牛金濤，蔡 濤，段善旭，豐 昊，張曉明

（華中科技大學電氣與電子工程學院強電磁工程與新技術國家重點實驗室，武漢430074）

無線能量傳輸WPT（wireless power transmission）技術具有安全、可靠、便捷等特點，在交通運輸、材料處理、醫(yī)療場合、小型便攜式電子產品及室外照明[1-7]等領域被廣泛應用。隨著國際能源危機的不斷加劇，電動汽車EV（electric vehicle）的發(fā)展越來越受到國際市場的關注。為解決EV領域由于電池容量不足導致的續(xù)航問題，WPT技術不斷發(fā)展。

相較內燃機，EV有其無法比擬的污染小、噪音低、能效高等優(yōu)點。在EV領域，WPT技術分為靜態(tài)（駐車）無線能量傳輸SWPT（static wireless power transmission）和動態(tài)（行車）無線能量傳輸DWPT（dynamic wireless power transmission）。作為SWPT的補充與延伸，EV的DWPT充電系統通過在行駛道路上鋪設供電線圈鏈，為行駛中的EV不間斷地提供電能，從而有效延長行駛里程，并進一步降低車載儲能容量。文獻[8]指出，道路無線能量傳輸技術能夠有效減小EV電池損耗，延長電池壽命，減小車輛體積，進而減小工程造價，同時減小甚至可能消除EV發(fā)展中的距離限制難題。根據原邊線圈布局方式，DWPT系統可以分為長導軌式[9-10]和分段式[11-14]兩類，其中，后者具有可控靈活、線纜使用率低和EV副邊線圈約束性小等特點，得到了越來越多的關注。在分段接力式DWPT系統中，由于線圈布局分散，常采用電源分區(qū)域驅動多個發(fā)射線圈的供電方案。系統通過檢測車輛的位置信息決定線圈的投入與切出。另一方面，基于原邊電源的分布式組成架構，電源之間必須通過快速可靠的通訊系統實時共享車輛的位置信息，實現供電鏈的正常切換。因此，電動汽車副邊線圈位置信息的判斷及車源、源源間的信息交互對系統的穩(wěn)定高效運行至關重要。此外，隨著V2G（vehicle to grid）技術的發(fā)展，EV中電池管理系統BMS（battery management system）的建立，及其充電系統與電網的交互過程，對車載通訊系統的需求越發(fā)迫切。

為此，本文就DWPT系統中的原邊布局及其通信問題進行相關研究及探討。

1 DWPT系統通信需求分析

不同的DWPT系統布置結構對通信方式的要求各異。原副邊線圈的相對移動變化使原副邊的通信不能采用傳統的有線通信；原邊不同的結構布置和系統的不同功能的實現，對原邊的通信方式要求各有所異，例如遠程BMS控制系統及遠程監(jiān)控的V2G管理系統，此時需要選擇能夠進行及時、高速、穩(wěn)定的遠程通信方式。文獻[14-15]對動態(tài)無線能量傳輸系統中的數據通信提出了類似的要求。

1.1 源源通信

源源通信是指在DPWT系統中的原邊變換器之間的通信。實現原邊信息共享的通信方式有：傳統的串口通信、高速以太網通信及CAN網絡通信。傳統的串口通信方法簡單，可直接由硬件電路完成，硬件成本低，接口規(guī)范。但是串口通信存在插拔危險（實物插拔過程中，兩端必須有一端設備斷電，否則可能燒壞設備），極易受電磁干擾的影響等問題，不能進行總線自動仲裁，數據通信傳輸效率低，不能滿足實時通信控制的要求；以太網通信技術具有通信速率高（在互聯網設備間能夠以10～100 Mbps的速率進行信息包的傳輸），通信標準統一規(guī)范，便于接入，但硬件設計較復雜；CAN總線通信協議是專門用于車載網絡通信而產生，其采用差分電平進行通信的設計思想、較強的抗干擾能力和高可靠性已使其成為了汽車領域中進行數據通信的首選技術[16-17]。文獻[14]中提出：DWPT通信需求的核心要求是低延時、低抖動性及高可靠性?？紤]到無線充電系統中原邊系統的布置方式、電磁輻射的干擾、電池廠家一般提供CAN總線控制接口、系統實現的難易程度及建設成本，本文中原邊源源通信網絡采用CAN總線通信進行搭建。

