车联网多传感器自供能系统储能稳压电路设计*

吴斯栋 黄维沛 刘建瓴 梁德杰 洪晓斌

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院 2.广东出入境检验检疫局检验检疫技术中心电气安全实验室）

1 引言

随着我国国民经济快速发展，交通运输业也取得巨大进展，但交通事故却频频发生，车辆的爆胎事故也骤然增多，主要是由于轮胎压力异常、温度过高等原因造成的。所以，对轮胎的动态载荷监测系统的研发迫在眉睫，基于轮载式的智能传感车轮动载荷主动监测方式便成为研究热点[1]。然而目前机动车上轮载式智能传感器传统的供电方式一般采用外接小容量电池，如1.5V／节等，难以实现对车载智能传感器持续而稳定的供电，需要定时拆卸更换电池，更重要的是供电量下降直接影响了相关传感器的数据准确性和传输，这已成为机动车轮载式智能监测技术发展的瓶颈[2]。除此之外，目前有一种利用超磁致伸缩材料Fe-Ni／PZT磁电复合单元，高效采集电磁场能量以实现自供能方式[3]。然而这种自供能方式中h型音叉本身需要一定的放置空间，在空间狭小的轮毂中放置h型音叉显然是不可能的。同时输出电压为 1.2V左右，仍难支持轮胎内嵌式传感器模块工作。鉴于以上问题，本文探索性提出基于RFID的电磁感应自供能新方式，重点设计了一个基于超级电容的储能与稳压电路。

2 车载网内嵌式多传感器自供能系统

2.1 系统框架

系统主要由接收端、发射端、监控终端三部分组成，系统通信采取无线通信方式。工作原理是发射端由车上电源相连直接供电，发射端通过变压、振荡后得到一定频率交变电场，并通过低频电感耦合的方式向接收端实现一定距离下的低损耗的电能传输；同时接收端通过RFID将传感器反馈回来的数据发送到发射端，控制发射端发射电能的时机；通过Zigbee协议传给监控终端处理，监控终端再把信息通过GPRS上传至 Web服务器，最终形成一个车载物联网体系，如图1所示。

图1 车载网多传感器自供能系统

2.2 接收端结构

对于接收端，首先通过适合的线圈与发射端线圈实现匹配，接受电能。接受到的交变电流通过整流、滤波、稳压后，一方面冗余的电能使用超级电容储存；另一方面，直接给后续的标签电路和传感器在线供电。标签电路正常工作时把机动车安全监测数据通过无线射频方式反馈到发射端。在故障或者发射端断电无法给接收端传输电能时，超级电容为电路暂时提供电能，使后续电路得到稳定持续的电能，保证传感器、处理器模块能正常工作。接收端框图见图2 。

图2 接收端框图

3 自动控制储能稳压电路实现

3.1 硬件设计

3.1.1 储能稳压硬件电路

储能稳压电路硬件整体布局如图3 所示。

图3 储能稳压电路硬件布局图

当接收端接收到发射过来的电能后，电能通过5V端输入到自动控制储能稳压电路，使继电器的上下两组开关分别往下打，此时R16端与CAP_IN连接，于是，外部输入的5V电压便通过二极管和R16向超级电容充电。同时，继电器下面一个开关使5V与IN端连接，使外部输入的5V电压与电感L6连接，并通过MAX1674向后续电路供电。同时，充电时由于二极管整流作用，超级电容端并不能向MAX1674提供输入。当出现故障外部无法输入5V电压时，继电器上下两组开关都往上打，上面的一个开关使CAP_IN端与IN相连接，并使电容的正极能与电感L6相连，为MAX1674提供输入，稳压后为后续电路供电。图3 右边是单片机与两个传感器的框图，单片机的ad输入端（对应单片机的CAP_IN端）与超级电容的正端相连接，用软件设计控制电能发送的时机。当汽车关停或启动时，通过发送端的RFID通信，断开自动控制储能稳压电路对后续电路的供电；通过外部中断唤醒单片机并重启对后续电路的供电。以上两部分流程具体参见软件设计部分。

