基于無線供電智能電池巡檢儀充電設(shè)計(jì)

趙緯明 楊夢

摘 要：本文主要介紹了一種基于MSP430F5529芯片的具有無線充電功能的智能電池巡檢儀，分別在軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩方面分析，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高效率供電的同時(shí)保證實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地檢測控制多路信號，準(zhǔn)確顯示多路溫度、壓力、液位等工業(yè)過程參數(shù)。

關(guān)鍵詞：智能電池巡檢儀；原理；硬件

中圖分類號：TN16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

由于受到全球化影響，能源與環(huán)境面臨巨大的挑戰(zhàn)，在民生和工業(yè)領(lǐng)域可再生能源有著廣闊的發(fā)展前景和巨大的挖掘潛力。本文設(shè)計(jì)的智能巡檢儀采用蓄電池作為儲能設(shè)備進(jìn)行無線充電，為巡檢儀提供電能儲備，在滿足無線輸電的同時(shí)可降低設(shè)備功耗，實(shí)現(xiàn)增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘裙δ堋?/p>

1 基本原理

1.1 智能電池巡檢儀基本原理

電池智能巡檢儀是一種電池作為電源提供能量的設(shè)備，利用主機(jī)的連接線接入電池的正負(fù)極，導(dǎo)通電流并接入溫度傳感器。整流設(shè)備停止運(yùn)行即蓄電池為直流負(fù)荷供電時(shí)，巡檢儀檢測到電流變化后，自動啟動放電程序。根據(jù)電流、電壓等數(shù)據(jù)曲線可以計(jì)算出電池的剩余電量，并標(biāo)記不合格電池。

1.2 蓄電池充電工作原理

本文設(shè)計(jì)的智能巡檢儀在電池充電時(shí)雖然采用的是無線充電方式，但其原理與外接電動勢較大的直流電源的蓄電池相同。所有類別的電池都是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備，其金屬離子作為導(dǎo)電粒子可自由在導(dǎo)體中移動以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通電流的功能。常用的鉛蓄電池在充電時(shí)，在充電導(dǎo)通電流的推動下，生成PbO2、Pb、H2SO4。這一過程是電解液密度回升，與放電時(shí)電解液稀釋的反應(yīng)相反，如此往復(fù)形成蓄電池的充放電。

1.3 無線供電原理

綜合考慮現(xiàn)有的3種無線供電方法：電磁耦合；光電耦合；電磁共振。本項(xiàng)目采用電磁共振的方法實(shí)現(xiàn)對巡檢儀的無線供電。電磁諧振式無線供電技術(shù)是一種集電磁場、電力電子、高頻電子、電磁感應(yīng)原理、耦合理論等多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究，其具有非輻射性、無方向限制性、穿透性等特點(diǎn)。由于在全體空間內(nèi)可以進(jìn)行能量交換的介質(zhì)是交變磁場，除電場側(cè)外對環(huán)境的影響也可以忽略不計(jì)。

本項(xiàng)目采用的電磁諧振式無線供電方式與高效短距的電磁感應(yīng)式無線供電和低效率遠(yuǎn)距離的電磁輻射式無線供電相比，理論上的傳輸距離能最遠(yuǎn)可達(dá)到5m左右，傳輸效率的效率十分高，能超過40%。下式（1）（2）為串聯(lián)諧振無線供電系統(tǒng)的模型的計(jì)算公式，計(jì)算公式中的η代表為傳輸效率，Q代表為系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，都是電磁諧振式無線供電技術(shù)的重要性能指標(biāo)：

（1）

（2）

公式（1）中，μ0為空間磁導(dǎo)率；N1、N2位初、次級繞組匝數(shù)；r1、r2位初、次級線圈的半徑；d為初、次級繞組間的距離；R1、R2為初、次級繞組電阻值；RL為負(fù)載電阻值；ω為系統(tǒng)固有頻率。

從式（1）（2）可以看出，傳輸距離的大小對電磁諧振式供電系統(tǒng)起著重要的影響，而負(fù)載電阻對其系統(tǒng)整體的傳輸效率影響較小。品質(zhì)因數(shù)是衡量高頻傳輸系統(tǒng)的品質(zhì)的一個重要因數(shù)，電磁諧振式無線供電技術(shù)工作在電路的諧振頻率上時(shí)，諧振電路則會產(chǎn)生諧振，進(jìn)入到振蕩中。

2 智能電池巡檢儀硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的無線供電智能電池巡檢儀由MSP430F5529單片機(jī)作為主芯片，采用VOX330MP05S模塊來實(shí)現(xiàn)無線供電傳輸，結(jié)合其他驅(qū)動實(shí)現(xiàn)對智能電池巡檢儀的無線供電。

2.2 單片機(jī)選擇

智能電池巡檢儀是一種檢測蓄電池工作狀態(tài)、運(yùn)行情況的智能儀表。對單片機(jī)的要求是功耗低、性能強(qiáng)，能穩(wěn)定驅(qū)動實(shí)現(xiàn)無線供電功能以及數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)韧ㄐ殴δ堋?/p>