1.2 車源通信

DWPT系統中的車源（系統原副邊）通信由于通信體相對位置的變化，必須采用無線的方式進行通信；另外，由于DWPT系統周圍存在的磁場環(huán)境會對通信造成干擾，故所選通信方式應該具有一定的抗干擾和數據容錯能力，且通信方式應該要求簡單，配置方便?，F在應用在WPT系統中的無線通信技術有藍牙技術[17]、Wi-Fi技術、ZigBee、nRF24L01 等高頻通信方式。藍牙通信具有低功耗、通信安全性好、組網簡單的優(yōu)勢，但藍牙通信距離有限；Wi-Fi技術發(fā)展迅速，且支持多設備同時在線，但Wi-Fi技術中的設備識別及傳輸穩(wěn)定性問題還有待解決；ZigBee網絡通信具有成本低廉和網絡容量大的特點，同時這也顯露了其缺點：通信距離短（10～80 m），數據傳輸速率低；而nRF24L01無線通信不屬于其上任何一種，其是Nordic公司研發(fā)的一款2.4 G通信芯片，具有一整套屬于自己的通信協議，其模塊可以隨時設置收發(fā)模式，通信條件簡單，可實現單對單及單對多的通信，配置簡單。本文系統中采用nRF24L01無線通信模塊進行原副邊的數據通信組網，以便系統中原副邊數據的及時通信和后續(xù)V2G、BMS系統的建立。

DWPT領域的研究中，為了接入智能電網，便于智能微網管理，未來的V2V（vehicle to vehicle）和V2I（vehicle to infrastructure）技術中對通信方式的要求會更加苛刻：即在保證穩(wěn)定、可靠、及時的基礎上，還應具有隱私加密等功能，能切實保護用戶的相關信息。

2 DWPT系統通信組網結構分析

2.1 DWPT系統原邊系統布局方式

DWPT系統的監(jiān)控方案中，選取何種監(jiān)控模式需與系統中的原邊線圈布置方式實現統一。DWPT系統中原邊線圈分布方式包括軌道式和分段式布置，其中導軌式方案中不存在多個線圈布局的情況，本文僅對分段式DWPT系統進行分析。文獻[6]對原邊單源分段式和導軌式配置做了描述，其布局方式如圖1所示，原邊線圈和電源變換H橋的匹配組合有：單源軌道式、單源分段式和多源分段式。

圖1（a）為單源導軌式布置，系統中需要鋪設較長的導軌線纜供副邊線圈（電動汽車）接收電能，工程造價較高；圖1（b）為單源單源分段式布置方案，雖能夠減少線纜的使用，減少系統漏感損失，提高整個系統的功率傳輸效率，但單源系統的故障處理能力較弱；圖1（c）為多源分段式布置方案，該方案結合前述兩種方案，既減小了工程造價，又提高了系統的故障處理能力，能夠做到故障電源隨時切斷處理及隨用隨加。原邊布局方式的選擇與后文的通信組網結構密切相關，在進行原邊布局的同時，必須考慮到DWPT系統中通信網絡對布局方式的要求，即：通信通道明確，便于搭建；能均衡各控制器的通信負擔等。故本文系統原邊采用多源分段式布局。

2.2 DWPT系統原邊通信組網結構

隨著WPT技術在道路交通中的應用發(fā)展，DPWT越來越獲得研究學者的青睞。另外，DWPT系統與電網的交互（V2G）技術及DWPT系統與電動汽車中BMS的交互變得必不可少，現就如何選擇一種合適的原邊通信組網結構進行分析。

