田成林，田 迪，李建良

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，西安710000）

基于DSP和Zigbee技術(shù)的無線充電系統(tǒng)

田成林，田 迪，李建良

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，西安710000）

本文闡述以DSP高速處理器TMS320F2812和Zigbee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的無線充電系統(tǒng)。無線充電系統(tǒng)由一次側(cè)和二次側(cè)兩部分組成，一次側(cè)連接電源通過諧振線圈將電能傳送到二次側(cè)，二次側(cè)連接電池實(shí)現(xiàn)電池充電。為了把二次側(cè)電池的輸出電壓、輸出電流和實(shí)時(shí)溫度的數(shù)據(jù)反饋給一次側(cè)的控制器，現(xiàn)以TMS320F2812分別作為一次側(cè)和二次的處理器，用支持Zigbee技術(shù)的CC2530芯片作為兩側(cè)無線收發(fā)模塊。電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器的信息通過CAN總線收集到二次側(cè)的TMS320F2812處理器，處理器通過I/O接口傳到二次的CC2530芯片，芯片無線RF模塊完成數(shù)據(jù)發(fā)送。一次側(cè)CC2530芯片無線RF模塊完成數(shù)據(jù)接受，一次側(cè)控制器處接收到CC2530的數(shù)據(jù)并判斷電池充電狀態(tài)，隨后通過PWM來改變一次側(cè)的輸入功率實(shí)現(xiàn)電池的充電。

無線充電；Zigbee技術(shù)；TMS320F2812

1 引言

充電系統(tǒng)是電動(dòng)汽車推廣所面臨的首要問題。以控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)是解決電動(dòng)汽車充電的重要方法之一，為無線充電系統(tǒng)的安全性、時(shí)效性起到巨大推動(dòng)作用。

國外對于電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的起步較早，已經(jīng)有許多理論方面的研究和實(shí)際應(yīng)用，Zaragaza大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研制以串聯(lián)—串聯(lián)諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的2 KW樣機(jī)，效率高達(dá)82%，傳輸距離15 cm.國內(nèi)的電功車無線充電技術(shù)研究相對較晚，主要集中于高校和研究所中，重慶大學(xué)實(shí)現(xiàn)垂直電路傳輸間距30 cm，傳輸600 w至1 000 w的電能功率，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究基于磁耦合諧振式的無線電能傳輸技術(shù)分析了多種耦合結(jié)構(gòu)，提出平板磁芯結(jié)構(gòu)等。

本文主要設(shè)計(jì)基于Zigbee技術(shù)的無線充電系統(tǒng)，把該技術(shù)近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本、高可靠度和高安全性的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用到無線充電系統(tǒng)中。

1 硬件設(shè)計(jì)

所涉及的無限充電系統(tǒng)主要由一次側(cè)、二次側(cè)兩個(gè)TMS320F2812高速處理器控制模塊和兩個(gè)支持Zigbee技術(shù)的CC2530芯片、傳感器采集模塊和一個(gè)自制的鋰電池電池組組成。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.1 TMS320F2812控制系統(tǒng)模塊

設(shè)計(jì)中主要利用了兩個(gè)高速數(shù)字處理器TMS320F2812的定時(shí)器模塊、GPIO模塊、ADC模塊、PWM模塊、串口通信模塊。該處理器在工業(yè)、汽車控制領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用。二次側(cè)處理器主要對傳感器測得的信號進(jìn)行濾波處理，一次的處理器主要對接收到的電壓、電流和溫度信號跟充電策略的設(shè)定值進(jìn)行比較，通過改變輸出PWM 來實(shí)現(xiàn)充電策略。

1.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有3種拓?fù)湫问剑盒切屯負(fù)?、簇樹形拓?fù)?、網(wǎng)形拓?fù)?。星形網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，所有消息都經(jīng)過它傳輸。簇樹形網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)頂端節(jié)點(diǎn)，下面有枝有葉，消息先上行再下傳。網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)與簇樹形相似，但它的某些枝、葉可直接連接。如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示Zigbee網(wǎng)絡(luò)為單一的網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)二次側(cè)和一次側(cè)數(shù)據(jù)的交換。

1.3 無線檢測模塊

無線檢驗(yàn)?zāi)K主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。采集模塊能檢測蓄電池的即時(shí)電壓、電流、溫度，支持Zigbee技術(shù)的無線通信芯片CC2530的RF模塊來完成數(shù)據(jù)傳送。三段式的充電方案包含以下三個(gè)階段：恒流充電階段、恒壓充電階段和滑流充電階段。當(dāng)采集的電壓和電流達(dá)到設(shè)定值，一次側(cè)的控制器調(diào)整PWM完成充電。

