車聯(lián)網(wǎng)多傳感器自供能系統(tǒng)儲(chǔ)能穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)*

吳斯棟 黃維沛 劉建瓴 梁德杰 洪曉斌

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 2.廣東出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心電氣安全實(shí)驗(yàn)室）

1 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)也取得巨大進(jìn)展，但交通事故卻頻頻發(fā)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(guò)高等原因造成的。所以，對(duì)輪胎的動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)迫在眉睫，基于輪載式的智能傳感車輪動(dòng)載荷主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式便成為研究熱點(diǎn)[1]。然而目前機(jī)動(dòng)車上輪載式智能傳感器傳統(tǒng)的供電方式一般采用外接小容量電池，如1.5V／節(jié)等，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)車載智能傳感器持續(xù)而穩(wěn)定的供電，需要定時(shí)拆卸更換電池，更重要的是供電量下降直接影響了相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和傳輸，這已成為機(jī)動(dòng)車輪載式智能監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)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(fù)合單元，高效采集電磁場(chǎng)能量以實(shí)現(xiàn)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(shí)輸出電壓為 1.2V左右，仍難支持輪胎內(nèi)嵌式傳感器模塊工作。鑒于以上問(wèn)題，本文探索性提出基于RFID的電磁感應(yīng)自供能新方式，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能與穩(wěn)壓電路。

2 車載網(wǎng)內(nèi)嵌式多傳感器自供能系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)主要由接收端、發(fā)射端、監(jiān)控終端三部分組成，系統(tǒng)通信采取無(wú)線通信方式。工作原理是發(fā)射端由車上電源相連直接供電，發(fā)射端通過(guò)變壓、振蕩后得到一定頻率交變電場(chǎng)，并通過(guò)低頻電感耦合的方式向接收端實(shí)現(xiàn)一定距離下的低損耗的電能傳輸；同時(shí)接收端通過(guò)RFID將傳感器反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)射端，控制發(fā)射端發(fā)射電能的時(shí)機(jī)；通過(guò)Zigbee協(xié)議傳給監(jiān)控終端處理，監(jiān)控終端再把信息通過(guò)GPRS上傳至 Web服務(wù)器，最終形成一個(gè)車載物聯(lián)網(wǎng)體系，如圖1所示。

圖1 車載網(wǎng)多傳感器自供能系統(tǒng)

2.2 接收端結(jié)構(gòu)

對(duì)于接收端，首先通過(guò)適合的線圈與發(fā)射端線圈實(shí)現(xiàn)匹配，接受電能。接受到的交變電流通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓后，一方面冗余的電能使用超級(jí)電容儲(chǔ)存；另一方面，直接給后續(xù)的標(biāo)簽電路和傳感器在線供電。標(biāo)簽電路正常工作時(shí)把機(jī)動(dòng)車安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻方式反饋到發(fā)射端。在故障或者發(fā)射端斷電無(wú)法給接收端傳輸電能時(shí)，超級(jí)電容為電路暫時(shí)提供電能，使后續(xù)電路得到穩(wěn)定持續(xù)的電能，保證傳感器、處理器模塊能正常工作。接收端框圖見(jiàn)圖2 。

圖2 接收端框圖

3 自動(dòng)控制儲(chǔ)能穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 儲(chǔ)能穩(wěn)壓硬件電路

儲(chǔ)能穩(wěn)壓電路硬件整體布局如圖3 所示。

圖3 儲(chǔ)能穩(wěn)壓電路硬件布局圖

當(dāng)接收端接收到發(fā)射過(guò)來(lái)的電能后，電能通過(guò)5V端輸入到自動(dòng)控制儲(chǔ)能穩(wěn)壓電路，使繼電器的上下兩組開(kāi)關(guān)分別往下打，此時(shí)R16端與CAP_IN連接，于是，外部輸入的5V電壓便通過(guò)二極管和R16向超級(jí)電容充電。同時(shí)，繼電器下面一個(gè)開(kāi)關(guān)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(guò)MAX1674向后續(xù)電路供電。同時(shí)，充電時(shí)由于二極管整流作用，超級(jí)電容端并不能向MAX1674提供輸入。當(dāng)出現(xiàn)故障外部無(wú)法輸入5V電壓時(shí)，繼電器上下兩組開(kāi)關(guān)都往上打，上面的一個(gè)開(kāi)關(guān)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(wěn)壓后為后續(xù)電路供電。圖3 右邊是單片機(jī)與兩個(gè)傳感器的框圖，單片機(jī)的ad輸入端（對(duì)應(yīng)單片機(jī)的CAP_IN端）與超級(jí)電容的正端相連接，用軟件設(shè)計(jì)控制電能發(fā)送的時(shí)機(jī)。當(dāng)汽車關(guān)停或啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)發(fā)送端的RFID通信，斷開(kāi)自動(dòng)控制儲(chǔ)能穩(wěn)壓電路對(duì)后續(xù)電路的供電；通過(guò)外部中斷喚醒單片機(jī)并重啟對(duì)后續(xù)電路的供電。以上兩部分流程具體參見(jiàn)軟件設(shè)計(jì)部分。

