電動(dòng)小車無線充電系統(tǒng)

翟千慶，秦玉偉

（渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西 渭南 714099）

近年來，無線充電技術(shù)普遍適配于可穿戴設(shè)備、醫(yī)療器械、家庭自動(dòng)化產(chǎn)品等領(lǐng)域；搭載無線充電的設(shè)備具有充電方便，避免傳統(tǒng)插拔電源接頭引起的安全隱患等優(yōu)點(diǎn)。無線充電技術(shù)就是在不借助物理連接的條件下，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，為耗電裝置進(jìn)行充電[1]。隨著空氣污染、石油資源匱乏等問題的日益嚴(yán)重，新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展成為解決這些問題的最佳方向，無線充電方式是未來電動(dòng)汽車充電的主流[2-4]。

該文設(shè)計(jì)了一種基于TI 公司的MSP430F149 單片機(jī)的無線充電系統(tǒng)，其采用磁耦合諧振式無線充電技術(shù)，充電功率范圍大，充電距離適中，且具有一定的水平抗錯(cuò)位能力，對(duì)電動(dòng)小車和電動(dòng)汽車無線充電具有較好的適配性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體流程

該系統(tǒng)的控制單元采用MSP430F149 超低功耗單片機(jī)。當(dāng)開始充電時(shí)，無線充電模塊的發(fā)射端將輸入恒壓為5 V 且電流不大于1 A 的直流電，其逆變后由發(fā)射線圈發(fā)送，無線充電模塊接收端的線圈將傳輸?shù)慕涣麟娬骱髢?chǔ)存在超級(jí)電容中，當(dāng)充電時(shí)間滿60 s 時(shí)，停止充電。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體流程框圖

1.2 充電方式的選擇

目前，無線電能傳輸方式主要分為電磁感應(yīng)式、磁耦合諧振式與磁場共振式3 種。電磁感應(yīng)式和磁耦合諧振式是目前應(yīng)用最多的傳輸方式。電磁感應(yīng)傳輸技術(shù)成熟，充電效率較高，廣泛應(yīng)用于手機(jī)設(shè)備，但傳輸距離較短，抗錯(cuò)位能力較差。磁場共振式充電距離遠(yuǎn)，方向性強(qiáng)，但充電功率較小。磁耦合諧振式技術(shù)充電功率范圍大，充電距離適中，且具有一定的抗水平錯(cuò)位能力，具有較好的適配性[5-7]。綜上所述，磁耦合諧振式在新能源汽車無線充電領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1.3 控制原理

該系統(tǒng)使用了兩塊MSP430F149 單片機(jī)，一塊用在無線充電的發(fā)射級(jí)，用來產(chǎn)生兩路相位互補(bǔ)的PWM 波，一塊用于控制小車的運(yùn)動(dòng)。無線充電發(fā)射電路部分首先將單片機(jī)產(chǎn)生的兩路相位互補(bǔ)的PWM波傳遞到IR2104 全橋驅(qū)動(dòng)電路，用來驅(qū)動(dòng)逆變電路，實(shí)現(xiàn)直流電到交流電的變換，再經(jīng)由發(fā)射諧振線圈發(fā)射。當(dāng)發(fā)射電路和接收電路位于諧振狀態(tài)，無線充電系統(tǒng)具有最佳的充電效果，無線充電接收部分將接收到的交流電通過整流和濾波電路轉(zhuǎn)換成平穩(wěn)的直流電，然后將接收到的能量儲(chǔ)存在超級(jí)電容中[8]。

2 系統(tǒng)參數(shù)選擇

2.1 線圈材料、匝數(shù)、電感大小

考慮到價(jià)格、傳輸效率等因素，線圈一般選擇銅線或者鋁線，相同狀態(tài)下銅相比鋁的阻值和電導(dǎo)率更適合，因此該文選擇直徑為1.2 mm 的漆包銅線來制作傳輸線圈[9]，制作了一個(gè)接收線圈和一個(gè)發(fā)射線圈，分別安裝在無線充電電路的接收端和發(fā)射端。設(shè)線圈半徑為r1、r2，當(dāng)發(fā)射電路通過大小為Isinωt的電流時(shí)，接收端的磁感應(yīng)強(qiáng)度如式（1）所示：

