过程中，采用的是电磁共振式无线电能传输方式进行能量传输，而充电桩的电磁耦合器是实现充电桩的感应电能智能控制和传输的重要部件，通过设计充电桩的电磁耦合器的，对充电过程进行优化控制，提高充电桩电能输入输出的稳定性，采用平板式电磁耦合器作为嵌入式电磁充电桩的耦合器雏形，结合RFID技术进行无线射频识别，平板式电磁耦合器如图2所示。

在整个开发过程中，采用STM32F101xx芯片嵌入式设计，STM32F101xx芯片是一款高性能的ARM Cortex-M3为内核的32位RISC芯片，通过对嵌入式充电桩的电磁耦合器的睡眠、停机和待机三种模式控制，进行智能充电和断电。根据上述系统的总体设计描述和开发环境构建，进行基于RFID技术的嵌入式充电桩电磁耦合器设计，主要包括了硬件电路设计和软件实现两大部分。

2 嵌入式充电桩电磁耦合器的硬件电路设计及分析

图3 嵌入式充电桩电磁耦合器电能传输的拓扑结构

为了实现对嵌入式智能充电桩的电磁耦合器的优化设计，结合无线射频识别RFID技术进行电路设计，在器件和核心芯片选择方面，嵌入式微处理芯片采用的是STM32F101xx芯片，射频读卡芯片采用低功耗多协议的德州仪器公司的TRF7960。在本系统中，由于磁芯间隙的存在，线圈序列磁共振模式采用并联电容方式，进行共振，综合使用等效电路法和有限元法，进行等效电路设计，嵌入式充电桩电磁耦合器的发射线圈和接收线圈实现电能传输的拓扑结构如图3所示。

图3给出的嵌入式充电桩电磁耦合器电能传输的拓扑结构中，当线圈处于谐振状态时，嵌入式充电桩电磁耦合器的截止频率为ω0。假设嵌入式充电桩电磁耦合器的发射线圈电流有效值为Ip，则线圈1次级共振电流有效值为Is，将STM32F101xx给予相应的晶振，得到共振线圈2 上电流有效值Ir，计算低功耗特性的TRF7960的负载Ro，系统的Vdd越低，其Pspc就越低，此时输出的系统的动态功耗有效值Io为：

(1)

嵌入式充电桩电磁耦合器的反射阻抗为Zrl：

(2)

采用SPI接口方式进行系统的静态功耗测试，在并联情况下计算线圈导线的反射阻抗Zrl，Zsr，Zps分别为：

(3)

(4)

根据上述分析，设计嵌入式充电桩电磁耦合器的匹配电路如图4所示。

图4 嵌入式充电桩电磁耦合器的匹配电路

图中，智能充电桩嵌入式控制中的逻辑时序配置异步存储器，在中距离共振条件下，若采取并联谐振的方式，而此时输入电流、负载、谐振频率保持不变，那么Msr就会随着距离的增加而减小，此时嵌入式充电桩的输出功率可表示为:

(5)

(6)

使得智能充电桩单个线圈的传输电磁感应输出功率最大，令：

(7)

使用电源分流装置得到智能充电桩电磁耦合器系统在最大功率传输目标控制下的互感值收敛到最优，此时电磁耦合器的互感值为：

(8)

(9)

在电磁耦合器的偶极子的辐射磁矩一定时，计算得到负载Ro，此时电磁耦合器进行智能充电的传输效率的优化互感值为：

(10)

(11)

图5 嵌入式充电桩电磁耦合器的电路集成设计结果

3 系统分析与约束参量优化控制

根据上述嵌入式充电桩电磁耦合器的电路设计结果，进行充电桩的充电性能分析及约束参量优化控制，系统采用RFID无线射频识别方法[11]，充电桩的识读器的主要功能是对应答器上的信息进行识读和写入，进行智能充电和断电，根据上述电路设计结果，对系统的约束参量进行优化控制，分析电磁耦合器的3D磁场分布[12]，提高电能传输的稳定性，计算得到嵌入式充电桩电磁耦合器的初级侧和次级侧的磁滞损耗阻抗可以表示为：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

其中ω=2πf。在电磁耦合器中，采用能量损耗最小约束模型，计算电磁耦合器中的电感Llp，Lls和Lm，整流和滤波电路的设计直接影响谐振性能，在谐振条件下，计算线圈损耗和电容损耗Cp和Cs，计算公式描述为：

(17)

(18)

基于RFID进行嵌入式充电在的电磁耦合器的等效电路设计，得到嵌入式充电在的电磁耦合器中各部分阻抗分别为：

Z3=Req+Zs

(19)

(20)

(21)

其中

(22)

(23)

Zm=jωLm

(24)

然后将次级绕组的电压增益通过电磁耦合器初级绕组进行自适应加权耦合控制，负载输出的谐振频率决定了嵌入式充电在的电磁耦合器的漏感、励磁电感和补偿电容的阻抗值，进一步计算得到了接触式充电系统的电压、传输功率及工作频率：

(25)

(26)

(27)

其中

(28)

(29)

(30)

对充电系统的电压、传输功率及工作频率的控制目标函数进行优化求解，提高了对充电桩的稳定性充电和电能传输能力，由此实现了基于RFID技术的嵌入式充电桩的优化设计。

4 实验分析

为了测试本文设计的基于RFID技术的嵌入式充电桩电磁耦合器的性能，进行系统调试和实验分析，首先给出嵌入式智能充电桩电磁耦合器的各个系统构件的参量值，如表1所示。

图6 智能充电桩输出功率测试结果

根据上述参量设定结果，进行充电池的电能传输的性能测试，得到本文设计的智能充电桩输出功率和效率随着偏芯偏移距离的变化的输出结果如图6和7所示。充电电能传输效率随偏移角度变化如图8所示。

