車聯網多傳感器自供能系統儲能穩壓電路設計*

吳斯棟 黃維沛 劉建瓴 梁德杰 洪曉斌

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院 2.廣東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心電氣安全實驗室）

1 引言

隨著我國國民經濟快速發展，交通運輸業也取得巨大進展，但交通事故卻頻頻發生，車輛的爆胎事故也驟然增多，主要是由于輪胎壓力異常、溫度過高等原因造成的。所以，對輪胎的動態載荷監測系統的研發迫在眉睫，基于輪載式的智能傳感車輪動載荷主動監測方式便成為研究熱點[1]。然而目前機動車上輪載式智能傳感器傳統的供電方式一般采用外接小容量電池，如1.5V／節等，難以實現對車載智能傳感器持續而穩定的供電，需要定時拆卸更換電池，更重要的是供電量下降直接影響了相關傳感器的數據準確性和傳輸，這已成為機動車輪載式智能監測技術發展的瓶頸[2]。除此之外，目前有一種利用超磁致伸縮材料Fe-Ni／PZT磁電復合單元，高效采集電磁場能量以實現自供能方式[3]。然而這種自供能方式中h型音叉本身需要一定的放置空間，在空間狹小的輪轂中放置h型音叉顯然是不可能的。同時輸出電壓為 1.2V左右，仍難支持輪胎內嵌式傳感器模塊工作。鑒于以上問題，本文探索性提出基于RFID的電磁感應自供能新方式，重點設計了一個基于超級電容的儲能與穩壓電路。

2 車載網內嵌式多傳感器自供能系統

2.1 系統框架

系統主要由接收端、發射端、監控終端三部分組成，系統通信采取無線通信方式。工作原理是發射端由車上電源相連直接供電，發射端通過變壓、振蕩后得到一定頻率交變電場，并通過低頻電感耦合的方式向接收端實現一定距離下的低損耗的電能傳輸；同時接收端通過RFID將傳感器反饋回來的數據發送到發射端，控制發射端發射電能的時機；通過Zigbee協議傳給監控終端處理，監控終端再把信息通過GPRS上傳至 Web服務器，最終形成一個車載物聯網體系，如圖1所示。

圖1 車載網多傳感器自供能系統

2.2 接收端結構

對于接收端，首先通過適合的線圈與發射端線圈實現匹配，接受電能。接受到的交變電流通過整流、濾波、穩壓后，一方面冗余的電能使用超級電容儲存；另一方面，直接給后續的標簽電路和傳感器在線供電。標簽電路正常工作時把機動車安全監測數據通過無線射頻方式反饋到發射端。在故障或者發射端斷電無法給接收端傳輸電能時，超級電容為電路暫時提供電能，使后續電路得到穩定持續的電能，保證傳感器、處理器模塊能正常工作。接收端框圖見圖2 。

圖2 接收端框圖

3 自動控制儲能穩壓電路實現

3.1 硬件設計

3.1.1 儲能穩壓硬件電路

儲能穩壓電路硬件整體布局如圖3 所示。

圖3 儲能穩壓電路硬件布局圖

當接收端接收到發射過來的電能后，電能通過5V端輸入到自動控制儲能穩壓電路，使繼電器的上下兩組開關分別往下打，此時R16端與CAP_IN連接，于是，外部輸入的5V電壓便通過二極管和R16向超級電容充電。同時，繼電器下面一個開關使5V與IN端連接，使外部輸入的5V電壓與電感L6連接，并通過MAX1674向后續電路供電。同時，充電時由于二極管整流作用，超級電容端并不能向MAX1674提供輸入。當出現故障外部無法輸入5V電壓時，繼電器上下兩組開關都往上打，上面的一個開關使CAP_IN端與IN相連接，并使電容的正極能與電感L6相連，為MAX1674提供輸入，穩壓后為后續電路供電。圖3 右邊是單片機與兩個傳感器的框圖，單片機的ad輸入端（對應單片機的CAP_IN端）與超級電容的正端相連接，用軟件設計控制電能發送的時機。當汽車關停或啟動時，通過發送端的RFID通信，斷開自動控制儲能穩壓電路對后續電路的供電；通過外部中斷喚醒單片機并重啟對后續電路的供電。以上兩部分流程具體參見軟件設計部分。

