無線充電尋跡小車的設(shè)計(jì)

高志強(qiáng) 趙海茹 楊揚(yáng)

摘要：隨著現(xiàn)代社會智能化程度的提高，無線充電技術(shù)也得到了很快的發(fā)展和普及，在可再生資源逐漸減少的當(dāng)下，設(shè)計(jì)一款能夠進(jìn)行無線充電的小車具有重要的實(shí)踐意義。本設(shè)計(jì)中的小車由無線充電模塊、尋跡模塊、超級電容儲能模塊、備用電源以及控制器組成。無線充電模塊和整流濾波電路為小車提供穩(wěn)定的5V直流電壓，該電壓經(jīng)過BUCK電路實(shí)現(xiàn)對超級電容的恒功率充電。當(dāng)停止充電時，單片機(jī)控制系統(tǒng)工作，小車開始運(yùn)動，并在巡線過程中進(jìn)行動態(tài)充電;當(dāng)無線充電得到的電能消耗完后，自動啟用備用電源，小車按照軌跡運(yùn)動。

關(guān)鍵詞：無線充電;尋跡;BUCK電路

中圖分類號：TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0215-03

0? 引言

無線充電技術(shù)最初起源于尼古拉·特斯拉提出過的一種無線能量傳輸?shù)臉?gòu)想，通過一個磁場來傳輸能量。磁場在一定條件下線圈是完全可以直接在空氣中傳輸能量的，無線充電技術(shù)就是利用這種現(xiàn)象來完成能量傳輸?shù)?，線圈通過與充電設(shè)備之間形成共振，達(dá)到無線充電的目標(biāo)[1]?，F(xiàn)在，人們經(jīng)常接觸的無線充電技術(shù)大部分為無線充電的手機(jī)和筆記本電腦。隨著新能源汽車數(shù)量的增多以及普及程度的提高，與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車的問題在于能源消耗完后的補(bǔ)充，傳統(tǒng)汽車只需要幾分鐘就可以補(bǔ)充完畢，而新能源汽車往往需要好幾個小時，這就是新能源汽車的最大弊端之一。基于此，本文希望用無線充電技術(shù)解決這一問題，設(shè)計(jì)一款靠無線充電來提供能源的小車。此時有人會擔(dān)心這種方法是否會對處在充電場中的人產(chǎn)生不良影響，這種擔(dān)心是多余的。因?yàn)殡娏恐荒茉谕活l率共振的線圈之間傳輸，并不會將電能傳輸?shù)饺梭w上，因此無線充電技術(shù)的充電場并不會對人或者其他動植物造成不良影響[2]。為了提高小車的續(xù)航能力，本文設(shè)計(jì)了一款動態(tài)無線充電尋跡小車，能夠做到邊跑邊充電，大大提高了小車的續(xù)航能力。希望這項(xiàng)技術(shù)能夠盡早的普及到新能源汽車的充電上，到那時應(yīng)該會有更多的人會選擇更環(huán)保的新能源汽車作為家用車。

1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無線充電尋跡小車由無線發(fā)射電路、無線接收電路、控制器、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、BUCK電路、BUCK-BOOST電路、紅外傳感電路等組成。

1.1 控制器

與C51系列單片和MSP430單片機(jī)相比，Arduino控制板具有價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大、性價比高的優(yōu)點(diǎn)，所以本文使用Arduino作為控制器。

1.2 無線發(fā)射接收電路

輸入5V/1A電源輸出的直流電經(jīng)過ZVS變換后發(fā)送給發(fā)射線圈，為了提高效率，增強(qiáng)能量轉(zhuǎn)換效率，需要對發(fā)射線圈和接收線圈的諧振頻率進(jìn)行測量和調(diào)整。（圖1）

發(fā)射端先由穩(wěn)壓電源供電，發(fā)射線圈L2上下兩端的電壓都是5V。

按下開關(guān)S1，此時Q1和Q2這2個MOS的柵極開始充電，由于有C28的存在，使得Q1的柵極電容更大，于是Q2先導(dǎo)通，此時L2的上端被拉到0V。由于D2的存在，會給Q1的柵極放電，使得Q1關(guān)斷。L2線圈會產(chǎn)生由下往上的電流。

此時由于有C2的存在，L和C會諧振，L2給C2充電，諧振半個周期后，C2會給L2放電，此時L2會產(chǎn)生反向電流，也就是向下流的電流。此時上端的電壓是0V，L2下端會先出現(xiàn)0V的電壓，此時由于D1的存在，會使得Q2關(guān)斷，電感上端會得到電源電壓5V，D2的右端原本拉到0V的現(xiàn)在達(dá)到了5V，所以Q1的柵極會由于R1的作用，達(dá)到5V，此時D1會導(dǎo)通。電感下端會產(chǎn)生0V電壓，因此L2就產(chǎn)生了由上往下的電流。Q1和Q2由此反復(fù)導(dǎo)通，會使得線圈上得到反復(fù)變化的電流。

