一種基于超級電容快速充電的循跡小車設計

紀鑫哲 葉爾深·艾爾肯 葉博遠 張海楠 金平

摘? ?要：文章利用MSP430F149單片機、TPS63020芯片、TCRT5000紅外傳感器、無線充電模塊、計時控制電路、自啟動電路、DC?DC模塊和直流電機等模塊設計并制作了一個可循跡的電動小車動態無線充電系統，可通過燈光顯示是否處于充電狀態，小車檢測到發射線圈停止工作時可自行啟動，并在行駛期間實現動態充電，設計了電容“快充慢放”電路，能夠完成預期功能，在電能輸出效率最優情況下沿引導線穩定行駛。

關鍵詞：動態無線充電;小車;循跡;MSP430F149單片機;TCRT5000紅外傳感器;超級電容;快充慢放

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

1? ? 系統總體方案

基于MSP430F149單片機控制的動態無線充電小車，充電定時顯示模塊采用單片機編程控制，在IAR軟件環境下編譯調試完成各部分模塊功能。系統總體方案框架如圖1所示，充電時，自啟動電路各個模塊功能實現如下：

（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。電源發射和小車接收是通過磁共振進行能量傳輸的，當發射端和接收端頻率一致時會產生共振，傳輸電能。通過測得實驗數據可得，當充電線圈和接收線圈間隔為2～3 mm時，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，發射模塊工作電流可以隨接收負載電流的大小自動增減，保證充電質量。

（2）儲能模塊。選擇5.5 V/15 F超級電容，提高系統能量儲備。

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

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

2? ? 方案比較和選擇

（1）驅動電機方案選擇：選擇N20直流減速電機額定電壓6 V，能耗低，性能優越，經過實際測試，在電壓0.5 V，電流0.04 A時，依然能夠工作。減速齒輪組功率轉換在95%以上，節約空間，牢靠耐用，因此選擇N20直流減速電機。

（2）小車方案選擇：設計小車車體為三輪小車，小車采用兩輪驅動，兩輪各用一個直流電機控制，前輪為萬向輪。耗費電量速度慢，方向容易改變，更容易完成復雜循跡任務[5]。

（3）自啟動方案選擇：自行設計低功耗的自啟動電路利用二極管和PNP三極管自行設計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：根據所選擇的超級電容的充電特性，應該先進行恒流限壓充電，提高充電速度，在達到控制電壓后改用恒壓充電，在充電結束前實現小電流充電，既保證充滿，又可以避免超級電容器內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，實現電池充放電的性能。超級電容本身原理與普通電容相似，優點在于充電速度快、能量轉換效率高、過程損失小、能量循環效率≥90%、安全系數高以及容量大，不僅輕便耐用，而且綠色環保。

（6）定時自啟動方案：通過MSP430計時60 s并控制繼電器開關，單片機給一個低電平信號，繼電器2，3口接通，繼電器為常閉狀態，此時端口輸出電壓。當計時達到 60 s，單片機給一個高電平信號，繼電器3口產生磁場吸合銜鐵，2，3口閉合，電源無輸出。

3? ? 理論分析與計算

（1）超級電容容量的計算。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，M為車身質量，g為重力加速度，S為小車行駛距離。（6）系統內部能量利用率：η=W/△W。

4? ? 系統效率分析計算與電路設計

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定，放電持續性強?？梢愿鶕煌某潆娨筮x擇不同的電路參數。為了使電路獲得更高的品質，二極管選用肖特基二極管，線路中各類附加電阻盡可能小，控制電機選用MOS管。其次，降低各種損耗例如給電機減速齒輪組涂潤滑油減小機械損耗，車身材質采用亞克力板制作，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。

超級電容充放電時間常數部分設計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，放電電阻為開關管與電機電阻之和記為R出。P63口的電壓可以反映超級電容充電水平：

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

5? ? 性能測試

（1）充電完成測試，檢測充電是否結束，采用在整流濾波的前面（一端接地一段接電磁線圈）串聯一個采樣電阻，當電阻上的電壓不再變化，說明此時已經停止充電，即將發車前進。小車放置在起點（A點），接通電源開始充電后檢測紅燈和藍燈是否同時亮，顯示正處于充電狀態，充電完成;藍燈滅，僅紅燈亮，表示充電完成。（2）檢測小車放置在A點，接通電源充電，紅燈和藍燈是否被同時點亮，計時器開始計時，60 s時斷開電源，檢測藍燈是否滅，小車檢測到發射線圈停止工作自行起動，檢測小車是否沿引導線行駛至B點（1/4圓周）后自動停車。（3）在和（2）相同條件下，小車檢測到發射線圈停止工作自行起動，沿引導線行駛直至停車。測量小車行駛距離L1。（4）測試開始充電時，是否紅燈和藍燈同時亮，充電完成時，是否只有紅燈亮，開始充電60 s后小車自起動，行駛途中到達充電位置，紅燈和藍燈同時亮，即行駛途中動態充電，180 s時斷開電源，根據軌道刻度測量行駛距離L2，計算L=L2-L1。（5）根據公式WCU2，計算出初始電能W，計算K=L2/W。

6? ? 測試結果

本系統可以完成上述所有測試。測試三的行駛距離L1，部分測試數據如表1所示。

7? ? 結語

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計方案，通過優化小車的機械結構，設計快充慢放的電路，達到了高效利用電能的目的，在性能測試中，小車一直保持穩定表現出了優越的實用品質，在一定程度上為電動汽車充電方式的智能化發展提供了借鑒。

[參考文獻]

[1]譚菊華，李曉芳，郭小春.磁耦合諧振式電動汽車[J].沈陽工業大學學報，2020（1）：11-12.

[2]李偉勇，劉偉黃，栢淇，等.基于磁耦合諧振式電動汽車無線充電方案研究[J].電子設計工程，2019（12）：173-175.

[3]葉佳虹，羅婉婷，張瑞怡，等.超級電容模組在無線充電小車中的應用[J].電工技術，2019（6）：132-134.

[4]魏文強，莊曉東.基于單片機的無線充電自啟動系統設計[J].電子元件與信息技術，2018（12）：7-10.

[5]王立剛.智能小車動態無線充電系統[J].內燃機與配件，2019（18）：35.