利用ZigBee短距离无线通信技术实现无线充电系统精确功率控制的研究

文/勇哥

介绍

近年来，随着无线电力传输技术的不断完善，该技术越来越多地应用于现实生活中。 无线电力传输技术在智能手机上的应用，已逐渐从销售噱头功能转变为实用功能。 这是一个很好的例子。

近年来，随着新能源电动汽车产业的兴起，新能源汽车占现有汽车保有量的比例也逐年上升。 但由于传统固定桩充电设备的建设成本和建设方式等原因，充电桩数量的增长远慢于新能源汽车保有量的增长速度，导致充电难问题日益突出。新能源汽车。

无线传输技术在生产生活中的下一阶段目标是将其应用到新能源汽车上，实现车辆的无线充电。 利用无线电力传输技术实现的新能源汽车无线充电方法，可以进一步提高充电设施与现有停车位的匹配性，进一步降低建设成本，缩短建设周期，也降低后期维护的难度和成本。

为了更好地应用无线电力传输技术实现新能源汽车的无线充电，将采用短距离无线通信组网技术进行通信。 新能源汽车电池组内安装的传感器采集到的电压、电流、温升等关键信息传输至磁耦合谐振发射线圈控制模块，从而实现无线充电的负反馈闭环功率控制系统。

无线电力传输技术

无线电力传输技术是利用物理空间中的能量载体，基于非导线接触实现电力传输的技术。 磁耦合谐振无线电力传输系统原理图如图1所示。

短距离无线通信系统

新能源汽车无线充电系统属于公共设​​施。 停车位无线充电系统需要为不同车辆提供充电服务。 因此，系统中负责信息采集和反馈的短距离无线通信系统必须具备自动连接和自动修复功能。 、通信系统之间互不干扰的特点。 目前技术相对成熟、实用能力较强的短距离无线通信方式主要有Wifi、以及。 Wifi是Wifi的英文缩写，是在.11标准中创建的一种无线局域网技术。

目前，Wifi主要用于家庭、办公室、机场、图书馆、咖啡馆和休闲场所的高速互联网接入。 蓝牙技术主要用于短距离点对点应用中附属设备之间的通信，或者与电脑、手机终端等进行信息交互和传输。中文翻译为协议，采用.15.4标准，是一种低速、短距离传输的无线通信技术。 具有能耗低、价格低、延迟短、容量大等优点。

由于无线通信技术的传输速率较低，发射功率仅为毫瓦级，不工作时可以进入休眠状态。 一节普通1.5伏干电池可维持待机运行数年；

该模块的成本较低。 目前价格在几十元之间。 随着技术的进一步成熟，相信未来价格会更低。 从设备搜索、连接到通信，通信延迟和从休眠状态激活的延迟均为毫秒级。 只需要几十毫秒。 同时，无线通信网络具有很强的自组织能力和自愈能力。

综上所述，不难得出结论，在Wifi和Wi-Fi这三种无线通信技术中，无线通信技术在能耗、建设成本、组网时间、自组织网络和通信网络自愈等方面均具有优势。能力。 因此，在新能源汽车电池无线充电系统中，将采用无线通信系统来实现负反馈控制信息的数据通信。

新能源汽车基于磁耦合谐振的无线充电电源闭环自动控制系统设计

目前，新能源汽车采用锂电池组来储存电能。 与其他电池相比，锂电池具有体积更小、比能量更高、无记忆效应、不含污染环境的重金属等诸多优点。

但锂电池在充电过程中对充电方式的要求很高。 如果不采用合适的充电策略，会导致充电效率低、充电速度慢、充电时间过长，或者充电过程中温升过高，从而缩短电池的寿命。锂电池。 甚至还有爆炸的危险。

因此，提出利用无线通信技术作为锂电池状态信息的负反馈通道。 利用伺服电机调节磁耦合谐振线圈与面对区域的距离等参数来改变谐振线圈的耦合系数，实现新能源汽车锂电池无线充电系统的功率闭环自动控制。

1、网络数据传输方式选择

组网数据传输模式包括单播数据传输模式、组播数据传输模式和广播数据传输模式。 在新能源汽车电池无线充电功率控制系统中，由于每辆新能源汽车在不同时间和地点连接的充电系统并不固定，因此广播数据传输方式是最合适的。

2. 网络拓扑选择

网络层拓扑包括星型、网状和树型。 在新能源汽车电池无线充电电源控制系统中，负责电压、电流和温度信号采集的传感器终端节点安装在车辆锂电池区域，接收信号的协调器和路由器安装在车位内。预埋隐蔽式应用形式。 中间。

当车辆进入具有无线充电功能的车位时，嵌入车位下方的充电设备紧贴底盘，中间没有任何障碍物或障碍物。 同时，每辆新能源汽车只需与相应车位下的协调器进行通信即可。 或者可以使用路由器进行通信，因此信息传输的覆盖范围不高。

3、基于磁耦合谐振的无线充电功率闭环控制系统设计

系统中的负反馈信号采用短距离无线通信网络传输锂电池状态信息。 无线充电电源闭环控制系统原理图如图2所示。当车辆进入车位时，压力传感器将压力传感信号转换为电信号发送至中央控制器；