1.3 BUCK-BOOST電路

采用TI的電源管理芯片TPS63020設(shè)計(jì)Buck-boost型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源。額定輸入直流電壓在1.8-5.5V之間時，額定輸出直流電壓Uo為3.3V，在可調(diào)電壓范圍內(nèi)輸出電流為Iomax<100mA的DC-DC電源系統(tǒng)。該電源系統(tǒng)具有輸出過流過壓保護(hù)、欠壓鎖定等功能。通過在末級輸出添加合適的電容濾波使紋波電壓降低。

在輕負(fù)載電流時，因?yàn)樵O(shè)備處于省電模式，輸出電壓通常比標(biāo)稱輸出電壓高出3%。這為負(fù)載瞬態(tài)期間的電壓下降提供了額外的余量從輕載到滿載。

1.4 BUCK電路

本文中選用P溝道的MOS管，肖特基二極管作為續(xù)流，搭建一個通用的BUCK電路，如圖2所示。P溝道MOS管選用AO公司的-30V/55mΩ的AO4011，最低開啟電壓為2V。肖特基選用40V/5A的SS54，電壓降約0.5V，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)單片機(jī)PWM口輸出高電平瞬間，端口電壓為3.3V，經(jīng)過1K的限流電阻，三極管Q3的B極得到0.7V電壓，Q3導(dǎo)通，使得穩(wěn)壓管D7的下端得到0V，D7上端得到0.7V，此時MOS管Q1的GS電壓為Vin-0.7V，處于打開狀態(tài)。

當(dāng)單片機(jī)PWM口輸出低電平的瞬間，端口電壓為0V，三極管Q3的B極為0V，Q3關(guān)斷，此時MOS的GS兩端由于有等效電容的存在，需要放電回路才能把電壓釋放掉。由于R1的作用，使得Q2的Vbc電壓大于0.7V，可以處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此產(chǎn)生了電容快速放電的回路，使得MOS可以迅速關(guān)斷。

1.5 BUCK電流采樣電路

本文采用檢測電路對輸出的電壓、電流進(jìn)行閉環(huán)控制。為便于控制器采集，分壓電阻產(chǎn)生的電壓經(jīng)過同相比例放大器放大后，輸入到MCU的ADC端口進(jìn)行采樣。

檢測電路的工作電流為1A，對輸出的電壓采用電阻分壓法進(jìn)行實(shí)時檢測，因采樣電壓直接輸送給單片機(jī)的ADC進(jìn)行檢測，單片機(jī)內(nèi)部自帶的檢測的最高電壓為3.3V，LM358由3.3V電壓供電，最大輸出電壓和供電電源電壓之間有1.2V壓差[9]。所以能輸出的最大電壓為2.1V，經(jīng)過R8這個0.02Ω的電阻的電流為1A時得到的電壓為0.02V。

而這個電壓過小，單片機(jī)難以檢測得到，所以要對此電壓進(jìn)行運(yùn)放，且運(yùn)放的放大倍數(shù)應(yīng)該小于：

設(shè)計(jì)中采用反向比例放大器，令R19為25K、R11為1K，則放大倍數(shù)為25倍，滿足設(shè)計(jì)要求。因此當(dāng)電流為1A時，運(yùn)放輸出電壓為0.5V。

電流采樣濾波，電流流經(jīng)電阻R8，設(shè)計(jì)中使用的是開關(guān)電源，PWM頻率為20kHz，電流采集電路需要屏蔽比開關(guān)頻率更大的干擾進(jìn)來，所以設(shè)置截止頻率小于開關(guān)頻率20K的十倍以下。在硬件設(shè)計(jì)時引入一階濾波的思路，用于濾除開關(guān)頻率。

電阻R12與C8構(gòu)成一個低通濾波器。

將數(shù)據(jù)代入截止頻率公式得：

故該RC濾波符合采樣要求。

1.6 電壓檢測電路

電壓檢測電路輸入最大電壓為5V，而單片機(jī)的采樣電壓最高為3.3V，故電壓采樣電阻比例應(yīng)該小于1.5，這里取R2為100K、R5為10K，當(dāng)輸入電壓為5V時，單片機(jī)檢測到的電壓是0.46V。電壓分壓檢測電路，需要加RC去濾除開關(guān)信號的影響，截止頻率為3.66kHz。

