劉大龍, 朱浩清, 顏曉文, 朱鍵濠

(廣東工業(yè)大學 華立學院，廣東 廣州 511325)

基于RFID技術的嵌入式充電樁電磁耦合器設計

劉大龍, 朱浩清, 顏曉文, 朱鍵濠

(廣東工業(yè)大學 華立學院，廣東 廣州 511325)

嵌入式充電樁電磁耦合器是實現(xiàn)充電樁的感應電能智能控制和傳輸?shù)闹匾考?，設計充電樁設計的核心。通過對電磁耦合器的優(yōu)化控制設計提高充電樁電能輸入輸出的穩(wěn)定性。提出基于RFID技術的嵌入式充電樁電磁耦合器設計方法，進行嵌入式充電樁的充電原理分析和系統(tǒng)的總體設計描述。在平板式電磁耦合器基礎上構建嵌入式充電樁電磁耦合器電能傳輸?shù)耐負浣Y構，基于RFID無線射頻識別技術進行嵌入式充電樁電磁耦合器的電路集成設計，采用自適應加權耦合控制進行嵌入式充電樁電磁耦合約束參量的優(yōu)化控制，提高輸出性能。實驗結果表明，該系統(tǒng)具有較好的智能充電控制能力，對電動汽車的充電效率較高，提高了智能充電樁的電能傳輸效率。

RFID技術；嵌入式；智能充電樁；電磁耦合器；電動汽車

0 引 言

隨著汽車保有量的增多，汽車的尾氣排放對環(huán)境污染造成了較大的影響，發(fā)展電動汽車成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的重要走向。電動汽車(BEV)是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。由于對環(huán)境影響相對傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛看好，近年來，燃料電池技術已經(jīng)取得了重大的進展，電動汽車的技術也不斷在完善，商業(yè)化電動汽車制造廠都在朝著集成部件和減少部件成本的方向努力，并已取得了顯著的進步，在電動汽車取得了巨大發(fā)展的同時，制約電動汽車發(fā)展的充電樁問題凸顯，研究發(fā)展智能充電樁在促進電動汽車工業(yè)發(fā)展具有重要意義[1-3]。

嵌入式充電樁電磁耦合器是實現(xiàn)充電樁的感應電能智能控制和傳輸?shù)闹匾考?，設計充電樁設計的核心。通過對電磁耦合器的優(yōu)化控制設計提高充電樁電能輸入輸出的穩(wěn)定性，相關的設計方法研究受到人們的重視。嵌入式智能充電樁是一種多變量、非線性的強耦合系統(tǒng)，在其電磁耦合器控制過程中，需要構建多元的約束參量模型[4-7]，傳統(tǒng)方法中，對嵌入式智能充電樁的電磁耦合器的設計方法主要有基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制的電磁耦合控制方法和基于耦合器最小功率補償?shù)碾姶篷詈掀髟O計方法，其中Feezor和Sorrell等人研究開發(fā)的200 W的電能傳輸耦合器CLPT系統(tǒng)[8-10]，提高了對充電樁的充電效率，但是該系統(tǒng)在受到不穩(wěn)定電壓干擾下，會導致輸出電壓失真，對充電樁的穩(wěn)定性控制水平產(chǎn)生影響。針對上述問題，提出基于RFID技術的嵌入式充電樁電磁耦合器設計方法，RFID是一種射頻識別技術，采用非接觸式的自動識別進行電動汽車的充電樁電磁耦合控制，提高充電樁的智能水平和電能傳輸穩(wěn)定性。首先進行了充電樁的電磁耦合器系統(tǒng)總體設計描述和等效電路約束參量分析，然后進行了基于RFID技術的嵌入式充電樁電磁耦合器設計充電系統(tǒng)的電路設計，最后通過實驗分析進行了性能驗證，得出有效性結論。

1 嵌入式充電樁電磁耦合器充電原理及系統(tǒng)總體設計描述

圖1 智能充電樁的線圈序列工作原理示意圖

為了實現(xiàn)對智能充電樁的優(yōu)化設計，基于RFID技術進行嵌入式充電樁電磁耦合器設計，提高充電的穩(wěn)定性和可靠性，首先進行嵌入式充電樁的充電原理分析，智能充電樁是通過線圈序列磁共振進行智能充電和電能傳輸，嵌入式充電樁磁耦合器通過接收線圈的感應電能，通過發(fā)送線圈將電能采用次級共振傳輸方式輸送到智能充電樁的發(fā)射端線圈序列，根據(jù)上述分析，得到嵌入式充電樁線圈序列電磁分布傳輸?shù)墓ぷ髟硎疽鈭D如圖1所示。

圖2 平板式電磁耦合器

圖中可見，嵌入式智能充電中在進行電動汽車充電過程中，采用的是電磁共振式無線電能傳輸方式進行能量傳輸，而充電樁的電磁耦合器是實現(xiàn)充電樁的感應電能智能控制和傳輸?shù)闹匾考?，通過設計充電樁的電磁耦合器的，對充電過程進行優(yōu)化控制，提高充電樁電能輸入輸出的穩(wěn)定性，采用平板式電磁耦合器作為嵌入式電磁充電樁的耦合器雛形，結合RFID技術進行無線射頻識別，平板式電磁耦合器如圖2所示。