1.4 電池選擇

本次試驗(yàn)用型號為PANASONIC的鋰電池，單節(jié)電池參數(shù)為：額定電壓3.6 V，充電電壓4.2 V，標(biāo)準(zhǔn)充電電流1.35 A.經(jīng)過串聯(lián)和并聯(lián)制作的電池組，電池組在滿電狀態(tài)下的電壓為12.6 V，在空電狀態(tài)下的電壓為8.5 V.由此確定恒壓充電的電壓為12.6 V，恒流充電的電流為1 A.根據(jù)以上參數(shù)可以設(shè)置二次側(cè)的充電策略的設(shè)定參數(shù)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 二次側(cè)軟件設(shè)計(jì)

二次側(cè)協(xié)調(diào)器首先等待一次側(cè)協(xié)調(diào)器的組網(wǎng)請求，在網(wǎng)絡(luò)正常建立的條件下把接收到處理器濾波處理的電池系統(tǒng)的電壓、電流和溫度的信息發(fā)送到一次側(cè)的終端實(shí)現(xiàn)充電策略。如果監(jiān)測點(diǎn)沒有接收到終端實(shí)時(shí)信息，則判斷這一節(jié)點(diǎn)故障發(fā)出警報(bào)并向一次側(cè)發(fā)出指令停止充電。圖2為協(xié)調(diào)器工作流程圖。

圖2 協(xié)調(diào)器工作流程

2.2 一次側(cè)軟件設(shè)計(jì)

一次側(cè)的控制器在接收到協(xié)調(diào)器傳輸過來的信息后，把獲得的電壓值和電流值與三段式充電流程中的設(shè)定電壓值和電流值做比較。當(dāng)獲取的電壓值小于設(shè)定值，則進(jìn)行恒流充電，充電器充電電流保持恒定，沖入電量快速增加，電池電壓上升；當(dāng)超過電壓設(shè)定值，充電器充電電壓保持恒定，沖入電量繼續(xù)增加，電池電壓緩慢上升，充電電流下降，當(dāng)充電電流小于設(shè)定值則進(jìn)入滑流充電階段。流程圖如下圖3.

圖3 二次側(cè)充電策略

3 結(jié)論

在基于DSP和Zigbee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線充電系統(tǒng)中，采用Zigbee協(xié)議的無線通信芯片構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化的電池檢測管理和無線充電控制系統(tǒng)，滿足在一個(gè)大的場所內(nèi)同時(shí)對多組電動(dòng)汽車同時(shí)進(jìn)行無線充電和電池管理。

[1]竇延軍.一種磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].成都.電子科技大學(xué).2013.

[2]潘 力.一種鋰電池?zé)o線充電模塊的設(shè)計(jì)[D].成都.電子科技大學(xué).2010.

[3]郭宗芝.應(yīng)用于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制策略研究[D].哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學(xué).2015.

Wireless Charging System Based on Dsp and Zigbee

TIAN Cheng－lin，Tian Di，LI Jian－liang
（College of Engineering and Mechanics，Chang’an University，xi’an 710000，China）

This paper describes the DSP high-speed processor TMS320F2812 and zigbee material networking technology combined with the wireless charging system.The wireless charging system consists of the primary and secondary sides.The primary side connects the power supply to the secondary side through the resonant coil，and the secondary side is connected to the battery.In order to feedback the output voltage，output current and real-time temperature of the secondary battery to the controller on the primary side，the TMS320F2812 is used as the primary and secondary processors respectively，and the CC2530 chip supporting zigbee technology is used as the wireless transceiver module.Electric vehicle battery management system temperature sensor，voltage sensor，current sensor information through the CAN bus to collect the secondary side of the TMS320F2812 processor，the processor through the I/O interface to the secondary CC2530 chip，chip wireless RF module to complete the data send.The primary side CC2530 chip wireless RF module to complete the data to accept the primary side of the controller to receive CC2530 data to determine the battery charge state，followed by PWM to change the primary side of the input power to achieve battery charging.In the system plus the host computer is connected to the battery information in order to display the battery on the host computer for monitoring.

wireless charging；zigbee technology；TMS320F2812

P631.3+23

A

1672-545X（2017）08-0241-02

2017-05-06

田成林（1993-），男，河北邢臺人，碩士在讀，研究方向：新能源；田 迪（1993-），男，陜西西安人，碩士在讀，研究方向：新能源；李建良（1993-），男，山東日照人，碩士在讀，研究方向：新能源。