劉大龍, 朱浩清, 顏曉文, 朱鍵濠

(廣東工業(yè)大學(xué) 華立學(xué)院，廣東 廣州 511325)

基于RFID技術(shù)的嵌入式充電樁電磁耦合器設(shè)計(jì)

劉大龍, 朱浩清, 顏曉文, 朱鍵濠

(廣東工業(yè)大學(xué) 華立學(xué)院，廣東 廣州 511325)

嵌入式充電樁電磁耦合器是實(shí)現(xiàn)充電樁的感應(yīng)電能智能控制和傳輸?shù)闹匾考?，設(shè)計(jì)充電樁設(shè)計(jì)的核心。通過(guò)對(duì)電磁耦合器的優(yōu)化控制設(shè)計(jì)提高充電樁電能輸入輸出的穩(wěn)定性。提出基于RFID技術(shù)的嵌入式充電樁電磁耦合器設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行嵌入式充電樁的充電原理分析和系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述。在平板式電磁耦合器基礎(chǔ)上構(gòu)建嵌入式充電樁電磁耦合器電能傳輸?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于RFID無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行嵌入式充電樁電磁耦合器的電路集成設(shè)計(jì)，采用自適應(yīng)加權(quán)耦合控制進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的智能充電控制能力，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)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(shù)；嵌入式；智能充電樁；電磁耦合器；電動(dòng)汽車(chē)

0 引 言

隨著汽車(chē)保有量的增多，汽車(chē)的尾氣排放對(duì)環(huán)境污染造成了較大的影響，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)成為未來(lái)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的重要走向。電動(dòng)汽車(chē)(BEV)是指以車(chē)載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車(chē)輛。由于對(duì)環(huán)境影響相對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)較小，其前景被廣泛看好，近年來(lái)，燃料電池技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展，電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)也不斷在完善，商業(yè)化電動(dòng)汽車(chē)制造廠(chǎng)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(jìn)步，在電動(dòng)汽車(chē)取得了巨大發(fā)展的同時(shí)，制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的充電樁問(wèn)題凸顯，研究發(fā)展智能充電樁在促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)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(shí)現(xiàn)充電樁的感應(yīng)電能智能控制和傳輸?shù)闹匾考?，設(shè)計(jì)充電樁設(shè)計(jì)的核心。通過(guò)對(duì)電磁耦合器的優(yōu)化控制設(shè)計(jì)提高充電樁電能輸入輸出的穩(wěn)定性，相關(guān)的設(shè)計(jì)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(xiàn)性的強(qiáng)耦合系統(tǒng)，在其電磁耦合器控制過(guò)程中，需要構(gòu)建多元的約束參量模型[4-7]，傳統(tǒng)方法中，對(duì)嵌入式智能充電樁的電磁耦合器的設(shè)計(jì)方法主要有基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的電磁耦合控制方法和基于耦合器最小功率補(bǔ)償?shù)碾姶篷詈掀髟O(shè)計(jì)方法，其中Feezor和Sorrell等人研究開(kāi)發(fā)的200 W的電能傳輸耦合器CLPT系統(tǒng)[8-10]，提高了對(duì)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(huì)導(dǎo)致輸出電壓失真，對(duì)充電樁的穩(wěn)定性控制水平產(chǎn)生影響。針對(duì)上述問(wèn)題，提出基于RFID技術(shù)的嵌入式充電樁電磁耦合器設(shè)計(jì)方法，RFID是一種射頻識(shí)別技術(shù)，采用非接觸式的自動(dòng)識(shí)別進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)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(jìn)行了充電樁的電磁耦合器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)描述和等效電路約束參量分析，然后進(jìn)行了基于RFID技術(shù)的嵌入式充電樁電磁耦合器設(shè)計(jì)充電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行了性能驗(yàn)證，得出有效性結(jié)論。