在整個開發(fā)過程中，采用STM32F101xx芯片嵌入式設計，STM32F101xx芯片是一款高性能的ARM Cortex-M3為內核的32位RISC芯片，通過對嵌入式充電樁的電磁耦合器的睡眠、停機和待機三種模式控制，進行智能充電和斷電。根據(jù)上述系統(tǒng)的總體設計描述和開發(fā)環(huán)境構建，進行基于RFID技術的嵌入式充電樁電磁耦合器設計，主要包括了硬件電路設計和軟件實現(xiàn)兩大部分。

2 嵌入式充電樁電磁耦合器的硬件電路設計及分析

圖3 嵌入式充電樁電磁耦合器電能傳輸?shù)耐負浣Y構

為了實現(xiàn)對嵌入式智能充電樁的電磁耦合器的優(yōu)化設計，結合無線射頻識別RFID技術進行電路設計，在器件和核心芯片選擇方面，嵌入式微處理芯片采用的是STM32F101xx芯片，射頻讀卡芯片采用低功耗多協(xié)議的德州儀器公司的TRF7960。在本系統(tǒng)中，由于磁芯間隙的存在，線圈序列磁共振模式采用并聯(lián)電容方式，進行共振，綜合使用等效電路法和有限元法，進行等效電路設計，嵌入式充電樁電磁耦合器的發(fā)射線圈和接收線圈實現(xiàn)電能傳輸?shù)耐負浣Y構如圖3所示。

圖3給出的嵌入式充電樁電磁耦合器電能傳輸?shù)耐負浣Y構中，當線圈處于諧振狀態(tài)時，嵌入式充電樁電磁耦合器的截止頻率為ω0。假設嵌入式充電樁電磁耦合器的發(fā)射線圈電流有效值為Ip，則線圈1次級共振電流有效值為Is，將STM32F101xx給予相應的晶振，得到共振線圈2 上電流有效值Ir，計算低功耗特性的TRF7960的負載Ro，系統(tǒng)的Vdd越低，其Pspc就越低，此時輸出的系統(tǒng)的動態(tài)功耗有效值Io為：

(1)

嵌入式充電樁電磁耦合器的反射阻抗為Zrl：

(2)

采用SPI接口方式進行系統(tǒng)的靜態(tài)功耗測試，在并聯(lián)情況下計算線圈導線的反射阻抗Zrl，Zsr，Zps分別為：

(3)

(4)

根據(jù)上述分析，設計嵌入式充電樁電磁耦合器的匹配電路如圖4所示。

圖4 嵌入式充電樁電磁耦合器的匹配電路

圖中，智能充電樁嵌入式控制中的邏輯時序配置異步存儲器，在中距離共振條件下，若采取并聯(lián)諧振的方式，而此時輸入電流、負載、諧振頻率保持不變，那么Msr就會隨著距離的增加而減小，此時嵌入式充電樁的輸出功率可表示為:

(5)

(6)

使得智能充電樁單個線圈的傳輸電磁感應輸出功率最大，令：

(7)

使用電源分流裝置得到智能充電樁電磁耦合器系統(tǒng)在最大功率傳輸目標控制下的互感值收斂到最優(yōu)，此時電磁耦合器的互感值為：

(8)

(9)

在電磁耦合器的偶極子的輻射磁矩一定時，計算得到負載Ro，此時電磁耦合器進行智能充電的傳輸效率的優(yōu)化互感值為：

(10)

(11)

圖5 嵌入式充電樁電磁耦合器的電路集成設計結果

3 系統(tǒng)分析與約束參量優(yōu)化控制

根據(jù)上述嵌入式充電樁電磁耦合器的電路設計結果，進行充電樁的充電性能分析及約束參量優(yōu)化控制，系統(tǒng)采用RFID無線射頻識別方法[11]，充電樁的識讀器的主要功能是對應答器上的信息進行識讀和寫入，進行智能充電和斷電，根據(jù)上述電路設計結果，對系統(tǒng)的約束參量進行優(yōu)化控制，分析電磁耦合器的3D磁場分布[12]，提高電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性，計算得到嵌入式充電樁電磁耦合器的初級側和次級側的磁滯損耗阻抗可以表示為：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

其中ω=2πf。在電磁耦合器中，采用能量損耗最小約束模型，計算電磁耦合器中的電感Llp，Lls和Lm，整流和濾波電路的設計直接影響諧振性能，在諧振條件下，計算線圈損耗和電容損耗Cp和Cs，計算公式描述為：

(17)

(18)

基于RFID進行嵌入式充電在的電磁耦合器的等效電路設計，得到嵌入式充電在的電磁耦合器中各部分阻抗分別為：

Z3=Req+Zs

(19)

(20)

(21)

其中

(22)

(23)