接收端線圈的磁通量為：

通過磁通量和電動(dòng)勢的關(guān)系可知，接線端線圈電勢為[10-11]：

其中，n1和n2分別是兩個(gè)線圈的匝數(shù)，d是兩個(gè)線圈之間的間隔。經(jīng)計(jì)算可知，n1=n2=20 匝，r1=5 cm，r2=8 cm，d=2 cm。

線圈電感量L為：

其中，R是線圈直徑，n是匝數(shù)，H是線圈高度。因此，計(jì)算得到制作的發(fā)射線圈的L約為83 μH，接收線圈的L約為29 μH。

2.2 諧振頻率

理論上，線圈的諧振頻率越高，相應(yīng)電能的傳輸效率將越好。但是通常在研究過程中，往往會(huì)由于各種原因的影響，使得系統(tǒng)不能搭載較高的諧振頻率。比如晶體管易受到開關(guān)頻率的限制，使得在高頻率運(yùn)行下，容易失去大量的能量。所以諧振頻率通常是提前選好的[12-13]，該系統(tǒng)選擇的諧振頻率是100 kHz。

2.3 諧振電容

若要使電路運(yùn)行在諧振狀態(tài)下，需要給線圈并聯(lián)電容，以此來補(bǔ)償線圈的感抗值。根據(jù)計(jì)算得到C1=30 nF，C2=87 nF，C1、C2分別是發(fā)射和接收線圈的補(bǔ)償電容值。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 MSP430F149控制電路

該系統(tǒng)采用MSP430F149 單片機(jī)，其具有統(tǒng)一的中斷管理功能和豐富的片上外圍模塊，能夠在超低功耗模式下工作，可靠性較高[14]。電源是MSP430F149 的重要部分，該處理器集成了電源管理芯片，其可以將提供給處理器的5 V 電壓降到3 V，由于處理器需要在低功耗狀態(tài)工作，低的工作電壓是必須的，MSP430F149的工作電壓為1.8～3.3 V，該系統(tǒng)選用3 V。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路

功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)方式一般有兩種，分別是直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)。隔離驅(qū)動(dòng)相較直接驅(qū)動(dòng)，可以將主電路與控制電路相互隔離，電路穩(wěn)定性更高。IR2104 是依賴高和低側(cè)參考輸出通道的驅(qū)動(dòng)器件。因此，該設(shè)計(jì)采用DIP 8 封裝的IR2104 作為逆變環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電路，如圖2 所示。

圖2 IR2104驅(qū)動(dòng)電路

3.3 無線充電模塊電路

3.3.1 無線充電模塊發(fā)射電路

發(fā)射電路由IR2104 驅(qū)動(dòng)模塊、逆變電路和電感線圈等組成。接入5 V 電源，轉(zhuǎn)化為12 V 后，經(jīng)濾波電路傳到IR2104 驅(qū)動(dòng)電路，然后進(jìn)入逆變電路，最后由發(fā)射諧振線圈發(fā)射。無線充電模塊發(fā)射電路如圖3 所示。

圖3 無線充電模塊發(fā)射電路

3.3.2 無線充電模塊接收電路

接收電路由超級(jí)電容、整流電路、電感線圈等組成。當(dāng)電路工作在諧振狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到最佳的充電效果[15-16]。因此，接收電路和發(fā)射電路之間需要產(chǎn)生諧振，故接收電路并聯(lián)的電容應(yīng)與發(fā)射電路并聯(lián)的電容的容量大小和電感量成比例。