1 嵌入式充電樁電磁耦合器充電原理及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)描述

圖1 智能充電樁的線(xiàn)圈序列工作原理示意圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)智能充電樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于RFID技術(shù)進(jìn)行嵌入式充電樁電磁耦合器設(shè)計(jì)，提高充電的穩(wěn)定性和可靠性，首先進(jìn)行嵌入式充電樁的充電原理分析，智能充電樁是通過(guò)線(xiàn)圈序列磁共振進(jìn)行智能充電和電能傳輸，嵌入式充電樁磁耦合器通過(guò)接收線(xiàn)圈的感應(yīng)電能，通過(guò)發(fā)送線(xiàn)圈將電能采用次級(jí)共振傳輸方式輸送到智能充電樁的發(fā)射端線(xiàn)圈序列，根據(jù)上述分析，得到嵌入式充電樁線(xiàn)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(jiàn)，嵌入式智能充電中在進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程中，采用的是電磁共振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式進(jìn)行能量傳輸，而充電樁的電磁耦合器是實(shí)現(xiàn)充電樁的感應(yīng)電能智能控制和傳輸?shù)闹匾考?，通過(guò)設(shè)計(jì)充電樁的電磁耦合器的，對(duì)充電過(guò)程進(jìn)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(jié)合RFID技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別，平板式電磁耦合器如圖2所示。

在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用STM32F101xx芯片嵌入式設(shè)計(jì)，STM32F101xx芯片是一款高性能的ARM Cortex-M3為內(nèi)核的32位RISC芯片，通過(guò)對(duì)嵌入式充電樁的電磁耦合器的睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種模式控制，進(jìn)行智能充電和斷電。根據(jù)上述系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述和開(kāi)發(fā)環(huán)境構(gòu)建，進(jìn)行基于RFID技術(shù)的嵌入式充電樁電磁耦合器設(shè)計(jì)，主要包括了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)兩大部分。

2 嵌入式充電樁電磁耦合器的硬件電路設(shè)計(jì)及分析

圖3 嵌入式充電樁電磁耦合器電能傳輸?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式智能充電樁的電磁耦合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別RFID技術(shù)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，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(xiàn)圈序列磁共振模式采用并聯(lián)電容方式，進(jìn)行共振，綜合使用等效電路法和有限元法，進(jìn)行等效電路設(shè)計(jì)，嵌入式充電樁電磁耦合器的發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)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(fù)浣Y(jié)構(gòu)中，當(dāng)線(xiàn)圈處于諧振狀態(tài)時(shí)，嵌入式充電樁電磁耦合器的截止頻率為ω0。假設(shè)嵌入式充電樁電磁耦合器的發(fā)射線(xiàn)圈電流有效值為Ip，則線(xiàn)圈1次級(jí)共振電流有效值為Is，將STM32F101xx給予相應(yīng)的晶振，得到共振線(xiàn)圈2 上電流有效值Ir，計(jì)算低功耗特性的TRF7960的負(fù)載Ro，系統(tǒng)的Vdd越低，其Pspc就越低，此時(shí)輸出的系統(tǒng)的動(dòng)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(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)功耗測(cè)試，在并聯(lián)情況下計(jì)算線(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn)的反射阻抗Zrl，Zsr，Zps分別為：

(3)

(4)

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)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(shí)序配置異步存儲(chǔ)器，在中距離共振條件下，若采取并聯(lián)諧振的方式，而此時(shí)輸入電流、負(fù)載、諧振頻率保持不變，那么Msr就會(huì)隨著距離的增加而減小，此時(shí)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(gè)線(xiàn)圈的傳輸電磁感應(yīng)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(biāo)控制下的互感值收斂到最優(yōu)，此時(shí)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(shí)，計(jì)算得到負(fù)載Ro，此時(shí)電磁耦合器進(jìn)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(shè)計(jì)結(jié)果

3 系統(tǒng)分析與約束參量?jī)?yōu)化控制

根據(jù)上述嵌入式充電樁電磁耦合器的電路設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行充電樁的充電性能分析及約束參量?jī)?yōu)化控制，系統(tǒng)采用RFID無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別方法[11]，充電樁的識(shí)讀器的主要功能是對(duì)應(yīng)答器上的信息進(jìn)行識(shí)讀和寫(xiě)入，進(jìn)行智能充電和斷電，根據(jù)上述電路設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)的約束參量進(jìn)行優(yōu)化控制，分析電磁耦合器的3D磁場(chǎng)分布[12]，提高電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性，計(jì)算得到嵌入式充電樁電磁耦合器的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)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(jì)算電磁耦合器中的電感Llp，Lls和Lm，整流和濾波電路的設(shè)計(jì)直接影響諧振性能，在諧振條件下，計(jì)算線(xiàn)圈損耗和電容損耗Cp和Cs，計(jì)算公式描述為：

