基于无线供电智能电池巡检仪充电设计

赵纬明 杨梦

摘 要：本文主要介绍了一种基于MSP430F5529芯片的具有无线充电功能的智能电池巡检仪，分别在软件设计和硬件设计两方面分析，可实现远距离高效率供电的同时保证实时、稳定地检测控制多路信号，准确显示多路温度、压力、液位等工业过程参数。

关键词：智能电池巡检仪；原理；硬件

中图分类号：TN16 文献标志码：A

0 引言

由于受到全球化影响，能源与环境面临巨大的挑战，在民生和工业领域可再生能源有着广阔的发展前景和巨大的挖掘潜力。本文设计的智能巡检仪采用蓄电池作为储能设备进行无线充电，为巡检仪提供电能储备，在满足无线输电的同时可降低设备功耗，实现增加系统稳定性和数据传输的可靠性等功能。

1 基本原理

1.1 智能电池巡检仪基本原理

电池智能巡检仪是一种电池作为电源提供能量的设备，利用主机的连接线接入电池的正负极，导通电流并接入温度传感器。整流设备停止运行即蓄电池为直流负荷供电时，巡检仪检测到电流变化后，自动启动放电程序。根据电流、电压等数据曲线可以计算出电池的剩余电量，并标记不合格电池。

1.2 蓄电池充电工作原理

本文设计的智能巡检仪在电池充电时虽然采用的是无线充电方式，但其原理与外接电动势较大的直流电源的蓄电池相同。所有类别的电池都是一种将化学能转变为电能的设备，其金属离子作为导电粒子可自由在导体中移动以实现导通电流的功能。常用的铅蓄电池在充电时，在充电导通电流的推动下，生成PbO2、Pb、H2SO4。这一过程是电解液密度回升，与放电时电解液稀释的反应相反，如此往复形成蓄电池的充放电。

1.3 无线供电原理

综合考虑现有的3种无线供电方法：电磁耦合；光电耦合；电磁共振。本项目采用电磁共振的方法实现对巡检仪的无线供电。电磁谐振式无线供电技术是一种集电磁场、电力电子、高频电子、电磁感应原理、耦合理论等多学科交叉的基础研究与应用研究，其具有非辐射性、无方向限制性、穿透性等特点。由于在全体空间内可以进行能量交换的介质是交变磁场，除电场侧外对环境的影响也可以忽略不计。

本项目采用的电磁谐振式无线供电方式与高效短距的电磁感应式无线供电和低效率远距离的电磁辐射式无线供电相比，理论上的传输距离能最远可达到5m左右，传输效率的效率十分高，能超过40%。下式（1）（2）为串联谐振无线供电系统的模型的计算公式，计算公式中的η代表为传输效率，Q代表为系统的品质因数，都是电磁谐振式无线供电技术的重要性能指标：

（1）

（2）

公式（1）中，μ0為空间磁导率；N1、N2位初、次级绕组匝数；r1、r2位初、次级线圈的半径；d为初、次级绕组间的距离；R1、R2为初、次级绕组电阻值；RL为负载电阻值；ω为系统固有频率。

从式（1）（2）可以看出，传输距离的大小对电磁谐振式供电系统起着重要的影响，而负载电阻对其系统整体的传输效率影响较小。品质因数是衡量高频传输系统的品质的一个重要因数，电磁谐振式无线供电技术工作在电路的谐振频率上时，谐振电路则会产生谐振，进入到振荡中。

2 智能电池巡检仪硬件设计

2.1 总体结构

本文设计的无线供电智能电池巡检仪由MSP430F5529单片机作为主芯片，采用VOX330MP05S模块来实现无线供电传输，结合其他驱动实现对智能电池巡检仪的无线供电。

2.2 单片机选择

智能电池巡检仪是一种检测蓄电池工作状态、运行情况的智能仪表。对单片机的要求是功耗低、性能强，能稳定驱动实现无线供电功能以及数据接口传输等通信功能。

本巡检仪采用MSP430系列F5529型号的单片机，其基本功能有：16位超低功率微处理器；采用精简指令集（RISC）结构，大多数是模拟指令，只有27条简洁指令；功耗是μA级，工作电流极小，关断电流仅为0.1μA，待机电流为0.8μA，端口漏电流小于50nA，并且可以零功耗掉电复位（BOR）；128KB闪存，8KB RAM；具有USB接口；12位ADC等。相比较于传统的51系列单片机，引进Flash型程序存储器和JTAG技术，可实现在线编程使，简化编程人员的工作，提高效率。

2.3 无线供电芯片选择

无线供电作为一种新型输送电能的方式，其应用和发展具有巨大的市场空间。由于电器电源二者无直接接触完全分离，电器的用电安全问题得以保障。并且无线供电的使用环境不受限制，磁场能穿透非金属材质产生电能进行输送，例如玻璃、木头、石板等，也包括水和空气等最常见的介质。而这种使用安全操作简便的输电方式是有线供电无法实现的。

为了更好地实现电池巡检仪的智能现代化，本智能电池巡检仪加入无线供电模块，是无线供电成为可能。本次采用VOX330MP05S模块做为实现无线供电传输的核心芯片，该芯片具有3个引脚，其引脚定义为第一引脚为电源，第二引脚为输出端，第三引脚为接地端。

该芯片的电源端电压工作范围为9-15VDC，只要给VOX330MP05S提供一个12V的工作电压，它就能推动电感电容谐振回路，最终将电能发射出去。由于电池巡检仪需要大功率电能传输充电，故在电路设计中采用变压器降压来实现对IC的充电，为了给IC散热降温接入一个低功率风扇。

3 无线供电软件设计

为了实现对充电过程的监测和对充电电路的实时调控，本智能电池巡检仪的无线充电功能软件设计部分采用MSP430单片机上自带的AD转换器，在线监测蓄电池两端的电压。在符合规定电压是发射控制信号以断开该电路。由于MSP430具有的高速、高精度AD转换器，多功能性能良好的定时器等优点，本巡检仪上另设计有充电显示进度条、实时充电电压监测、已充电时长和预计剩余充电时间等内容。在绘制进度条时采用根据电压值计算坐标、调用直线函数的方法进行，可以达到更为逼真的效果，体现本智能巡检仪的人性化。

4 智能电池巡检仪的调试

根据国家的要求JJF 1071—2010《国家计量校准规程编写规则》，JJF 1001—2011《通用计量属于及定义》，JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》等准则，重点对电池巡检仪的无线充电功能进行调试，抗干扰功能作为主要功能也需作适当校正。

针对于巡检仪用于在不间断电源、电力整流电源环境中工作，供电系统、噪声、电磁都会对其造成一定程度的干扰，进而影响无线输电功能。因此从软硬件两方面应尽可能的减少智能电池巡检仪收到的干扰。

在对智能电池巡检仪的无线供电功能进行调试时，电源电压一定要从低电压开始，慢慢上调直至达到稳定工作电压，防止发生事故；测量电池组电压以及充放电电流时要小心接线，不可接反并要仔细检查。

结语

本文以无线充电智能电池巡检仪作为设计载体，重点对蓄电池的无线充电技术进行深入研究。在参考了前人对无线供电领的初步研究，比较分析现有的无线供电方式后，最终选取了电磁共振的方式实现对电池巡检仪中的蓄电池进行较远距离、高效率的充电。这种无接触式的充电方式大大减少了电器用电安全的隐患，对智能电池巡检仪的推广和使用具有重要影响意义。

参考文献

[1]刘冰，张立红，陈文娟，等.多负载谐振耦合式无线输电的传输特性研究[J].大学物理，2017，36（11）：58-63.