3.1.2 儲能部分元件選擇

根據車載網多傳感器自供能系統的要求，由于接收端在裝載輪轂上，儲能元件的拆卸比較麻煩，因此需要確保儲能元件循環使用的壽命足夠長；其次，由于接收電能的位置不固定，導致無線電能發送不穩定，可能會周期性地出現一段時間內無法接收電能的情況。所以，為了讓接收端后續電路有一個相對穩定的電能供應，接收端需要在短時間內儲存足夠的能量，以保證在接收不到電能的時間內，儲能元件能正常向后續電路供電，減少發射電能波動對后面電路的影響。超級電容的循環使用壽命長、充放電效率高及響應時間快，一般超級電容的額定充電電流都能達到10A，而支持大電流充電的特性使得超級電容的充電在數百甚至數十秒之內就能完成。鋰離子電池雖然有保持電荷能力強、重量比能量高的優勢[4]，但是，結合到本項目的實際情況：其后續電路只是單片機和傳感器，耗能并不是特別大；其次，機動車在運行過程中，發射端能不斷向接收端發送能量，所以并不會長時間斷電。因此通過比較鋰電池和超級電容兩種儲能元件特性及優缺點，超級電容的保持電荷能力和容量都足以滿足本項目的需求。綜上所述，穩壓電路儲能元件選取額定電壓2.7V、電容量100F的超級電容。

3.1.3 穩壓電路芯片選擇

由于超級電容放電時會隨著儲存能量的下降使電容端電壓降低，所以必須在超級電容上加上穩壓電路。本文選取Maxim公司出產的MAX1674EUA芯片，這是一款高效率、低工作電壓的新型開關穩壓芯片。該款芯片輸入電壓范圍為（1.1～5.5）V，覆蓋了超級電容的額定工作電壓，而且轉換效率達到94%，大大降低了能量損耗。當輸入電壓低于設定值時，該芯片還會關閉穩壓轉換，輸出一個低電平[5]。

3.2 軟件設計

當電壓高于2.7V時，單片機通過后續的發射電路告知發送端，讓發送端停止電能發送；當電壓低于1.1V時，告知發送端啟動電能發送。同時，在汽車啟動時，默認發送電能，充電控制流程圖如圖4所示。

圖4 充電控制流程圖

當汽車關停時，通過發送端的信號，使單片機的RB4口輸出信號“0”，控制模擬開關TS5A3159的com端與Output_5V斷開，從而斷開了傳感器的供電，此時，單片機處于睡眠狀態；當汽車開動時，發送端向接收端發送外部的5V電壓輸入，觸發單片機的外部中斷，喚醒單片機，單片機的RB4輸出“1”，并控制模擬開關，使穩壓輸出的電壓與傳感器的Vcc端相連，恢復對傳感器的供電，如圖5所示。

圖5 儲能穩壓電路啟動/關停控制流程圖

3.3 應用實驗

對自動控制儲能穩壓電路進行實驗，結合本項目的前期接收端特點，采用恒壓充電，且充電電流最大不超過 1A，由于電流遠小于超級電容的額定充電電流10A，所以實驗中不對大電流充電時超級電容容值下降進行測試。通過不同的實驗組，測試了不同阻值的限流電阻對超級電容充電的影響，實驗結果見表1。

表1 儲能穩壓電路實驗數據

實驗過程發現限流電阻越小充電時間越短，由于輸入電流所限，所以當限流電阻下降到0Ω時，穩壓電路的輸出略有下降，但都能達到穩定狀態，且輸出電壓值的誤差符合后續電路所需電壓值要求。

4 結束語

主動性的輪載式機動車運行安全狀態監測新模式是機動車運行安全檢測技術未來發展的必然趨勢。基于RFID無線自供能新方式目前難以做到有線傳輸時所能達到的恒穩供電，本文開發自動控制儲能穩壓電路能保證后續電路對恒穩供電的需求；同時在儲能方面，當儲能元件充滿電時能自動停止，并在充電時儲能元件不放電，僅由外部輸入供電；在無需測量數據時，關閉對測量電路的供電，這大大減少了電能的損耗，符合環保的要求，同時也有利于提高儲能元件的使用壽命。

[1]潘夢鷂,周岳斌,劉桂雄.機動車運行安全檢測模式及發展分析[J].現代制造工程,2009(5):12-16.

[2]Mahlknecht,Stefan Kazmierski,Tom J Grimm,et al. Leran wireless communication and energy harvesting in automobiles[J].Design,Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE),2011:1-6.

[3]李平,賈朝波,文玉梅,等.采用磁電自供能的能量儲存和電源管理電路研究[J].儀器儀表學報,2010,31(11):2629-2635.

[4]朱基亮,杜翀,何亮明,等.鋰離子電池的熱穩定性和大電流充放電穩定性研究[J].四川大學學報(工程科學版),2011(4):205-208.

[5]Pacheco V M,De Freitas L C,Vieira J B,et al. An online no-break with power factor correction and output voltage stabilization[J].Power Electronics,EEE Transactions on,2005(5):1109-1117.