吳斯棟 黃維沛 劉建瓴 梁德杰 洪曉斌

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院 2.廣東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心電氣安全實驗室）

1 引言

隨著我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展，交通運輸業(yè)也取得巨大進展，但交通事故卻頻頻發(fā)生，車輛的爆胎事故也驟然增多，主要是由于輪胎壓力異常、溫度過高等原因造成的。所以，對輪胎的動態(tài)載荷監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)迫在眉睫，基于輪載式的智能傳感車輪動載荷主動監(jiān)測方式便成為研究熱點[1]。然而目前機動車上輪載式智能傳感器傳統(tǒng)的供電方式一般采用外接小容量電池，如1.5V／節(jié)等，難以實現(xiàn)對車載智能傳感器持續(xù)而穩(wěn)定的供電，需要定時拆卸更換電池，更重要的是供電量下降直接影響了相關傳感器的數(shù)據(jù)準確性和傳輸，這已成為機動車輪載式智能監(jiān)測技術發(fā)展的瓶頸[2]。除此之外，目前有一種利用超磁致伸縮材料Fe-Ni／PZT磁電復合單元，高效采集電磁場能量以實現(xiàn)自供能方式[3]。然而這種自供能方式中h型音叉本身需要一定的放置空間，在空間狹小的輪轂中放置h型音叉顯然是不可能的。同時輸出電壓為 1.2V左右，仍難支持輪胎內(nèi)嵌式傳感器模塊工作。鑒于以上問題，本文探索性提出基于RFID的電磁感應自供能新方式，重點設計了一個基于超級電容的儲能與穩(wěn)壓電路。

2 車載網(wǎng)內(nèi)嵌式多傳感器自供能系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)主要由接收端、發(fā)射端、監(jiān)控終端三部分組成，系統(tǒng)通信采取無線通信方式。工作原理是發(fā)射端由車上電源相連直接供電，發(fā)射端通過變壓、振蕩后得到一定頻率交變電場，并通過低頻電感耦合的方式向接收端實現(xiàn)一定距離下的低損耗的電能傳輸；同時接收端通過RFID將傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)射端，控制發(fā)射端發(fā)射電能的時機；通過Zigbee協(xié)議傳給監(jiān)控終端處理，監(jiān)控終端再把信息通過GPRS上傳至 Web服務器，最終形成一個車載物聯(lián)網(wǎng)體系，如圖1所示。

圖1 車載網(wǎng)多傳感器自供能系統(tǒng)

2.2 接收端結構

對于接收端，首先通過適合的線圈與發(fā)射端線圈實現(xiàn)匹配，接受電能。接受到的交變電流通過整流、濾波、穩(wěn)壓后，一方面冗余的電能使用超級電容儲存；另一方面，直接給后續(xù)的標簽電路和傳感器在線供電。標簽電路正常工作時把機動車安全監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線射頻方式反饋到發(fā)射端。在故障或者發(fā)射端斷電無法給接收端傳輸電能時，超級電容為電路暫時提供電能，使后續(xù)電路得到穩(wěn)定持續(xù)的電能，保證傳感器、處理器模塊能正常工作。接收端框圖見圖2 。

圖2 接收端框圖

3 自動控制儲能穩(wěn)壓電路實現(xiàn)

3.1 硬件設計

3.1.1 儲能穩(wěn)壓硬件電路

儲能穩(wěn)壓電路硬件整體布局如圖3 所示。

圖3 儲能穩(wěn)壓電路硬件布局圖

當接收端接收到發(fā)射過來的電能后，電能通過5V端輸入到自動控制儲能穩(wěn)壓電路，使繼電器的上下兩組開關分別往下打，此時R16端與CAP_IN連接，于是，外部輸入的5V電壓便通過二極管和R16向超級電容充電。同時，繼電器下面一個開關使5V與IN端連接，使外部輸入的5V電壓與電感L6連接，并通過MAX1674向后續(xù)電路供電。同時，充電時由于二極管整流作用，超級電容端并不能向MAX1674提供輸入。當出現(xiàn)故障外部無法輸入5V電壓時，繼電器上下兩組開關都往上打，上面的一個開關使CAP_IN端與IN相連接，并使電容的正極能與電感L6相連，為MAX1674提供輸入，穩(wěn)壓后為后續(xù)電路供電。圖3 右邊是單片機與兩個傳感器的框圖，單片機的ad輸入端（對應單片機的CAP_IN端）與超級電容的正端相連接，用軟件設計控制電能發(fā)送的時機。當汽車關停或啟動時，通過發(fā)送端的RFID通信，斷開自動控制儲能穩(wěn)壓電路對后續(xù)電路的供電；通過外部中斷喚醒單片機并重啟對后續(xù)電路的供電。以上兩部分流程具體參見軟件設計部分。