表1 嵌入式智能充电桩电磁耦合器各元件参数值

图7 智能充电桩充电效率测试结果

从图可见，通过本文方法进行嵌入式充电桩的电磁耦合器设计，实现充电桩的充电性能优化，采用本文设计的智能充电桩，输出功率和效率的实际值与理论值具有较高的跟踪匹配性能，充电效率较高，功率增益增大，智能充电桩的电能传输效率提升，性能优越。

图8 智能充电桩的电能传输效率

5 结束语

通过对电磁耦合器的优化控制设计提高充电桩电能输入输出的稳定性，本文提出一种基于RFID技术的嵌入式充电桩电磁耦合器设计方法，首先进行了充电桩的电磁耦合器系统总体设计描述和等效电路约束参量分析，然后进行了基于RFID技术的嵌入式充电桩电磁耦合器设计充电系统的电路设计，对充电桩电磁耦合器约束参量进行优化控制，提高充电桩的电能传输性能和输出增益。实验分析表明，该系统具有较好的智能充电控制性能，对电动汽车的充电效率较高，智能充电桩的电能传输效率提升，展示了较高的应用价值。

[1] BRADLEY A M, FEEZOR M D, SINGH H, et al. Power systems for autonomous underwater vehicles[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001,26(4):526-538.

[2] FEEZOR M D, SORRELL F Y, BLANKINSHIP P R. An interface system for autonomous undersea vehicles[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001,26(4):522-525．

[3] YOSHIOKA D, SAKAMOTO H, ISHIHARA Y, et al. Power feeding and data-transmission system using magnetic coupling for an ocean observation mooring buoy[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2007, 43(6):2663-2665.

[4] JIE LIN，XING FEI LI．Construction of contactless power feeding system for ocean buoy[C]. In WiCOM, 2011 7th International Conference, 2011:1-4.

[5] 陈国培，艾武，张静波，等. 基于FPGA的ARM与绝对式编码器的通信接口实现[J].微电机，2012，45(8)：28-31.

[6] 陆兴华,吴恩燊.基于安卓客户端的智能家居电力控制优化设计[J].电力与能源,2015,35(5): 692-695.

[7] 郭长欢,黄建. 基于RT-LAB的无刷直流电动机伺服系统半实物仿真[J].国外电子测量技术,2015,34(10):22-27.

[8] 王永旭, 温渤婴. 高压直流输电交流滤波器与交流系统最大并联阻抗的分析与计算[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(11): 2703-2710.

[9] 甄建军,张毅.基于螺旋平面线圈的感应电能传输技术研究[J].电气自动化,2014,36(2): 78-80.

[10] 刘刚,肖烨然,孙庆文. 基于改进反电势积分的永磁同步电机位置检测[J].电机与控制学报,2016,20(2):36-42.

[11] 吕富勇，周瑞卿，阮世阳，等. 高频磁场检测中采样保持器的设计及其性能分析[J]. 电子测量技术,2015,38(8):13-16.

[12] 郭静波, 谭博,蔡雄. 基于反相双峰指数模型的微弱瞬态极低频信号的估计与检测[J]. 仪器仪表学报,2015,36(8):1682-1691.

Design of an Embedded Charging Pile Electromagnetic Coupler Based on RFID

Liu Dalong, Zhu Haoqing, Yan Xiaowen, Zhu Jianhao

(Huali College, Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong 511325, China)

The embedded charging pile electromagnetic coupler is an important component to realize intelligent control and transmission of the induction power of the charging pile; it is also the key to the design of the charging pile. The stability of electric energy input and output of the charging pile is raised through design of optimal control for the electro-magnetic coupler. This paper presents design methods for the embedded charging pile electromagnetic coupler based on RFID technology, analyzes the charging principle of the embedded charging pile, and describes overall design of the system. Topological structure of the embedded charging pile electromagnetic coupler is built up on the basis of the flat plate type electromagnetic coupler. Design of the integrated circuit for the embedded charging pile electromagnetic coupler is completed on the basis of RFID. Self-adaptive weighted coupling control is adopted to achieve optimal control of constraint parameters of the embedded charging pile electromagnetic coupling and improve output performance. Experimental results show that this system has a good intelligent charging control and a high charging efficiency for electric vehicles, thus improving power transmission efficiency of the intelligent charging pile.

RFID technology； embedded；intelligent charging pile； electromagnetic coupler；electric vehicle

2012广东省质量工程人才培养实验区项目(粤教高函[2012]204号);2016年度广东省大学生科技创新培育项目(pdjh2016a0931);2013年广东省高等学校专业综合改革试点项目“电气工程及其自动化”(粤财教[2013]329号)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.007

TM762

A

1000-3886(2017)01-0019-04

刘大龙(1976-)，男，广东河源人，硕士，高级实验师，主要研究领域：电工电子技术和控制科学与技术。 朱浩清(1994-)，男，广东湛江人，本科生，主要研究方向：嵌入式技术、单片机开发。 颜晓文(1995-)男,广东惠州人，本科生，主要研究方向：单片机开发。 朱键濠(1994-)，男，广东广州人，本科生，主要研究方向：嵌入式技术、单片机开发。

定稿日期: 2016-08-16