基于MSP430的電動(dòng)小車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)

崔子龍 朱沛康 李熙然

摘? 要：為進(jìn)一步加深對(duì)電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的研究，對(duì)該技術(shù)作更深層次的理解，文章設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)小車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)，所述裝置由MSP430F169芯片、無線充電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊和穩(wěn)壓模塊五個(gè)部分組成，從而實(shí)現(xiàn)小車循跡前進(jìn)、定點(diǎn)停車功能，并由超級(jí)電容通過穩(wěn)壓電路供電給小車系統(tǒng)及MSP430F169控制核心，進(jìn)而控制小車的工作模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：MSP430F169芯片;動(dòng)態(tài)無線充電;小車循跡;定點(diǎn)停車

Abstract：In order to further deepen the research on the wireless charging technology of electric vehicles and make a deeper understanding of the technology，this paper designs a dynamic wireless charging system for electric vehicles. The device is composed of MSP430F169 chip，wireless charging module，motor driving module，super capacitor energy storage module and voltage stabilizing module，so as to realize the functions of car tracking and fixed-point parking. And the super capacitor supplies power to the car system and MSP430F169 control core through the voltage stabilizing circuit to control the working mode of the car and realize the design requirements.

Keywords：MSP430F169 chip;dynamic wireless charging;car tracking;fixed-point parking

0? 引? 言

近年來，經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分迅速，汽車作為主要的交通工具，為人們的生活帶來便捷和舒適的同時(shí)，也帶來了環(huán)境污染、能源消耗等許多負(fù)面影響。所以，加大新能源汽車的發(fā)展力度是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。但是在使用過程中發(fā)現(xiàn)有線充電還是存在著許多缺陷，如配套設(shè)施暫未普及、有線設(shè)備使用麻煩等[1]。于是，無線充電技術(shù)開始流行起來，國(guó)家十分重視對(duì)該項(xiàng)目的研究，其將為電動(dòng)汽車行業(yè)提供良好的發(fā)展機(jī)遇。

無線充電技術(shù)是一種基于非直接接觸方式，實(shí)現(xiàn)電能由電源側(cè)傳輸至負(fù)載側(cè)的電能傳輸技術(shù)，可以擺脫傳輸線束縛，實(shí)現(xiàn)無線動(dòng)態(tài)充電。目前電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)主要采用磁場(chǎng)耦合方式，原理為在汽車行駛的道路上鋪設(shè)發(fā)射線圈，使車輛在行駛過程中，由安裝于汽車底部的接收線圈接收電能，為車載儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行無線動(dòng)態(tài)充電，從而提高汽車行駛距離。隨著電力電子技術(shù)、蓄電池技術(shù)以及電動(dòng)汽車整車技術(shù)的進(jìn)步，無線充電技術(shù)在近些年得到了迅速發(fā)展，并展現(xiàn)出較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)[2]。

為進(jìn)一步加深對(duì)該技術(shù)的理解與應(yīng)用，為我國(guó)節(jié)能減排事業(yè)做出貢獻(xiàn)，本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)小車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)小車循跡前進(jìn)、定點(diǎn)停車等功能，并通過測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，該系統(tǒng)對(duì)于無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有十分重要的參考價(jià)值。

1? 方案設(shè)計(jì)

自19世紀(jì)末無線電能傳輸?shù)母拍畋惶岢?，系統(tǒng)的尺寸與質(zhì)量、傳輸功率、傳輸距離、方向性以及能量轉(zhuǎn)換效率等一直是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的因素。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，以全車重量不小于250 g、外形尺寸不大于30 cm×26 cm、發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離為5 mm作為初步設(shè)計(jì)條件。

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本裝置由1臺(tái)5 V的直流穩(wěn)壓電源供電，輸出電流不大于1 A，并采用6節(jié)2.7 V、10 F的超級(jí)電容串聯(lián)起來作為儲(chǔ)能元件;以MSP430F169為核心芯片，實(shí)現(xiàn)小車的循跡前進(jìn)、定點(diǎn)停車;并通過穩(wěn)壓電路，供電給小車系統(tǒng)及MSP430F169控制核心;紅外對(duì)管檢測(cè)黑色標(biāo)記，轉(zhuǎn)換為邏輯值輸入MSP430F169，進(jìn)而控制小車的工作模式，實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向與定點(diǎn)停車，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1? 控制方案的選擇