Zm=jωLm

(24)

然后將次級繞組的電壓增益通過電磁耦合器初級繞組進行自適應加權耦合控制，負載輸出的諧振頻率決定了嵌入式充電在的電磁耦合器的漏感、勵磁電感和補償電容的阻抗值，進一步計算得到了接觸式充電系統(tǒng)的電壓、傳輸功率及工作頻率：

(25)

(26)

(27)

其中

(28)

(29)

(30)

對充電系統(tǒng)的電壓、傳輸功率及工作頻率的控制目標函數(shù)進行優(yōu)化求解，提高了對充電樁的穩(wěn)定性充電和電能傳輸能力，由此實現(xiàn)了基于RFID技術的嵌入式充電樁的優(yōu)化設計。

4 實驗分析

為了測試本文設計的基于RFID技術的嵌入式充電樁電磁耦合器的性能，進行系統(tǒng)調試和實驗分析，首先給出嵌入式智能充電樁電磁耦合器的各個系統(tǒng)構件的參量值，如表1所示。

圖6 智能充電樁輸出功率測試結果

根據(jù)上述參量設定結果，進行充電池的電能傳輸?shù)男阅軠y試，得到本文設計的智能充電樁輸出功率和效率隨著偏芯偏移距離的變化的輸出結果如圖6和7所示。充電電能傳輸效率隨偏移角度變化如圖8所示。

表1 嵌入式智能充電樁電磁耦合器各元件參數(shù)值

圖7 智能充電樁充電效率測試結果

從圖可見，通過本文方法進行嵌入式充電樁的電磁耦合器設計，實現(xiàn)充電樁的充電性能優(yōu)化，采用本文設計的智能充電樁，輸出功率和效率的實際值與理論值具有較高的跟蹤匹配性能，充電效率較高，功率增益增大，智能充電樁的電能傳輸效率提升，性能優(yōu)越。

圖8 智能充電樁的電能傳輸效率

5 結束語

通過對電磁耦合器的優(yōu)化控制設計提高充電樁電能輸入輸出的穩(wěn)定性，本文提出一種基于RFID技術的嵌入式充電樁電磁耦合器設計方法，首先進行了充電樁的電磁耦合器系統(tǒng)總體設計描述和等效電路約束參量分析，然后進行了基于RFID技術的嵌入式充電樁電磁耦合器設計充電系統(tǒng)的電路設計，對充電樁電磁耦合器約束參量進行優(yōu)化控制，提高充電樁的電能傳輸性能和輸出增益。實驗分析表明，該系統(tǒng)具有較好的智能充電控制性能，對電動汽車的充電效率較高，智能充電樁的電能傳輸效率提升，展示了較高的應用價值。

[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] 陳國培，艾武，張靜波，等. 基于FPGA的ARM與絕對式編碼器的通信接口實現(xiàn)[J].微電機，2012，45(8)：28-31.

[6] 陸興華,吳恩燊.基于安卓客戶端的智能家居電力控制優(yōu)化設計[J].電力與能源,2015,35(5): 692-695.

[7] 郭長歡,黃建. 基于RT-LAB的無刷直流電動機伺服系統(tǒng)半實物仿真[J].國外電子測量技術,2015,34(10):22-27.

[8] 王永旭, 溫渤嬰. 高壓直流輸電交流濾波器與交流系統(tǒng)最大并聯(lián)阻抗的分析與計算[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(11): 2703-2710.

[9] 甄建軍,張毅.基于螺旋平面線圈的感應電能傳輸技術研究[J].電氣自動化,2014,36(2): 78-80.

[10] 劉剛,肖燁然,孫慶文. 基于改進反電勢積分的永磁同步電機位置檢測[J].電機與控制學報,2016,20(2):36-42.

[11] 呂富勇，周瑞卿，阮世陽，等. 高頻磁場檢測中采樣保持器的設計及其性能分析[J]. 電子測量技術,2015,38(8):13-16.

[12] 郭靜波, 譚博,蔡雄. 基于反相雙峰指數(shù)模型的微弱瞬態(tài)極低頻信號的估計與檢測[J]. 儀器儀表學報,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廣東省質量工程人才培養(yǎng)實驗區(qū)項目(粵教高函[2012]204號);2016年度廣東省大學生科技創(chuàng)新培育項目(pdjh2016a0931);2013年廣東省高等學校專業(yè)綜合改革試點項目“電氣工程及其自動化”(粵財教[2013]329號)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.007

TM762

A

1000-3886(2017)01-0019-04

劉大龍(1976-)，男，廣東河源人，碩士，高級實驗師，主要研究領域：電工電子技術和控制科學與技術。 朱浩清(1994-)，男，廣東湛江人，本科生，主要研究方向：嵌入式技術、單片機開發(fā)。 顏曉文(1995-)男,廣東惠州人，本科生，主要研究方向：單片機開發(fā)。 朱鍵濠(1994-)，男，廣東廣州人，本科生，主要研究方向：嵌入式技術、單片機開發(fā)。

定稿日期: 2016-08-16