(遵義鋁業(yè)股份有限公司，遵義 563100)

引　言

磁耦合共振技術是一種以電磁場為媒介，利用具有相同諧振頻率的電磁諧振系統(tǒng)，通過磁耦合諧振作用實現(xiàn)電能無線傳輸?shù)募夹g[1-2]。其技術特點為傳輸距離遠、系統(tǒng)效率高且傳輸功率大，可開辟無線電能傳輸技術研究的新領域。經過近幾年的不斷發(fā)展，該技術已經成功應用于電動車、人體植入式設備及便攜式設備等無線充電場合[3]。

本文主要研究適用于電動車無線充電系統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)，其發(fā)揮了系統(tǒng)充電控制、充電狀態(tài)監(jiān)測以及充電數(shù)據(jù)實時顯示與記錄等作用[4]。其中，系統(tǒng)控制包括恒流/恒壓充電切換控制和系統(tǒng)效率優(yōu)化控制等；充電狀態(tài)監(jiān)測包括系統(tǒng)輸入電壓/電流，過流/過壓信號以及輸出電壓/電流等；充電數(shù)據(jù)實時顯示與記錄主要用于保存充電過程中的數(shù)據(jù)，便于電能計量、故障分析以及人機交互等。嵌入式控制系統(tǒng)一方面能夠保證無線充電系統(tǒng)高效且可靠的運行；另一方面能夠為用戶提供直觀的人機交互界面，有效地提高用戶體驗。

1　系統(tǒng)工作原理與功能需求分析

1.1　系統(tǒng)工作原理

圖1　系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)結構圖如圖1所示，無線電能傳輸系統(tǒng)包括一次側部分和二次側部分。根據(jù)系統(tǒng)功率等級需求，一次側工頻輸入電壓為220 Vac或380 Vac，經過工頻整流濾波后，全橋逆變器將直流電轉換為高頻交流電(通常為85 KHz)；一次側與二次側均采用串聯(lián)結構對發(fā)射線圈和接收線圈進行補償，保證系統(tǒng)工作頻率與發(fā)射/接收線圈頻率一致，提高系統(tǒng)效率和降低系統(tǒng)功率容量；高頻交流電通過發(fā)射線圈形成交變磁場。

接收線圈接收到交變磁場后，經過副邊高頻整流濾波電路，交流電變?yōu)橹绷麟姡瑥亩鴮崿F(xiàn)鋰電池的恒流/恒壓充電。本文采用STM32F103作為控制器，WiFi通信模塊用于實現(xiàn)一次側與二次側之間信息的無線交互；霍爾電流/電流傳感器采集到高頻電流和電壓信號；工頻電能計量模塊測量系統(tǒng)輸入電流、電壓、功率因數(shù)等信息。

1.2　功能需求分析

電動車無線充電系統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)需滿足安全充電、智能化且高效可靠等特性，具體而言一套無線充電系統(tǒng)應該滿足如下功能需求：

① 保證系統(tǒng)的安全且可靠運行，系統(tǒng)有電氣保護裝置。當發(fā)生突發(fā)故障時，系統(tǒng)必須在規(guī)定時間內快速切斷電源并發(fā)出警報，確保用戶及電動車的安全；

② 準確讀取電網參數(shù)，準確計量電價；

③ 人機交互界面友好，便于操作，圖形化設計，用戶自助充電；

④ 充電界面顯示用戶充電數(shù)據(jù)：充電進程、當前電壓、當前電流、電價以及余額等信息；

⑤ 后臺管理系統(tǒng)識別用戶的身份信息，能夠對用戶的個人數(shù)據(jù)進行查詢和操作。

1.3　嵌入式平臺設計

基于第1.2節(jié)中的功能需求分析，電動車無線充電系統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)包括人機交互界面、溫濕度檢測單元、IC 卡識別單元、電量計費單元、直流輸出單元等，如圖2所示。

圖2　嵌入式控制系統(tǒng)的結構

根據(jù)圖2所示的嵌入式控制系統(tǒng)結構圖，可進一步將其分為三個系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、充電控制系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)，如圖 3所示。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過微控制器完成對電表、溫濕度傳感器、讀卡器等外圍電路的數(shù)據(jù)采集。充電控制系統(tǒng)通過微控制器完成對直流輸出單元的控制以及與電池管理系統(tǒng)的通信。人機交互系統(tǒng)選用欣瑞達公司觸摸屏，界面采用自帶軟件編寫。通過RS232接口與STM32F103通信，實時顯示用戶個人信息、充電進程、充電參數(shù)等數(shù)據(jù)。