方案一：選擇型號(hào)為MSP430F169的MCU作為控制器。MSP430F169是16-Bit RISC架構(gòu)、最高運(yùn)算速度8MIPS的單芯片微控制器，是具有低功耗特點(diǎn)的微控制器。

方案二：以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為控制器。DSP28335內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)有32位CPU、IEEE-754單精度浮點(diǎn)單元FPU、256 kB的Flash等存儲(chǔ)器。但DSP28335具有較高功耗，常用于電力電子領(lǐng)域。

由于該系統(tǒng)采用超級(jí)電容儲(chǔ)能，儲(chǔ)電量有限，在滿足設(shè)計(jì)需求的前提下，為減少電能損耗、提高用電效率，故選用方案一。

2.2? 穩(wěn)壓電路方案的選擇

方案一：采用如圖2所示DC-DC穩(wěn)壓電路。濾波部分采用電容濾波電路，在整流電路的輸出端（即負(fù)載電阻兩端）并聯(lián)一個(gè)電容即可構(gòu)成電容濾波電路，穩(wěn)壓部分采用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓。該方案電路簡(jiǎn)單、容易調(diào)試，但效率較低。

方案二：采用DC-DC升壓穩(wěn)壓電路。該電路具有線性穩(wěn)壓功能，不僅能夠節(jié)約板級(jí)空間，而且能夠在介于0.9 V至5.5 V的輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá)96%的功率轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)該電路可生成穩(wěn)定的輸出電壓，通過外部電阻分壓器或片上固定的內(nèi)部電阻分壓器調(diào)整電壓。

對(duì)于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能量轉(zhuǎn)換效率是主要考慮的因素，為提高系統(tǒng)效率，故采用方案二。

2.3? 儲(chǔ)能元件的選擇

方案一：選擇100 F的超級(jí)電容，該電容儲(chǔ)能大，由超級(jí)電容的充電曲線可知，額定電容量越大的超級(jí)電容充電速度越慢。

方案二：選擇小容量的超級(jí)電容，超級(jí)電容單個(gè)耐壓值為2.7 V，小容量超級(jí)電容器具有較快的充電速度。

為使小車在系統(tǒng)測(cè)試中，在充電時(shí)間一定的情況下，具有較快的充電速度，使行駛距離值更大，故選擇方案二，采用小容量超級(jí)電容。小電容值雖然具有較快的充電速度，但也具有儲(chǔ)存電能少、放電速度快的缺點(diǎn)。為滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行、增加行駛距離，故應(yīng)將電容進(jìn)行串聯(lián)，使總電容儲(chǔ)能增大。根據(jù)多次測(cè)試，由6節(jié)10 F的超級(jí)電容串聯(lián)起來作為儲(chǔ)能元件，能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

2.4? 無線充電電路設(shè)計(jì)

無線充電電路包括無線發(fā)射端電路和無線接收端電路，其中無線發(fā)射端電路設(shè)計(jì)采用BQ500212A無線電源芯片，無線接收端電路設(shè)計(jì)采用BQ51020無線電源芯片。采用無線充電發(fā)送裝置和接收裝置進(jìn)行能量的傳遞，主要是為了解決傳統(tǒng)充電方式中有線設(shè)備使用麻煩的問題，擺脫傳輸線的束縛，實(shí)現(xiàn)小車的無線動(dòng)態(tài)充電。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，發(fā)射線圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，小車底部的接收線圈會(huì)因此產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以及感應(yīng)電流并儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件中，以供小車在定時(shí)自啟動(dòng)后行駛所使用的電能。

3? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? 程序設(shè)計(jì)流程

MCU的軟件設(shè)計(jì)思路是通過紅外對(duì)管檢測(cè)黑色標(biāo)記，轉(zhuǎn)換為邏輯值輸入MSP430F169，進(jìn)而控制小車的工作模式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向與定點(diǎn)停車。軟件處理器是MSP430F169芯片，系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言開發(fā)，在IAR Embedded Workbench IDE環(huán)境下調(diào)試并實(shí)現(xiàn)功能。程序流程如圖3所示，進(jìn)入主程序并初始化后，判斷按鍵值并執(zhí)行相應(yīng)的程序。軟件程序設(shè)計(jì)采用模塊化的結(jié)構(gòu)，便于分析和實(shí)現(xiàn)功能。

3.2? 部分源程序

4? 系統(tǒng)測(cè)試

4.1? 測(cè)試條件

本設(shè)計(jì)測(cè)試行駛區(qū)域示意圖如圖4所示。行駛區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)圓形軌道，其直徑為70 cm，線寬≤2 cm，行駛引導(dǎo)線顏色為黑色，A、B、C、D四點(diǎn)是直徑為4 cm的黑色圓點(diǎn)，均勻分布在圓形引導(dǎo)線上，四點(diǎn)上分別安裝無線充電裝置的發(fā)射線圈。

4.2? 測(cè)試流程

首先將小車放置在A點(diǎn)，接通電源充電1 min;充電結(jié)束后，小車立即起動(dòng)，沿引導(dǎo)線行駛至B點(diǎn)并自動(dòng)停車，進(jìn)行定點(diǎn)停車的測(cè)試。然后進(jìn)行距離測(cè)試，小車初始位置與充電時(shí)間不變，小車自啟動(dòng)后，沿引導(dǎo)線行駛直至停車（行駛期間，4個(gè)發(fā)射線圈均不和接收線圈進(jìn)行能量的傳遞），測(cè)量小車行駛距離L1。最后進(jìn)行電能測(cè)試，小車初始位置與充電時(shí)間仍不變，1 min后小車自行起動(dòng)，沿引導(dǎo)線單向行駛直至停車，行駛期間不允許停頓，且4個(gè)發(fā)射線圈輪流向接收線圈傳能，3 min時(shí)如果小車仍在行駛，則斷開電源，直至小車停車。測(cè)量小車此次行駛距離L2，計(jì)算距離差值L=L2-L1;測(cè)量直流穩(wěn)壓電源在小車開始充電到停車時(shí)間段內(nèi)輸出的電能W，計(jì)算K=L2/W，其中K表示消耗每Wh的電能所行駛的距離。

4.3? 測(cè)試結(jié)果

以下數(shù)據(jù)可以說明，本次設(shè)計(jì)的電動(dòng)小車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)，各項(xiàng)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，是符合要求的。距離測(cè)試表如表1所示，電能測(cè)試表如表2所示。

5? 結(jié)? 論

電動(dòng)汽車行業(yè)在未來具有良好的前景，電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)更是發(fā)展迅速。為進(jìn)一步加深對(duì)該技術(shù)的理解與應(yīng)用，為我國(guó)節(jié)能減排事業(yè)做出貢獻(xiàn)，本文設(shè)計(jì)了由MSP430F169芯片、無線充電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊和穩(wěn)壓模塊五個(gè)部分組成的電動(dòng)小車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)，距離測(cè)試以及電能測(cè)試的測(cè)試結(jié)果均驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，故該系統(tǒng)對(duì)于無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有十分重要的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 夏晨陽(yáng)，趙書澤，楊穎，等.電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)研究綜述 [J].廣東電力，2018，31（11）：3-14.

[2] 高大威，王碩，楊福源.電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的研究進(jìn)展 [J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2015，6（4）：314-327.

作者簡(jiǎn)介：崔子龍（1998—），男，漢族，河南商丘人，本科，研究方向：能源與動(dòng)力工程（水動(dòng)）;朱沛康（1998—），男，漢族，河北邯鄲人，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化;李熙然（1999—），男，漢族，山東淄博人，本科，研究方向：能源與動(dòng)力工程（水動(dòng)）。