接收線圈將得到的電能經(jīng)整流橋整流后存儲(chǔ)在超級(jí)電容中，當(dāng)接收線圈接收不到能量后，超級(jí)電容經(jīng)穩(wěn)壓芯片給單片機(jī)和電機(jī)供電，以驅(qū)動(dòng)小車。無線充電模塊接收電路如圖4 所示。

圖4 無線充電模塊接收電路

3.4 儲(chǔ)能元件的選擇

超級(jí)電容具有耐大電流充放電，充電速度快，能量轉(zhuǎn)換效率高，充放電過程損失能量較小，可靠性和安全性較高，壽命較長的優(yōu)點(diǎn)[17]。因此，該設(shè)計(jì)采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，當(dāng)超級(jí)電容采用恒流充電時(shí)，其容量如式（5）所示：

設(shè)C是電容的最大容量，Ix是在電容充滿電的狀態(tài)下放電電流的大小，t1、t2分別是從放電開始到電容兩端電壓達(dá)到u1、u2的時(shí)間間隔，u1是起始電壓，u2是截止電壓。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，超級(jí)電容可選擇4.5 V/10 F。

4 軟件設(shè)計(jì)

以IAR 軟件作為開發(fā)環(huán)境，采用C 語言編寫程序。系統(tǒng)無線充電發(fā)射部分上電之后，發(fā)射端處理器輸出兩路相位互補(bǔ)的脈沖波，經(jīng)IR2104 驅(qū)動(dòng)電路作用后加載到逆變電路。系統(tǒng)無線充電接收部分將接收的能量通過AC-DC 電路整流后，存儲(chǔ)到超級(jí)電容中，當(dāng)達(dá)到MSP430F149 單片機(jī)所需的啟動(dòng)電壓后，系統(tǒng)開始進(jìn)行初始化，包括I/O 口的初始化配置、定時(shí)器的設(shè)置等。當(dāng)定時(shí)到60 s 時(shí)，產(chǎn)生兩路持續(xù)的PWM 波，開始驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，循跡電路檢測到電平變化后，執(zhí)行循跡子程序，直至電量不足以驅(qū)動(dòng)電路工作。無線充電接收程序流程圖如圖5（a）所示，無線充電發(fā)射程序流程圖如圖5（b）所示。

圖5 無線充電接收和發(fā)射程序流程圖

該文采用紅外發(fā)射接收的方式進(jìn)行小車的循跡，當(dāng)發(fā)出的紅外光碰到反射物體時(shí)，產(chǎn)生反射，接收管檢測到由物體反射的光。由于不同材質(zhì)、顏色的物體反射光的強(qiáng)度不同，故接收管接收到的反射光強(qiáng)弱不同。小車行駛過程中，當(dāng)檢測到不同路面時(shí)，光的反射性不同，接收管接收的光強(qiáng)就不同。單片機(jī)采集經(jīng)LM393 比較后輸出的高低電平，改變輸出脈沖波的占空比，使小車左右電機(jī)形成轉(zhuǎn)速差，從而控制小車的行駛方向[18]。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將5 V/1 A 的電壓輸入電路中，同時(shí)用數(shù)字萬用表測量超級(jí)電容，觀測電容電壓變化；充電60 s 后，斷開電源，記錄超級(jí)電容存儲(chǔ)的電壓值。根據(jù)電能公式E=，求出60 s 時(shí)間里充入的電能，其中E是電能，U是電壓，C是容量。根據(jù)充入的電能計(jì)算出充電效率，多次測量后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，該系統(tǒng)無線充電平均效率大約為52%，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能量的高效率轉(zhuǎn)換。

6 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)了一種基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的電動(dòng)小車無線充電系統(tǒng)，采用磁耦合諧振式傳輸技術(shù)，將5 V直流電通過無線電能傳輸系統(tǒng)充入超級(jí)電容中，驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)。通過多次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并測試了系統(tǒng)的能量傳輸效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了高效率的能量轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)為新能源汽車無線充電技術(shù)的發(fā)展提供了一定的參考。