一種基于超級電容快速充電的循跡小車設(shè)計(jì)

紀(jì)鑫哲 葉爾深·艾爾肯 葉博遠(yuǎn) 張海楠 金平

摘? ?要：文章利用MSP430F149單片機(jī)、TPS63020芯片、TCRT5000紅外傳感器、無線充電模塊、計(jì)時(shí)控制電路、自啟動電路、DC?DC模塊和直流電機(jī)等模塊設(shè)計(jì)并制作了一個可循跡的電動小車動態(tài)無線充電系統(tǒng)，可通過燈光顯示是否處于充電狀態(tài)，小車檢測到發(fā)射線圈停止工作時(shí)可自行啟動，并在行駛期間實(shí)現(xiàn)動態(tài)充電，設(shè)計(jì)了電容“快充慢放”電路，能夠完成預(yù)期功能，在電能輸出效率最優(yōu)情況下沿引導(dǎo)線穩(wěn)定行駛。

關(guān)鍵詞：動態(tài)無線充電;小車;循跡;MSP430F149單片機(jī);TCRT5000紅外傳感器;超級電容;快充慢放

近年來，電動汽車以其對環(huán)境影響小、綠色等優(yōu)點(diǎn)而走進(jìn)人們的生活。特斯拉等公司已經(jīng)在電動汽車領(lǐng)域取得了喜人的成績;美國麻省理工學(xué)院首次提出了通過電磁諧振耦合的方式進(jìn)行無線電能傳輸，在傳輸距離為2 m的條件下，系統(tǒng)的傳輸效率可達(dá)40%[1]。國內(nèi)多個研究團(tuán)隊(duì)通過建模與仿真等方法驗(yàn)證了電磁諧振耦合方式與發(fā)射接收端距離有關(guān)[2]。超級電容器功的率密度大，充放電時(shí)間短，大電流充放電特性好、使用壽命長、低溫特性優(yōu)于蓄電池等優(yōu)異的性能使其在電動車上有很好的應(yīng)用前景[3]。本文從實(shí)踐出發(fā)，在理論分析的基礎(chǔ)上搭建了一個實(shí)物模型，為電動汽車智能化的發(fā)展作了初步的探索。

1? ? 系統(tǒng)總體方案

基于MSP430F149單片機(jī)控制的動態(tài)無線充電小車，充電定時(shí)顯示模塊采用單片機(jī)編程控制，在IAR軟件環(huán)境下編譯調(diào)試完成各部分模塊功能。系統(tǒng)總體方案框架如圖1所示，充電時(shí)，自啟動電路各個模塊功能實(shí)現(xiàn)如下：

（1）無線充電模塊。采用XKT412與T3168芯片。XKT412無線充電模塊電路簡單，在5 V/1 A的電源下可以獲取的最大充電電流>0.85 A，電能利用率極高。電源發(fā)射和小車接收是通過磁共振進(jìn)行能量傳輸?shù)?，?dāng)發(fā)射端和接收端頻率一致時(shí)會產(chǎn)生共振，傳輸電能。通過測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，當(dāng)充電線圈和接收線圈間隔為2～3 mm時(shí)，XKT412無線充電模塊的電能利用率在>85%以上，電能利用率極高[4]。其中，發(fā)射模塊工作電流可以隨接收負(fù)載電流的大小自動增減，保證充電質(zhì)量。

（2）儲能模塊。選擇5.5 V/15 F超級電容，提高系統(tǒng)能量儲備。

（3）DC-DC轉(zhuǎn)換。選用TPS63020，將線圈采集到的交變電流轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)濾波之后給電容充電。

（4）供電模塊。電機(jī)由電容放電直接驅(qū)動，通過MOS管來控制電機(jī)的起停。通過DC-DC模塊將電容電壓轉(zhuǎn)換為恒定的3.3 V，給單片機(jī)供電。

2? ? 方案比較和選擇

（1）驅(qū)動電機(jī)方案選擇：選擇N20直流減速電機(jī)額定電壓6 V，能耗低，性能優(yōu)越，經(jīng)過實(shí)際測試，在電壓0.5 V，電流0.04 A時(shí)，依然能夠工作。減速齒輪組功率轉(zhuǎn)換在95%以上，節(jié)約空間，牢靠耐用，因此選擇N20直流減速電機(jī)。

（2）小車方案選擇：設(shè)計(jì)小車車體為三輪小車，小車采用兩輪驅(qū)動，兩輪各用一個直流電機(jī)控制，前輪為萬向輪。耗費(fèi)電量速度慢，方向容易改變，更容易完成復(fù)雜循跡任務(wù)[5]。

（3）自啟動方案選擇：自行設(shè)計(jì)低功耗的自啟動電路利用二極管和PNP三極管自行設(shè)計(jì)低功耗的自啟動電路。三極管采用PNP型三極管，功耗主要取決于工作電流與工作電壓。

（4）充電方案選擇：根據(jù)所選擇的超級電容的充電特性，應(yīng)該先進(jìn)行恒流限壓充電，提高充電速度，在達(dá)到控制電壓后改用恒壓充電，在充電結(jié)束前實(shí)現(xiàn)小電流充電，既保證充滿，又可以避免超級電容器內(nèi)部高溫而影響超級電容器的容量特性。

