基于STC15W408AS單片機(jī)的無線充電電動(dòng)小車設(shè)計(jì)

劉 健，吳 宇，柳春曉，馮 俊，倪曉昌，楊 旭

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津300222）

0 引 言

現(xiàn)如今，汽車已經(jīng)成為人們出行必不可少的交通運(yùn)輸工具［1］。但是，在汽車產(chǎn)業(yè)獲得高速發(fā)展的同時(shí)，也帶來了尾氣排放污染。目前形勢表明，汽車尾氣的排放已經(jīng)成為了國內(nèi)部分地區(qū)的主要大氣污染源。結(jié)合當(dāng)前的數(shù)據(jù)調(diào)查顯示［2］，以一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫?yàn)橹鞯奈廴練怏w即已成為汽車排放的主要污染物。中國的汽車使用量隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展會不斷增多。如今，國家正大力提倡綠色可持續(xù)性發(fā)展，這也同時(shí)突顯了有關(guān)減少汽車尾氣排放物課題研究的重要性和緊迫性。

因此，新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生。新能源汽車是指除汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)之外所有其它能源汽車［3］。其中包括燃料電池汽車、混合動(dòng)力汽車、氫能源動(dòng)力汽車和太陽能汽車等。目前中國市場上在售的新能源汽車多是混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車。

新能源汽車電池類型主要為：鋰離子電池、鎳氫電池、燃料電池、鉛酸電池、超級電容器［4］。其中最好的當(dāng)屬超級電容器。超級電容器是指介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置，其容量可達(dá)幾百至上千法拉。與傳統(tǒng)電容器相比，該種電容器具有較大的容量、比能量或能力密度，較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命；而與蓄電池相比，則又具有較高的比功率，且對環(huán)境無污染。當(dāng)前充電方式有直流充電和無線充電兩種方式。相對來說，直流充電較為普遍，但是由于電線的存在，讓充電較為麻煩，不僅使用車輛有限，而且會帶來觸電危險(xiǎn)，隨著使用時(shí)間越久，危險(xiǎn)越大［5］。

為了保護(hù)人身安全，提高電能利用，節(jié)約能源，讓充電變得簡單。本設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室仿真研發(fā)一款無線充電小車，項(xiàng)目初衷是設(shè)計(jì)一個(gè)可以在充電1 min后自行啟動(dòng)的小車，小車供能采用超級電容，可以進(jìn)行長距離直線行駛和穩(wěn)定爬坡。

1 系統(tǒng)方案

1.1 電機(jī)的選擇

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對電機(jī)提出了一定的要求，考慮有2種方案可供選用，對此擬分述如下。

（1）方案一：有刷電機(jī)

①優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，布設(shè)方便，在極低電壓下可以啟動(dòng)，有刷電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，價(jià)格便宜。

②缺點(diǎn)：有刷電機(jī)的摩擦力較大，損耗也較高，效率偏低，有換向器，電壓換向時(shí)可能會產(chǎn)生火花，因此使用壽命比較短。

（2）方案二：無刷電機(jī)

①優(yōu)點(diǎn)：沒有電刷、干擾很低，低噪音，運(yùn)轉(zhuǎn)極為順暢，壽命很長，維護(hù)成本也低。并且具有編程、可調(diào)節(jié)功能。

②缺點(diǎn)：采用單片機(jī)控制，MOS管需要較高的電壓，才能夠正常運(yùn)行，如果初期給出的電壓較低，當(dāng)?shù)陀谀畴妷褐禃r(shí)將無法運(yùn)行。

綜合前文性能比較分析后可知，文中將2種電機(jī)一起使用，這樣就可以最大限度地提高電能的使用效率。

1.2 電容的選擇

（1）方案一：5個(gè)100 F的超級法拉電容并聯(lián)

①優(yōu)點(diǎn)：容量大，充電電壓高，充電速度快，循環(huán)使用壽命長。

② 缺點(diǎn)：體積大，重量大，不利于小車輕便行動(dòng)。

（2）方案二：2個(gè)10 F，2個(gè)1 F 并聯(lián)

①優(yōu)點(diǎn)：輕便，電壓利用率較高。

②缺點(diǎn)：充電速度較慢，體積較小。

經(jīng)過前文性能比較分析后可知，文中使用方案二，因?yàn)樾≤囋O(shè)計(jì)時(shí)需保持輕便性，一旦負(fù)重過多，將會消耗較多電量。

2 理論分析與計(jì)算

超級電容充放電效率取決于超級電容的充電時(shí)間常數(shù)。超級電容的充放電效率是決定超級電容的充放電時(shí)間的重要因素，超級電容充電采用DC／DC轉(zhuǎn)換［6］。

假設(shè)電容組以恒定的電流充放電，經(jīng)過時(shí)間t后，電容器組電量從Q1到Q2，相應(yīng)的電壓由U1到U2，則電容器組存儲釋放的能量E為：