3.1.2 儲能部分元件選擇

根據(jù)車載網(wǎng)多傳感器自供能系統(tǒng)的要求，由于接收端在裝載輪轂上，儲能元件的拆卸比較麻煩，因此需要確保儲能元件循環(huán)使用的壽命足夠長；其次，由于接收電能的位置不固定，導致無線電能發(fā)送不穩(wěn)定，可能會周期性地出現(xiàn)一段時間內(nèi)無法接收電能的情況。所以，為了讓接收端后續(xù)電路有一個相對穩(wěn)定的電能供應，接收端需要在短時間內(nèi)儲存足夠的能量，以保證在接收不到電能的時間內(nèi)，儲能元件能正常向后續(xù)電路供電，減少發(fā)射電能波動對后面電路的影響。超級電容的循環(huán)使用壽命長、充放電效率高及響應時間快，一般超級電容的額定充電電流都能達到10A，而支持大電流充電的特性使得超級電容的充電在數(shù)百甚至數(shù)十秒之內(nèi)就能完成。鋰離子電池雖然有保持電荷能力強、重量比能量高的優(yōu)勢[4]，但是，結合到本項目的實際情況：其后續(xù)電路只是單片機和傳感器，耗能并不是特別大；其次，機動車在運行過程中，發(fā)射端能不斷向接收端發(fā)送能量，所以并不會長時間斷電。因此通過比較鋰電池和超級電容兩種儲能元件特性及優(yōu)缺點，超級電容的保持電荷能力和容量都足以滿足本項目的需求。綜上所述，穩(wěn)壓電路儲能元件選取額定電壓2.7V、電容量100F的超級電容。

3.1.3 穩(wěn)壓電路芯片選擇

由于超級電容放電時會隨著儲存能量的下降使電容端電壓降低，所以必須在超級電容上加上穩(wěn)壓電路。本文選取Maxim公司出產(chǎn)的MAX1674EUA芯片，這是一款高效率、低工作電壓的新型開關穩(wěn)壓芯片。該款芯片輸入電壓范圍為（1.1～5.5）V，覆蓋了超級電容的額定工作電壓，而且轉換效率達到94%，大大降低了能量損耗。當輸入電壓低于設定值時，該芯片還會關閉穩(wěn)壓轉換，輸出一個低電平[5]。

3.2 軟件設計

當電壓高于2.7V時，單片機通過后續(xù)的發(fā)射電路告知發(fā)送端，讓發(fā)送端停止電能發(fā)送；當電壓低于1.1V時，告知發(fā)送端啟動電能發(fā)送。同時，在汽車啟動時，默認發(fā)送電能，充電控制流程圖如圖4所示。

圖4 充電控制流程圖

當汽車關停時，通過發(fā)送端的信號，使單片機的RB4口輸出信號“0”，控制模擬開關TS5A3159的com端與Output_5V斷開，從而斷開了傳感器的供電，此時，單片機處于睡眠狀態(tài)；當汽車開動時，發(fā)送端向接收端發(fā)送外部的5V電壓輸入，觸發(fā)單片機的外部中斷，喚醒單片機，單片機的RB4輸出“1”，并控制模擬開關，使穩(wěn)壓輸出的電壓與傳感器的Vcc端相連，恢復對傳感器的供電，如圖5所示。

圖5 儲能穩(wěn)壓電路啟動/關?？刂屏鞒虉D

3.3 應用實驗

對自動控制儲能穩(wěn)壓電路進行實驗，結合本項目的前期接收端特點，采用恒壓充電，且充電電流最大不超過 1A，由于電流遠小于超級電容的額定充電電流10A，所以實驗中不對大電流充電時超級電容容值下降進行測試。通過不同的實驗組，測試了不同阻值的限流電阻對超級電容充電的影響，實驗結果見表1。

表1 儲能穩(wěn)壓電路實驗數(shù)據(jù)

實驗過程發(fā)現(xiàn)限流電阻越小充電時間越短，由于輸入電流所限，所以當限流電阻下降到0Ω時，穩(wěn)壓電路的輸出略有下降，但都能達到穩(wěn)定狀態(tài)，且輸出電壓值的誤差符合后續(xù)電路所需電壓值要求。

4 結束語

主動性的輪載式機動車運行安全狀態(tài)監(jiān)測新模式是機動車運行安全檢測技術未來發(fā)展的必然趨勢?；赗FID無線自供能新方式目前難以做到有線傳輸時所能達到的恒穩(wěn)供電，本文開發(fā)自動控制儲能穩(wěn)壓電路能保證后續(xù)電路對恒穩(wěn)供電的需求；同時在儲能方面，當儲能元件充滿電時能自動停止，并在充電時儲能元件不放電，僅由外部輸入供電；在無需測量數(shù)據(jù)時，關閉對測量電路的供電，這大大減少了電能的損耗，符合環(huán)保的要求，同時也有利于提高儲能元件的使用壽命。

[1]潘夢鷂,周岳斌,劉桂雄.機動車運行安全檢測模式及發(fā)展分析[J].現(xiàn)代制造工程,2009(5):12-16.

[2]Mahlknecht,Stefan Kazmierski,Tom J Grimm,et al. Leran wireless communication and energy harvesting in automobiles[J].Design,Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE),2011:1-6.

[3]李平,賈朝波,文玉梅,等.采用磁電自供能的能量儲存和電源管理電路研究[J].儀器儀表學報,2010,31(11):2629-2635.

[4]朱基亮,杜翀,何亮明,等.鋰離子電池的熱穩(wěn)定性和大電流充放電穩(wěn)定性研究[J].四川大學學報(工程科學版),2011(4):205-208.

[5]Pacheco V M,De Freitas L C,Vieira J B,et al. An online no-break with power factor correction and output voltage stabilization[J].Power Electronics,EEE Transactions on,2005(5):1109-1117.