（5）電容選擇：儲能模塊選用了5.5 V的超級電容，實(shí)現(xiàn)電池充放電的性能。超級電容本身原理與普通電容相似，優(yōu)點(diǎn)在于充電速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、過程損失小、能量循環(huán)效率≥90%、安全系數(shù)高以及容量大，不僅輕便耐用，而且綠色環(huán)保。

（6）定時(shí)自啟動方案：通過MSP430計(jì)時(shí)60 s并控制繼電器開關(guān)，單片機(jī)給一個低電平信號，繼電器2，3口接通，繼電器為常閉狀態(tài)，此時(shí)端口輸出電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到 60 s，單片機(jī)給一個高電平信號，繼電器3口產(chǎn)生磁場吸合銜鐵，2，3口閉合，電源無輸出。

3? ? 理論分析與計(jì)算

（1）超級電容容量的計(jì)算。電容的儲能公式：E=1/2CU2，其中，E為電容能量，C為電容容量，U為電容電壓。（2）電容放電從U始到U末所釋放出的能量：△W=1/2CU始2-1/2CU末2。（3）放電過程維持恒定電路I：Q=It;U（t）=U始-Q/C。（4）能量積分可得：C2（U始2-U末2）-2U始ItC+I2t2。（5）小車行駛消耗能量：W=μMgS，其中，μ為摩擦系數(shù)，M為車身質(zhì)量，g為重力加速度，S為小車行駛距離。（6）系統(tǒng)內(nèi)部能量利用率：η=W/△W。

4? ? 系統(tǒng)效率分析計(jì)算與電路設(shè)計(jì)

首先，選擇高效率充電方式，該電路可以快速為超級電容充電，充電結(jié)束后與自啟動電路相連，超級電容放電，在放電過程中電流穩(wěn)定，放電持續(xù)性強(qiáng)。可以根據(jù)不同的充電要求選擇不同的電路參數(shù)。為了使電路獲得更高的品質(zhì)，二極管選用肖特基二極管，線路中各類附加電阻盡可能小，控制電機(jī)選用MOS管。其次，降低各種損耗例如給電機(jī)減速齒輪組涂潤滑油減小機(jī)械損耗，車身材質(zhì)采用亞克力板制作，減小車身重量，盡量選用功耗更低的三極管（或MOS管），減小漏電流等方式來降低損耗。電容充放電電路如圖2所示。

超級電容充放電時(shí)間常數(shù)部分設(shè)計(jì)使得本電路超級電容具有“快充慢放”性能，其中，充電電阻為線圈電源的輸出電阻記為R入，放電電阻為開關(guān)管與電機(jī)電阻之和記為R出。P63口的電壓可以反映超級電容充電水平：

循跡模塊采用現(xiàn)成的TCRT5000傳感器，其紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射的紅外線沒有被反射回來或者反射回的強(qiáng)度不夠大時(shí)，紅外接收管一直處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)3腳的電壓低于2腳的電壓，輸出為高電平，LED1為熄滅狀態(tài);當(dāng)紅外反射強(qiáng)度足夠且被接收到時(shí)，3腳的電壓大于2腳的電壓，輸出為低電平，LED1為點(diǎn)亮狀態(tài)。TCRT傳感器如圖3所示。

5? ? 性能測試

（1）充電完成測試，檢測充電是否結(jié)束，采用在整流濾波的前面（一端接地一段接電磁線圈）串聯(lián)一個采樣電阻，當(dāng)電阻上的電壓不再變化，說明此時(shí)已經(jīng)停止充電，即將發(fā)車前進(jìn)。小車放置在起點(diǎn)（A點(diǎn)），接通電源開始充電后檢測紅燈和藍(lán)燈是否同時(shí)亮，顯示正處于充電狀態(tài)，充電完成;藍(lán)燈滅，僅紅燈亮，表示充電完成。（2）檢測小車放置在A點(diǎn)，接通電源充電，紅燈和藍(lán)燈是否被同時(shí)點(diǎn)亮，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，60 s時(shí)斷開電源，檢測藍(lán)燈是否滅，小車檢測到發(fā)射線圈停止工作自行起動，檢測小車是否沿引導(dǎo)線行駛至B點(diǎn)（1/4圓周）后自動停車。（3）在和（2）相同條件下，小車檢測到發(fā)射線圈停止工作自行起動，沿引導(dǎo)線行駛直至停車。測量小車行駛距離L1。（4）測試開始充電時(shí)，是否紅燈和藍(lán)燈同時(shí)亮，充電完成時(shí)，是否只有紅燈亮，開始充電60 s后小車自起動，行駛途中到達(dá)充電位置，紅燈和藍(lán)燈同時(shí)亮，即行駛途中動態(tài)充電，180 s時(shí)斷開電源，根據(jù)軌道刻度測量行駛距離L2，計(jì)算L=L2-L1。（5）根據(jù)公式WCU2，計(jì)算出初始電能W，計(jì)算K=L2/W。

6? ? 測試結(jié)果

本系統(tǒng)可以完成上述所有測試。測試三的行駛距離L1，部分測試數(shù)據(jù)如表1所示。

7? ? 結(jié)語

本文介紹了可以基于超級電容快速充電的可自動循跡小車的設(shè)計(jì)方案，通過優(yōu)化小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)快充慢放的電路，達(dá)到了高效利用電能的目的，在性能測試中，小車一直保持穩(wěn)定表現(xiàn)出了優(yōu)越的實(shí)用品質(zhì)，在一定程度上為電動汽車充電方式的智能化發(fā)展提供了借鑒。

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