圖3　嵌入式控制系統(tǒng)的模塊化結構

2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

如圖2所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)主要完成無線充電系統(tǒng)的實時電網參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測、溫濕度檢測、用戶信息讀取、充電計費數(shù)據(jù)運算以及相關參數(shù)顯示等功能。本節(jié)主要設計STM32F103控制板與電能表、溫濕度傳感器、IC卡讀卡器、組態(tài)屏的硬件電路接口與連接。

2.1　電網參數(shù)采集單元

圖4　電網參數(shù)計量模塊

電網參數(shù)采集模塊采用艾銳達光電公司的IM1227單相互感式計量模塊，如圖4所示。通過RS485通信接口與STM32F103實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。具體而言，模塊功能特點如下：采集單相交流電參數(shù)，包括電壓、電流、功率、電能等多個電參量；采用專用測量芯片，有效值測量方式，測量精度高；RS485通信接口，通信規(guī)約采用標準 Modbus-RTU，兼容性好，方便編程；寬工作電壓 AC 80～265 V，并具防接反保護功能，接反電源不會損壞模塊。

2.2　電池充電信息采集單元

電池充電信息主要包括直流充電電流和直流充電電壓。本系統(tǒng)中采用北京森社公司的閉環(huán)霍爾電流模塊LA-50P和閉環(huán)霍爾電壓模塊CHV-25P，如圖5所示。

圖5　充電電流/電壓采集電路框圖

圖7　觸摸屏與STM32接口電路

上述兩個模塊均采用霍爾磁補償原理制造，原邊輸入電流IN與副邊輸出電流IM電氣隔離，并真實地跟隨輸入電流/電壓線性變化。其中，LA-50P用于測量50～100 A直流、交流及脈沖電流；CHV-25P用于測量10～600 V(10 mA)直流、交流、脈沖電壓。這兩個模塊的輸出均為電流信號，需要使用電阻將電流轉換為電壓信號，經過信號調理電路后，送入STM32F103控制的A/D采集單元。

2.3　溫度與濕度采集單元

溫濕度傳感器技術從檢測復雜的模擬量發(fā)展到目前數(shù)字化智能檢測的階段。本文選用 DHT11 數(shù)字化溫濕度檢測器，其內部由8位單片機、測溫元件以及濕感元件構成。該傳感器具有抗干擾能力強、穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點。

圖6　溫濕度傳感器接口電路

DHT11供電電壓為3～5.5 V。DHT11 上電后，為了使其達到穩(wěn)定狀態(tài)，微控制器在1 s內不發(fā)送任何命令。DHT11 供電電壓為3.3 V，電源與地之間要加一個 100 nF 的去耦濾波電容。STM32F103控制器通過I/O口與DHT11通信，通信遵循單總線數(shù)據(jù)格式，如圖6所示。

3　人機交互界面設計與系統(tǒng)測試

觸摸屏分析如下：根據(jù)第1.2節(jié)的功能需求，觸摸屏實時顯示充電進程、電網參數(shù)等數(shù)據(jù)；用戶能夠通過人機界面提供的操作接口，完成充電、查詢等操作。

3.1　硬件接口

本系統(tǒng)采用欣瑞達觸摸屏XG0505FI-B3，搭載欣瑞達 SGUS(超級圖形應用軟件)系統(tǒng)。用戶可通過 SGUS 串口智能顯示終端實現(xiàn)觸控功能,如數(shù)據(jù)文本錄入、 按鍵值返回、增量調節(jié)、彈出菜單等；也可以快速實現(xiàn)顯示功能，如表盤時鐘、圖標變量、藝術字、曲線顯示、列表顯示、文本顯示等。觸摸屏通過RS232與STM32F103進行數(shù)據(jù)交互，最高波特率為921 600 bps，接口電路如圖7所示。

3.2　界面設計

結合功能需求分析和人機交互界面應用環(huán)境，界面應滿足如下要求：人機交互界面顯示充電狀態(tài)信息；人機交互界面輸出計費管理系統(tǒng)信息；用戶通過人機交互界面實現(xiàn)自助充電；管理員通過人機交互界面查詢充電記錄。

本文設計的交互界面實現(xiàn)用戶自助充電，并且對用戶相應的誤操作給出提示。充電主界面如圖 8所示。

圖8　觸摸屏界面設計

結　語