中央控制器启动车位无线网络。 当协调器与车内相应终端节点建立网络连接，确定车位有新能源汽车且满足正常充电条件时，控制器将磁耦合谐振发射线圈与电网连接。 接通交流电，启动伺服电机，调整磁耦合谐振线圈之间的距离、面对面积等参数，以提高两线圈之间的磁耦合系数。 此时，发射线圈以最大功率输出电能。 新能源汽车锂电池进入无线充电状态。 。

3.1 锂电池温度异常时闭环功率控制原理

在锂电池充电过程中，电压、电流、温度传感器终端节点实时采集相应的目标信息，并将数据信息以周期轮换的形式上报给协调器。

当锂电池温度超过预设的三级上限温度时，温度传感器终端节点将在最近的通信周期内向协调器发送报警信息； 协调器将收到的温度报警信息上报给系统中央控制器，中央控制器向伺服电机发送控制命令。

启动后，驱动磁耦合谐振发射线圈移动，通过调整发射线圈与接收线圈之间的距离、面对面积等参数，降低磁耦合谐振线圈的耦合系数，从而实现充电。汽车锂电池的电源控制。

一段时间后，如果温度恢复正常且电池未充满电，控制器将再次控制伺服电机增大磁耦合谐振线圈的耦合系数，再次增大无线能量传输功率。

如果在一定的无线通信周期发送数据前，温度终端传感器节点采集到的温度超过预设的二次上限温度，则控制器再次向伺服电机发送控制指令，伺服电机进一步降低耦合系数通过磁耦合谐振线圈的作用。 这进一步降低了无线充电系统的发射功率。

同时通过短信等方式将报警信息发送给停车管理系统人员和车主，启动车位声光报警系统，以便停车场管理员和车主快速找到停车位。有问题的车辆。 当系统发生一级温度报警时，无线充电系统将无法自行进入充电状态，以确保安全。

要再次进入充电状态，必须同时满足两个条件：

(1)温度已降至安全水平；

(2)手动重置停车场管理系统中的无线充电确认按钮。

3.2 锂电池电压电流传感器终端节点实现充电断电

环路控制原理：当锂电池采用恒压、恒流或恒功率充电模式时，新能源汽车锂电池首次接入磁吸时，汽车电池侧的电压传感器端子节点首先采集锂电池电压。耦合谐振无线充电系统。 电压传感器终端节点将电压信息通过无线网络发送至协调器，最终到达系统中央控制器。

如果锂电池电压低于阈值电压，控制器发出控制指令驱动伺服电机运动，并调整谐振线圈参数，实现发射线圈以小功率发射电能对锂电池充电。 0.1C 的涓流电流。

此时，锂电池侧的电流传感器终端节点将采集到的电流信号发送给协调器，最终到达中央控制器。 该电流信号作为伺服电机闭环控制的负反馈信号，使控制器能够更精准地控制伺服电机的动作，实现0.1C的涓流电流对锂电池更精准的充电。 。

当锂电池电压达到上限电压时，协调器接收信息并发送给中央控制器。 控制器发出控制指令驱动伺服电机运行，并再次调整线圈参数，使电池充电电流保持0.1C的涓流电流继续充电。 当进入涓流充电状态时，控制器内的定时器同时启动。 30分钟后，控制器切断磁耦合谐振发射线圈与交流电源的连接，锂电池充电结束。

模拟

为了验证无线充电功率的可控性，利用重叠和数据仿真分析，谐振线圈中发射线圈和接收线圈同轴的理想情况下的耦合互感系数

式中，μ0为真空磁导率，r为线圈半径，N为线圈匝数，d为线圈距离。 从公式不难推出，当磁导率μ0和线圈匝数N不变时，耦合系数与线圈距离负相关，与等效面积半径正相关。 线圈发射功率与耦合系数的函数关系如图3所示。

从仿真图中可以看出，磁耦合线圈之间的传输功率与两个线圈之间的磁耦合系数正相关。 通过闭环控制系统改变耦合系数来实现功率控制是可行的。

综上所述

无线电力传输技术在新能源汽车充电中的应用将进一步推动新能源汽车的普及。 短距离无线通信技术应用于汽车锂电池无线充电系统，作为锂电池状态负反馈信号的传输通道。

中央控制器利用负反馈信号精确控制伺服电机调节磁耦合线圈距离、面对面积等参数，实现新能源汽车锂电池在不同充电阶段的精准功率闭环控制，为新能源汽车锂电池提供无线充电。新能源汽车。 技术研究提供了解决方案。

参考：

[1] 黄学良，王伟，谭琳琳。 磁耦合谐振无线电力传输技术研究趋势及应用前景[J]. 电力系统自动化，2017（2）：2-14+141。

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[4] 杨阳，唐涛峰，秦大同，等。 电动汽车锂电池PNGV等效电路模型及SOC估计方法[J]． 系统仿真学报，2012（04）：202-206。