3.1.2 儲(chǔ)能部分元件選擇

根據(jù)車載網(wǎng)多傳感器自供能系統(tǒng)的要求，由于接收端在裝載輪轂上，儲(chǔ)能元件的拆卸比較麻煩，因此需要確保儲(chǔ)能元件循環(huán)使用的壽命足夠長(zhǎng)；其次，由于接收電能的位置不固定，導(dǎo)致無(wú)線電能發(fā)送不穩(wěn)定，可能會(huì)周期性地出現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法接收電能的情況。所以，為了讓接收端后續(xù)電路有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電能供應(yīng)，接收端需要在短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存足夠的能量，以保證在接收不到電能的時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)能元件能正常向后續(xù)電路供電，減少發(fā)射電能波動(dòng)對(duì)后面電路的影響。超級(jí)電容的循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、充放電效率高及響應(yīng)時(shí)間快，一般超級(jí)電容的額定充電電流都能達(dá)到10A，而支持大電流充電的特性使得超級(jí)電容的充電在數(shù)百甚至數(shù)十秒之內(nèi)就能完成。鋰離子電池雖然有保持電荷能力強(qiáng)、重量比能量高的優(yōu)勢(shì)[4]，但是，結(jié)合到本項(xiàng)目的實(shí)際情況：其后續(xù)電路只是單片機(jī)和傳感器，耗能并不是特別大；其次，機(jī)動(dòng)車在運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)射端能不斷向接收端發(fā)送能量，所以并不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間斷電。因此通過(guò)比較鋰電池和超級(jí)電容兩種儲(chǔ)能元件特性及優(yōu)缺點(diǎn)，超級(jí)電容的保持電荷能力和容量都足以滿足本項(xiàng)目的需求。綜上所述，穩(wěn)壓電路儲(chǔ)能元件選取額定電壓2.7V、電容量100F的超級(jí)電容。

3.1.3 穩(wěn)壓電路芯片選擇

由于超級(jí)電容放電時(shí)會(huì)隨著儲(chǔ)存能量的下降使電容端電壓降低，所以必須在超級(jí)電容上加上穩(wěn)壓電路。本文選取Maxim公司出產(chǎn)的MAX1674EUA芯片，這是一款高效率、低工作電壓的新型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片。該款芯片輸入電壓范圍為（1.1～5.5）V，覆蓋了超級(jí)電容的額定工作電壓，而且轉(zhuǎn)換效率達(dá)到94%，大大降低了能量損耗。當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定值時(shí)，該芯片還會(huì)關(guān)閉穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換，輸出一個(gè)低電平[5]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)電壓高于2.7V時(shí)，單片機(jī)通過(guò)后續(xù)的發(fā)射電路告知發(fā)送端，讓發(fā)送端停止電能發(fā)送；當(dāng)電壓低于1.1V時(shí)，告知發(fā)送端啟動(dòng)電能發(fā)送。同時(shí)，在汽車啟動(dòng)時(shí)，默認(rèn)發(fā)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(dāng)汽車關(guān)停時(shí)，通過(guò)發(fā)送端的信號(hào)，使單片機(jī)的RB4口輸出信號(hào)“0”，控制模擬開(kāi)關(guān)TS5A3159的com端與Output_5V斷開(kāi)，從而斷開(kāi)了傳感器的供電，此時(shí)，單片機(jī)處于睡眠狀態(tài)；當(dāng)汽車開(kāi)動(dòng)時(shí)，發(fā)送端向接收端發(fā)送外部的5V電壓輸入，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，喚醒單片機(jī)，單片機(jī)的RB4輸出“1”，并控制模擬開(kāi)關(guān)，使穩(wěn)壓輸出的電壓與傳感器的Vcc端相連，恢復(fù)對(duì)傳感器的供電，如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)能穩(wěn)壓電路啟動(dòng)/關(guān)?？刂屏鞒虉D

3.3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

對(duì)自動(dòng)控制儲(chǔ)能穩(wěn)壓電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合本項(xiàng)目的前期接收端特點(diǎn)，采用恒壓充電，且充電電流最大不超過(guò) 1A，由于電流遠(yuǎn)小于超級(jí)電容的額定充電電流10A，所以實(shí)驗(yàn)中不對(duì)大電流充電時(shí)超級(jí)電容容值下降進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)組，測(cè)試了不同阻值的限流電阻對(duì)超級(jí)電容充電的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 儲(chǔ)能穩(wěn)壓電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)限流電阻越小充電時(shí)間越短，由于輸入電流所限，所以當(dāng)限流電阻下降到0Ω時(shí)，穩(wěn)壓電路的輸出略有下降，但都能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且輸出電壓值的誤差符合后續(xù)電路所需電壓值要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

主動(dòng)性的輪載式機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)新模式是機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全檢測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)?；赗FID無(wú)線自供能新方式目前難以做到有線傳輸時(shí)所能達(dá)到的恒穩(wěn)供電，本文開(kāi)發(fā)自動(dòng)控制儲(chǔ)能穩(wěn)壓電路能保證后續(xù)電路對(duì)恒穩(wěn)供電的需求；同時(shí)在儲(chǔ)能方面，當(dāng)儲(chǔ)能元件充滿電時(shí)能自動(dòng)停止，并在充電時(shí)儲(chǔ)能元件不放電，僅由外部輸入供電；在無(wú)需測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)閉對(duì)測(cè)量電路的供電，這大大減少了電能的損耗，符合環(huán)保的要求，同時(shí)也有利于提高儲(chǔ)能元件的使用壽命。

[1]潘夢(mèng)鷂,周岳斌,劉桂雄.機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全檢測(cè)模式及發(fā)展分析[J].現(xiàn)代制造工程,2009(5):12-16.

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

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