1.7 黑線檢測電路

黑線檢測電路，發(fā)射管的電壓降至1.2V時，進(jìn)行3.3V供電，限流電阻為150Ω，三個紅外發(fā)射管同時工作的電流就為 48mA。設(shè)計(jì)中還增加了低功耗處理，添加了P溝道運(yùn)行管線，對其供電進(jìn)行控制。此外，還將紅色LED燈放在接收端做壓線提示。

1.8 電機(jī)驅(qū)動電路

本文在N20電機(jī)開關(guān)管設(shè)計(jì)的時候挑選N溝道的MOS管，并使用肖特基二極管來達(dá)成續(xù)流效果的目的，為了避免電路受損，同時還設(shè)計(jì)控制MOS管柵極產(chǎn)生出的反壓效應(yīng)，這樣就創(chuàng)建出一個標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動電流體系。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)得到一個穩(wěn)定的電能，就需要用控制器來與BUCK電路組成一個閉環(huán)控制。當(dāng)控制器得到BUCK電路中的輸入電壓與電流信息后，就會對輸入功率進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算功率的結(jié)果來判斷怎樣更改PWM信號，以得到一個正確的PWM信號來保持BUCK電路的輸出功率是系統(tǒng)所需的恒定值，本文設(shè)計(jì)的恒功率控制流程如圖3所示。

3? 系統(tǒng)測試

3.1 無線充電接收電路測試

首先要認(rèn)真檢查無線充電部分硬件的連接，并保證硬件電路沒有虛焊，查看硬件連接是否與設(shè)計(jì)的電路圖一致，然后利用電源和滑動變阻器對無線充電的效率進(jìn)行測量計(jì)算。

為了便于計(jì)算，在測試中把電源電壓調(diào)至5V，電流做1A的限流操作，多次改變滑動變阻器的阻值使U2的電壓為5V，并記錄測試過程中的各數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表1所示。

通過表1數(shù)據(jù)計(jì)算可得，無線充電的平均效率為48.5%。

3.2 BUCK充電測試

超級電容充電測試的電路中調(diào)整電源電壓為5V，由無線充電的測試得知BUCK電路所得到的電流最高為0.49A，因此在測試過程中將電流限制在0.5A以下。測試時對超級電容進(jìn)行一分鐘的充電操作，充電一分鐘后得到超級電容的電壓為4.2V，通過計(jì)算知超級電容儲存到的能量為88.2J。

3.3 BUCK-BOOST測試

使用上一步測試完成后的超級電容和電阻，對其進(jìn)行放電測試。開始測量后觀察U2的值是否穩(wěn)定在3.3V，以確定BUCK-BOOST電路的功能是否正常，經(jīng)過測試后得知，U2的值穩(wěn)定在3.3V，表明該電路工作正常。

3.4 循跡功能測試

將小車置于有黑線和無線充電裝置的跑道上，接通賽道中無線充電發(fā)射端的電源，給小車進(jìn)行無線充電并啟動小車，小車按照黑線運(yùn)行;一段時間后備用電源指示燈亮起，表示小車在能量用完后能夠自動切換備用電源。

4? 總結(jié)

本設(shè)計(jì)將無線充電模塊、尋跡模塊、超級電容儲能模塊、備用電源和控制器搭建起來制作了能夠無線充電的尋跡小車。通過實(shí)驗(yàn)證明小車可以實(shí)現(xiàn)以下功能：無線充電，通過控制無線接收端實(shí)現(xiàn)對超級電容恒功率充電;放電過程控制，當(dāng)充電完成后能讓超級電容電壓接入BUCK-BOOST給系統(tǒng)供電;巡線控制，根據(jù)紅外發(fā)射接收電路檢測到的路況信息，控制左右電機(jī)使小車按照既定軌跡運(yùn)動。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊成英，陳勇.中程距離無線輸電的實(shí)現(xiàn)[J].科技信息，2009 （3）：410-411.

[2]侯清江.無線供電技術(shù)方案及應(yīng)用[J].光盤技術(shù)，2009（02）： 32-33.

[3]趙同賀.新型開關(guān)電源典型電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：50-80.

[4]王水平，賈靜，方海燕，等.開關(guān)穩(wěn)壓電源原理及設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2008：1-170.

[5]夏晨陽.感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)能效特性的分析與優(yōu)化研[D].重慶：重慶大學(xué)圖書館，2010.

[6]Sanjaya Maniktala.開關(guān)電源設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[7]田界容.開關(guān)電源電磁干擾的抑制[J].當(dāng)代電子技術(shù)，2005（8）：112-113.

[8]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006：132-186.

[9]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2007：31-62.

[10]全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎作品選編（2007）[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[11]毛銀花.用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的磁共振式無線能量傳輸系[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)圖書館，2011.