圖1 DWPT系統原邊布局方式Fig.1 Primary layout of DWPT system

從上述介紹可知：單源導軌式和單源分段式布局結構在搭建過程中需要鋪設很長的電纜，這無疑增加了系統的建設成本，阻礙了技術的應用歷程[18-19]。所以，多源分段式布局結構得到了很快地發(fā)展，這是因為該結構直接從就近三相供電網取電，節(jié)約了電纜費用，并且一旦某個部位出現問題，可直接進行脫網管理。根據多源分段式布局中源的分布，為了對待充電汽車位置信息進行共享，做到對原邊供能線圈的實時切入、保證充電效果、避免能量損耗，可從如圖2所示幾種通信組網形式中選擇建立原邊通信網絡。

圖2分別給出了總線型結構、環(huán)狀結構、星型結構和網狀結構，圖中雙箭頭表示信息通信傳輸通道，圖2（d）中由于通信通道過多，省去了雙箭頭繪制，表1列出了圖2中各通信結構的優(yōu)缺點?？紤]到DWPT系統中多源分布式控制架構，本文原邊通信組網采用環(huán)狀結構。

圖2 原邊通信組網結構Fig.2 Primary communication network architecture

表1 各種通信組網結構的優(yōu)缺點Tab.1 Advantages and disadvantages of different communication network architectures

3 系統設計

3.1 系統中的數據通信網絡

搭建數據通信網絡，實現網絡中數據的共享機制。在文獻[21]提出的中繼接力控制策略基礎上，本文的數據通信的建立采用控制器TMS320F28335中的CAN模塊與無線通信模塊nRF24L01結合搭建。系統中的數據通信如圖3所示，通過CAN總線，源控制器之間建立起通信網絡，交換線圈投切狀態(tài)和線圈電流。車載電路安裝nRF24L01無線通信模塊，與源控制器之間進行通信，傳遞電動汽車接收電路輸出端電壓電流（即充電電壓電流）信息。最后，選擇其中一個源控制器作為主控制器，將系統所有采集數據通過串口傳輸至上位機，實時顯示動態(tài)無線充電平臺的運行狀態(tài)。

圖3 系統的數據通信網絡Fig.3 Data communication network in the system

系統架構如圖4所示，采用分布式的控制結構，減少了系統所需使用的控制器，減小系統搭建成本及控制復雜度。

圖4 系統架構Fig.4 System architecture

3.2 中繼接力控制策略

如圖5所示為中繼接力控制策略程序流程。在定時器中斷中，原邊控制器通過讀取原邊電流采樣值之后開始準備向CAN總線發(fā)送數據，接著進入文獻[20]的投切控制模式；CAN接收中斷主要對接收數據的數據ID進行判斷，然后各個控制器接收相應的信息并選擇是否存儲數據。

CAN郵箱接收到消息后，進入中斷；通過判斷中斷矢量進入不同類型的中斷，接收相應的中斷后，復位郵箱中的RMP標志位，同時復位中斷標志；之后根據接收到的信息對系統中其他原邊線圈的供電現狀進行判斷，決定是否控制線圈退出供電模式。

圖5 中繼接力控制策略程序流程Fig.5 Flow chart of relay control strategy

3.3 數據通信CAN網絡中的數據位定義

CAN網絡中傳輸數據分為兩種：一種是各個控制器之間傳輸的數據，另外一種是主控制器與上位機之間傳輸的數據。每種傳輸消息均包括：郵箱地址，郵箱號和傳輸數據。傳輸數據為8個字節(jié)，其數據格式分別定義如下。

（1）原邊控制器之間的數據傳輸，其CAN數據位定義如表2所示。

（2）原邊主控制器與上位機之間的數據傳輸，其CAN數據位定義如表3所示。

表2 原邊控制器之間的CAN數據位定義Tab.2 CAN data definition between primary controllers

表3 原邊主控制器與上位機之間的CAN數據位定義Tab.3 CAN data definition between primary master controller and host computer