此時(shí)，超級電容器組內(nèi)阻R消耗的能量ER為：

定義時(shí)間常數(shù)r＝RCC，β ＝U1／U2（充電） 或β ＝U2／U1（放電），得到充電效率ηC和放電效率ηD為：

可以看出，對于相同的時(shí)間常數(shù)，超級電容的效率隨著充電和放電的深度增加而降低，并且隨著充電和放電時(shí)間t的增加而增加，對于相同的β，ηC永遠(yuǎn)大于ηD；同時(shí)，時(shí)間常數(shù)的值越小，則相同放電時(shí)間效率就越高，并且接近，但是隨著時(shí)間常數(shù)值的增大，偏差卻會迅速增大。所以，在考慮低成本、而又不會影響電容器的使用時(shí)，應(yīng)該選用時(shí)間常數(shù)小的電容器，這時(shí)電容器的充放電時(shí)間就可以設(shè)計(jì)為相同值。最后，研究中選擇的是2個(gè)10 F和2個(gè)1 F的超級電容。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)小車在指定位置停靠后，充電模塊隨即放電，接收模塊開始接收電能，單片機(jī)轉(zhuǎn)入計(jì)時(shí)模式，1 min后小車充滿電，模塊停止充電，小車啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)開始爬坡時(shí)，啟動(dòng)升壓模塊TPS63020進(jìn)行升壓爬坡。整體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

小車實(shí)物模型即如圖2所示。

圖2 小車實(shí)物圖Fig.2 The real car photo

3.1 無線充電模塊

發(fā)射充電使用的是xkt-412無線發(fā)射，該芯片具有自動(dòng)適應(yīng)供電電壓調(diào)節(jié)功能，因而能夠在較寬的電壓下正常工作，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率鎖定。而且其功率控制工作電壓較低，只需要5～12 V，工作頻率在0～2 MHz。

接收模塊選用的是t3168無線接收，該芯片體積小、輸出功率大，并且可以配合各種無線充電方案應(yīng)用，電路簡單、部署也方便。無線充電發(fā)射模塊［7］電路圖如圖3所示，無線充電接收模塊電路圖如圖4所示。

圖3 無線充電發(fā)射模塊設(shè)計(jì)Fig.3 Wireless charging launch module design

圖4 無線充電接收模塊設(shè)計(jì)Fig.4 Wireless charging receiving module design

3.2 控制模塊

控制模塊采用 stc15w408as單片機(jī)［8］最小系統(tǒng)，其芯片管腳圖如圖5所示。

圖5 STC15W408AS微控制器芯片F(xiàn)ig.5 STC15W408AS microcontroller chip

該單片機(jī)與51系列相比，大大提高了設(shè)計(jì)的靈活性，與普通的51系列相比，單片機(jī)主要具有以下特點(diǎn)：

（1）體積較小、結(jié)構(gòu)較簡單、可靠性較高。（2）控制能力較強(qiáng)。（3）電壓較低，功耗較低。（4）性能優(yōu)異，性價(jià)比較高。

3.3 特殊器件TPS63020

TPS63020［9］的優(yōu)點(diǎn)與特性可表述為：高輸出的電流性能讓電池供電可以在最高效率的狀態(tài)下生成最大的電流。例如，在典型情況下，可以在降壓模式下產(chǎn)生3.3 V電壓和3 A電流，并且可以在升壓模式下產(chǎn)生3.3 V電壓和2.0 A電流；動(dòng)態(tài)輸入電流可以高效地保護(hù)電路以及系統(tǒng)；節(jié)電模式下能在輕負(fù)載下保持高效率。

4 軟件設(shè)計(jì)

研究可知，小車在開始充電以及充電后的一切運(yùn)動(dòng)，都由單片機(jī)控制，在不同的條件下，單片機(jī)會發(fā)出不同的指令。研發(fā)設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flow chart

5 數(shù)據(jù)實(shí)際測量

設(shè)計(jì)選定的電源為5 V／1 A，電容是21 F，在1 min的時(shí)間里，測試了無線充電與直接充電的電壓，在此基礎(chǔ)上加入了TPS63020升壓模塊，接下來就研究測試了加入后的電壓，運(yùn)行結(jié)果詳見表1、表2。

表1 無升壓測量數(shù)據(jù)Tab.1 Pressure-free measurement data

表2 加入升壓測量數(shù)據(jù)Tab.2 Pressure-adding measurement data

由表1、表2可以看出，加上TPS63020后，雖然降低了電源電壓，但是無線充電的電壓卻得到了提升。這樣不僅降低了成本，同時(shí)還提高了充電效率。

6 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的無線電動(dòng)小車充電系統(tǒng)經(jīng)過測試，在充電1 min后，小車可以直線行駛超過100 m，即使在爬坡過程中也極為穩(wěn)定，滿足了設(shè)計(jì)要求；當(dāng)小車接收到電壓時(shí)，采用TPS63020芯片升壓模塊進(jìn)行提升，一般4.5 V左右的電壓，可以提升到6.5 V左右，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低電壓高效充電，大大提高了電能利用率。

目前無線感應(yīng)式充電技術(shù)無法獲得大規(guī)模運(yùn)用主要就在于對輻射的考慮，因?yàn)闊o線充電會產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場。當(dāng)人或者動(dòng)物處于汽車和充電裝置中間時(shí)，有可能會帶來傷害。因此日后的改進(jìn)設(shè)計(jì)即會把無線充電系統(tǒng)的安全性作為著重點(diǎn)加以優(yōu)化，而在此方面，也亟需大量的測試來支持展開下一步的工作。