3.1.2 储能部分元件选择

根据车载网多传感器自供能系统的要求，由于接收端在装载轮毂上，储能元件的拆卸比较麻烦，因此需要确保储能元件循环使用的寿命足够长；其次，由于接收电能的位置不固定，导致无线电能发送不稳定，可能会周期性地出现一段时间内无法接收电能的情况。所以，为了让接收端后续电路有一个相对稳定的电能供应，接收端需要在短时间内储存足够的能量，以保证在接收不到电能的时间内，储能元件能正常向后续电路供电，减少发射电能波动对后面电路的影响。超级电容的循环使用寿命长、充放电效率高及响应时间快，一般超级电容的额定充电电流都能达到10A，而支持大电流充电的特性使得超级电容的充电在数百甚至数十秒之内就能完成。锂离子电池虽然有保持电荷能力强、重量比能量高的优势[4]，但是，结合到本项目的实际情况：其后续电路只是单片机和传感器，耗能并不是特别大；其次，机动车在运行过程中，发射端能不断向接收端发送能量，所以并不会长时间断电。因此通过比较锂电池和超级电容两种储能元件特性及优缺点，超级电容的保持电荷能力和容量都足以满足本项目的需求。综上所述，稳压电路储能元件选取额定电压2.7V、电容量100F的超级电容。

3.1.3 稳压电路芯片选择

由于超级电容放电时会随着储存能量的下降使电容端电压降低，所以必须在超级电容上加上稳压电路。本文选取Maxim公司出产的MAX1674EUA芯片，这是一款高效率、低工作电压的新型开关稳压芯片。该款芯片输入电压范围为（1.1～5.5）V，覆盖了超级电容的额定工作电压，而且转换效率达到94%，大大降低了能量损耗。当输入电压低于设定值时，该芯片还会关闭稳压转换，输出一个低电平[5]。

3.2 软件设计

当电压高于2.7V时，单片机通过后续的发射电路告知发送端，让发送端停止电能发送；当电压低于1.1V时，告知发送端启动电能发送。同时，在汽车启动时，默认发送电能，充电控制流程图如图4所示。

图4 充电控制流程图

当汽车关停时，通过发送端的信号，使单片机的RB4口输出信号“0”，控制模拟开关TS5A3159的com端与Output_5V断开，从而断开了传感器的供电，此时，单片机处于睡眠状态；当汽车开动时，发送端向接收端发送外部的5V电压输入，触发单片机的外部中断，唤醒单片机，单片机的RB4输出“1”，并控制模拟开关，使稳压输出的电压与传感器的Vcc端相连，恢复对传感器的供电，如图5所示。

图5 储能稳压电路启动/关停控制流程图

3.3 应用实验

对自动控制储能稳压电路进行实验，结合本项目的前期接收端特点，采用恒压充电，且充电电流最大不超过 1A，由于电流远小于超级电容的额定充电电流10A，所以实验中不对大电流充电时超级电容容值下降进行测试。通过不同的实验组，测试了不同阻值的限流电阻对超级电容充电的影响，实验结果见表1。

表1 储能稳压电路实验数据

实验过程发现限流电阻越小充电时间越短，由于输入电流所限，所以当限流电阻下降到0Ω时，稳压电路的输出略有下降，但都能达到稳定状态，且输出电压值的误差符合后续电路所需电压值要求。

4 结束语

主动性的轮载式机动车运行安全状态监测新模式是机动车运行安全检测技术未来发展的必然趋势。基于RFID无线自供能新方式目前难以做到有线传输时所能达到的恒稳供电，本文开发自动控制储能稳压电路能保证后续电路对恒稳供电的需求；同时在储能方面，当储能元件充满电时能自动停止，并在充电时储能元件不放电，仅由外部输入供电；在无需测量数据时，关闭对测量电路的供电，这大大减少了电能的损耗，符合环保的要求，同时也有利于提高储能元件的使用寿命。

[1]潘梦鹞,周岳斌,刘桂雄.机动车运行安全检测模式及发展分析[J].现代制造工程,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,贾朝波,文玉梅,等.采用磁电自供能的能量储存和电源管理电路研究[J].仪器仪表学报,2010,31(11):2629-2635.

[4]朱基亮,杜翀,何亮明,等.锂离子电池的热稳定性和大电流充放电稳定性研究[J].四川大学学报(工程科学版),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.