电动车无线充电系统用嵌入式控制系统设计

(遵义铝业股份有限公司，遵义 563100)

引　言

磁耦合共振技术是一种以电磁场为媒介，利用具有相同谐振频率的电磁谐振系统，通过磁耦合谐振作用实现电能无线传输的技术[1-2]。其技术特点为传输距离远、系统效率高且传输功率大，可开辟无线电能传输技术研究的新领域。经过近几年的不断发展，该技术已经成功应用于电动车、人体植入式设备及便携式设备等无线充电场合[3]。

本文主要研究适用于电动车无线充电系统的嵌入式控制系统，其发挥了系统充电控制、充电状态监测以及充电数据实时显示与记录等作用[4]。其中，系统控制包括恒流/恒压充电切换控制和系统效率优化控制等；充电状态监测包括系统输入电压/电流，过流/过压信号以及输出电压/电流等；充电数据实时显示与记录主要用于保存充电过程中的数据，便于电能计量、故障分析以及人机交互等。嵌入式控制系统一方面能够保证无线充电系统高效且可靠的运行；另一方面能够为用户提供直观的人机交互界面，有效地提高用户体验。

1　系统工作原理与功能需求分析

1.1　系统工作原理

图1　系统结构图

系统结构图如图1所示，无线电能传输系统包括一次侧部分和二次侧部分。根据系统功率等级需求，一次侧工频输入电压为220 Vac或380 Vac，经过工频整流滤波后，全桥逆变器将直流电转换为高频交流电(通常为85 KHz)；一次侧与二次侧均采用串联结构对发射线圈和接收线圈进行补偿，保证系统工作频率与发射/接收线圈频率一致，提高系统效率和降低系统功率容量；高频交流电通过发射线圈形成交变磁场。

接收线圈接收到交变磁场后，经过副边高频整流滤波电路，交流电变为直流电，从而实现锂电池的恒流/恒压充电。本文采用STM32F103作为控制器，WiFi通信模块用于实现一次侧与二次侧之间信息的无线交互；霍尔电流/电流传感器采集到高频电流和电压信号；工频电能计量模块测量系统输入电流、电压、功率因数等信息。

1.2　功能需求分析

电动车无线充电系统的嵌入式控制系统需满足安全充电、智能化且高效可靠等特性，具体而言一套无线充电系统应该满足如下功能需求：

① 保证系统的安全且可靠运行，系统有电气保护装置。当发生突发故障时，系统必须在规定时间内快速切断电源并发出警报，确保用户及电动车的安全；

② 准确读取电网参数，准确计量电价；

③ 人机交互界面友好，便于操作，图形化设计，用户自助充电；

④ 充电界面显示用户充电数据：充电进程、当前电压、当前电流、电价以及余额等信息；

⑤ 后台管理系统识别用户的身份信息，能够对用户的个人数据进行查询和操作。

1.3　嵌入式平台设计

基于第1.2节中的功能需求分析，电动车无线充电系统的嵌入式控制系统包括人机交互界面、温湿度检测单元、IC 卡识别单元、电量计费单元、直流输出单元等，如图2所示。

图2　嵌入式控制系统的结构

根据图2所示的嵌入式控制系统结构图，可进一步将其分为三个系统：数据采集系统、充电控制系统和人机交互系统，如图 3所示。其中，数据采集系统通过微控制器完成对电表、温湿度传感器、读卡器等外围电路的数据采集。充电控制系统通过微控制器完成对直流输出单元的控制以及与电池管理系统的通信。人机交互系统选用欣瑞达公司触摸屏，界面采用自带软件编写。通过RS232接口与STM32F103通信，实时显示用户个人信息、充电进程、充电参数等数据。

图3　嵌入式控制系统的模块化结构

2　数据采集系统设计

如图2所示，数据采集系统和人机交互系统主要完成无线充电系统的实时电网参数状态监测、温湿度检测、用户信息读取、充电计费数据运算以及相关参数显示等功能。本节主要设计STM32F103控制板与电能表、温湿度传感器、IC卡读卡器、组态屏的硬件电路接口与连接。

2.1　电网参数采集单元

图4　电网参数计量模块

电网参数采集模块采用艾锐达光电公司的IM1227单相互感式计量模块，如图4所示。通过RS485通信接口与STM32F103实现数据交互。具体而言，模块功能特点如下：采集单相交流电参数，包括电压、电流、功率、电能等多个电参量；采用专用测量芯片，有效值测量方式，测量精度高；RS485通信接口，通信规约采用标准 Modbus-RTU，兼容性好，方便编程；宽工作电压 AC 80～265 V，并具防接反保护功能，接反电源不会损坏模块。

2.2　电池充电信息采集单元

电池充电信息主要包括直流充电电流和直流充电电压。本系统中采用北京森社公司的闭环霍尔电流模块LA-50P和闭环霍尔电压模块CHV-25P，如图5所示。

图5　充电电流/电压采集电路框图

图7　触摸屏与STM32接口电路

上述两个模块均采用霍尔磁补偿原理制造，原边输入电流IN与副边输出电流IM电气隔离，并真实地跟随输入电流/电压线性变化。其中，LA-50P用于测量50～100 A直流、交流及脉冲电流；CHV-25P用于测量10～600 V(10 mA)直流、交流、脉冲电压。这两个模块的输出均为电流信号，需要使用电阻将电流转换为电压信号，经过信号调理电路后，送入STM32F103控制的A/D采集单元。

2.3　温度与湿度采集单元

温湿度传感器技术从检测复杂的模拟量发展到目前数字化智能检测的阶段。本文选用 DHT11 数字化温湿度检测器，其内部由8位单片机、测温元件以及湿感元件构成。该传感器具有抗干扰能力强、稳定、可靠的优点。

图6　温湿度传感器接口电路

DHT11供电电压为3～5.5 V。DHT11 上电后，为了使其达到稳定状态，微控制器在1 s内不发送任何命令。DHT11 供电电压为3.3 V，电源与地之间要加一个 100 nF 的去耦滤波电容。STM32F103控制器通过I/O口与DHT11通信，通信遵循单总线数据格式，如图6所示。

3　人机交互界面设计与系统测试

触摸屏分析如下：根据第1.2节的功能需求，触摸屏实时显示充电进程、电网参数等数据；用户能够通过人机界面提供的操作接口，完成充电、查询等操作。

3.1　硬件接口

本系统采用欣瑞达触摸屏XG0505FI-B3，搭载欣瑞达 SGUS(超级图形应用软件)系统。用户可通过 SGUS 串口智能显示终端实现触控功能,如数据文本录入、 按键值返回、增量调节、弹出菜单等；也可以快速实现显示功能，如表盘时钟、图标变量、艺术字、曲线显示、列表显示、文本显示等。触摸屏通过RS232与STM32F103进行数据交互，最高波特率为921 600 bps，接口电路如图7所示。

3.2　界面设计

结合功能需求分析和人机交互界面应用环境，界面应满足如下要求：人机交互界面显示充电状态信息；人机交互界面输出计费管理系统信息；用户通过人机交互界面实现自助充电；管理员通过人机交互界面查询充电记录。

本文设计的交互界面实现用户自助充电，并且对用户相应的误操作给出提示。充电主界面如图 8所示。

图8　触摸屏界面设计

结　语