本巡檢儀采用MSP430系列F5529型號的單片機(jī)，其基本功能有：16位超低功率微處理器；采用精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，大多數(shù)是模擬指令，只有27條簡潔指令；功耗是μA級，工作電流極小，關(guān)斷電流僅為0.1μA，待機(jī)電流為0.8μA，端口漏電流小于50nA，并且可以零功耗掉電復(fù)位（BOR）；128KB閃存，8KB RAM；具有USB接口；12位ADC等。相比較于傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)，引進(jìn)Flash型程序存儲器和JTAG技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在線編程使，簡化編程人員的工作，提高效率。

2.3 無線供電芯片選擇

無線供電作為一種新型輸送電能的方式，其應(yīng)用和發(fā)展具有巨大的市場空間。由于電器電源二者無直接接觸完全分離，電器的用電安全問題得以保障。并且無線供電的使用環(huán)境不受限制，磁場能穿透非金屬材質(zhì)產(chǎn)生電能進(jìn)行輸送，例如玻璃、木頭、石板等，也包括水和空氣等最常見的介質(zhì)。而這種使用安全操作簡便的輸電方式是有線供電無法實(shí)現(xiàn)的。

為了更好地實(shí)現(xiàn)電池巡檢儀的智能現(xiàn)代化，本智能電池巡檢儀加入無線供電模塊，是無線供電成為可能。本次采用VOX330MP05S模塊做為實(shí)現(xiàn)無線供電傳輸?shù)暮诵男酒撔酒哂?個引腳，其引腳定義為第一引腳為電源，第二引腳為輸出端，第三引腳為接地端。

該芯片的電源端電壓工作范圍為9-15VDC，只要給VOX330MP05S提供一個12V的工作電壓，它就能推動電感電容諧振回路，最終將電能發(fā)射出去。由于電池巡檢儀需要大功率電能傳輸充電，故在電路設(shè)計(jì)中采用變壓器降壓來實(shí)現(xiàn)對IC的充電，為了給IC散熱降溫接入一個低功率風(fēng)扇。

3 無線供電軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對充電過程的監(jiān)測和對充電電路的實(shí)時(shí)調(diào)控，本智能電池巡檢儀的無線充電功能軟件設(shè)計(jì)部分采用MSP430單片機(jī)上自帶的AD轉(zhuǎn)換器，在線監(jiān)測蓄電池兩端的電壓。在符合規(guī)定電壓是發(fā)射控制信號以斷開該電路。由于MSP430具有的高速、高精度AD轉(zhuǎn)換器，多功能性能良好的定時(shí)器等優(yōu)點(diǎn)，本巡檢儀上另設(shè)計(jì)有充電顯示進(jìn)度條、實(shí)時(shí)充電電壓監(jiān)測、已充電時(shí)長和預(yù)計(jì)剩余充電時(shí)間等內(nèi)容。在繪制進(jìn)度條時(shí)采用根據(jù)電壓值計(jì)算坐標(biāo)、調(diào)用直線函數(shù)的方法進(jìn)行，可以達(dá)到更為逼真的效果，體現(xiàn)本智能巡檢儀的人性化。

4 智能電池巡檢儀的調(diào)試

根據(jù)國家的要求JJF 1071—2010《國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)程編寫規(guī)則》，JJF 1001—2011《通用計(jì)量屬于及定義》，JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》等準(zhǔn)則，重點(diǎn)對電池巡檢儀的無線充電功能進(jìn)行調(diào)試，抗干擾功能作為主要功能也需作適當(dāng)校正。

針對于巡檢儀用于在不間斷電源、電力整流電源環(huán)境中工作，供電系統(tǒng)、噪聲、電磁都會對其造成一定程度的干擾，進(jìn)而影響無線輸電功能。因此從軟硬件兩方面應(yīng)盡可能的減少智能電池巡檢儀收到的干擾。

在對智能電池巡檢儀的無線供電功能進(jìn)行調(diào)試時(shí)，電源電壓一定要從低電壓開始，慢慢上調(diào)直至達(dá)到穩(wěn)定工作電壓，防止發(fā)生事故；測量電池組電壓以及充放電電流時(shí)要小心接線，不可接反并要仔細(xì)檢查。

結(jié)語

本文以無線充電智能電池巡檢儀作為設(shè)計(jì)載體，重點(diǎn)對蓄電池的無線充電技術(shù)進(jìn)行深入研究。在參考了前人對無線供電領(lǐng)的初步研究，比較分析現(xiàn)有的無線供電方式后，最終選取了電磁共振的方式實(shí)現(xiàn)對電池巡檢儀中的蓄電池進(jìn)行較遠(yuǎn)距離、高效率的充電。這種無接觸式的充電方式大大減少了電器用電安全的隱患，對智能電池巡檢儀的推廣和使用具有重要影響意義。

參考文獻(xiàn)

[1]劉冰，張立紅，陳文娟，等.多負(fù)載諧振耦合式無線輸電的傳輸特性研究[J].大學(xué)物理，2017，36（11）：58-63.