(17)

(18)

基于RFID進(jìn)行嵌入式充電在的電磁耦合器的等效電路設(shè)計(jì)，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(jí)繞組的電壓增益通過(guò)電磁耦合器初級(jí)繞組進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)耦合控制，負(fù)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(lì)磁電感和補(bǔ)償電容的阻抗值，進(jìn)一步計(jì)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(duì)充電系統(tǒng)的電壓、傳輸功率及工作頻率的控制目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，提高了對(duì)充電樁的穩(wěn)定性充電和電能傳輸能力，由此實(shí)現(xiàn)了基于RFID技術(shù)的嵌入式充電樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的基于RFID技術(shù)的嵌入式充電樁電磁耦合器的性能，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)分析，首先給出嵌入式智能充電樁電磁耦合器的各個(gè)系統(tǒng)構(gòu)件的參量值，如表1所示。

圖6 智能充電樁輸出功率測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述參量設(shè)定結(jié)果，進(jìn)行充電池的電能傳輸?shù)男阅軠y(cè)試，得到本文設(shè)計(jì)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(jié)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(cè)試結(jié)果

從圖可見(jiàn)，通過(guò)本文方法進(jìn)行嵌入式充電樁的電磁耦合器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)充電樁的充電性能優(yōu)化，采用本文設(shè)計(jì)的智能充電樁，輸出功率和效率的實(shí)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(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電磁耦合器的優(yōu)化控制設(shè)計(jì)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(shù)的嵌入式充電樁電磁耦合器設(shè)計(jì)方法，首先進(jìn)行了充電樁的電磁耦合器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)描述和等效電路約束參量分析，然后進(jìn)行了基于RFID技術(shù)的嵌入式充電樁電磁耦合器設(shè)計(jì)充電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，對(duì)充電樁電磁耦合器約束參量進(jìn)行優(yōu)化控制，提高充電樁的電能傳輸性能和輸出增益。實(shí)驗(yàn)分析表明，該系統(tǒng)具有較好的智能充電控制性能，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)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(yīng)用價(jià)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(guó)培，艾武，張靜波，等. 基于FPGA的ARM與絕對(duì)式編碼器的通信接口實(shí)現(xiàn)[J].微電機(jī)，2012，45(8)：28-31.

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

[7] 郭長(zhǎng)歡,黃建. 基于RT-LAB的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)半實(shí)物仿真[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),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(jì)算[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(11): 2703-2710.

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

[10] 劉剛,肖燁然,孫慶文. 基于改進(jìn)反電勢(shì)積分的永磁同步電機(jī)位置檢測(cè)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2016,20(2):36-42.

[11] 呂富勇，周瑞卿，阮世陽(yáng)，等. 高頻磁場(chǎng)檢測(cè)中采樣保持器的設(shè)計(jì)及其性能分析[J]. 電子測(cè)量技術(shù),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(hào)的估計(jì)與檢測(cè)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),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(zhì)量工程人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)區(qū)項(xiàng)目(粵教高函[2012]204號(hào));2016年度廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育項(xiàng)目(pdjh2016a0931);2013年廣東省高等學(xué)校專(zhuān)業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目“電氣工程及其自動(dòng)化”(粵財(cái)教[2013]329號(hào))

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(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究領(lǐng)域：電工電子技術(shù)和控制科學(xué)與技術(shù)。 朱浩清(1994-)，男，廣東湛江人，本科生，主要研究方向：嵌入式技術(shù)、單片機(jī)開(kāi)發(fā)。 顏曉文(1995-)男,廣東惠州人，本科生，主要研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)開(kāi)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(shù)、單片機(jī)開(kāi)發(fā)。

定稿日期: 2016-08-16