4 實驗驗證

搭建系統平臺中的數據通信網絡如圖6所示。系統原副邊接收線圈如圖7所示，原邊線圈鏈由8個線圈組成。首先檢測原邊控制器之間及主控制器與上位機的通信狀態(tài)，抗干擾前后系統通信網絡實驗測試波形如圖8所示。圖8（a）是原邊控制器之間及主控制器和上位機之間進行CAN通信時的CAN信號波形，從圖中可以看出CAN網絡通信波形完好，通信正常；如圖8（b）所示，為采取抗干擾措施之后的CAN網絡數據傳輸波形，從中可以看出，數據波形質量得到明顯提升。與圖8（a）相比，極大程度上減小了數據傳輸中的干擾量。此外，通過更換普通的數據通信線為雙絞線，也可增強CAN通信中的抗干擾問題，雙絞線中的外包屏蔽層可以對系統周圍環(huán)境中的磁場起到一定的屏蔽作用。圖9展示了通過CAN轉USB模塊在上位機對主控制器的監(jiān)控數據截圖，圖中A、B、C、D 4個部分分別代表上位機監(jiān)控到的接收消息的郵箱ID、消息幀類型（擴展幀）及數據位長度、數據位中的消息標志位和數據位區(qū)。

CAN總線網絡中的網絡端末匹配電阻對提高CAN網傳輸穩(wěn)定性起著至關重要的作用，為了增加CAN網絡的抗干擾能力，設置合適的端末匹配電阻，使整個數據通信網絡的穩(wěn)定性得到提高，通過測試，最終確定本系統中的匹配電阻為105.5 Ω。

圖6 平臺數據通信網絡Fig.6 Data communication network of the platform

圖7 系統原副邊線圈Fig.7 Primary and secondary coils in the system

圖8 系統工作中的CAN網絡數據實驗波形Fig.8 Experimental waveforms of CAN data while the system is in operation

圖9 系統工作時CAN轉USB模塊中的上位機檢測數據Fig.9 Data received by the host computer through the CAN-to-USB module when the system is in operation

為了進一步提高傳輸穩(wěn)定性，對CAN通信進行改進設計，如圖10所示。在CAN線上面添加磁珠設計，把CAN網絡端末的匹配電阻設計成2個分裂電阻，2個分裂電阻之間并加對地電容。

圖10 CAN網絡抗干擾電路設計Fig.10 Circuit design of CAN network antijamming

保證通信網絡正常的情況下對系統的充電效果進行測試。圖11是副邊移動小車繞環(huán)形跑道行進一周過程中，小車經過各個原邊線圈時的副邊線圈的接收電壓Uo和充電電流Ibat波形。從圖中可看出，充電電流波形存在8個平穩(wěn)峰值平臺。這說明當小車從1#線圈開始依次駛過8個發(fā)射線圈上方時，系統能夠進行正常投切充電，正常傳輸電能，給車載電池充電。實現了動態(tài)無線能量傳輸演示平臺的數據通信網絡建立及分段線圈的投切控制，能夠保證有序高效的供電過程。

圖11 動態(tài)演示平臺線圈接收電壓和充電電流波形Fig.11 Waveforms of receiving voltage and charging current on the dynamic demonstration platform

5 結語

通過對DWPT系統中車源及源源通信需求分析，本文引入了CAN網絡通信和nRF24L01無線通信模塊，構建了DWPT系統通信網絡，并在搭建的實驗平臺上進行了測試。測試表明，CAN網絡通信能夠及時共享DWPT系統中的相關信息，保證源荷的及時投切，確保有序高效的供電過程。后期研究將從系統中的磁場干擾方面著手，進一步增加通信網絡的抗干擾能力及其在系統中承擔的通信任務優(yōu)化，并將其推向電動汽車無線充電的實際應用。