基于超級電容的恒功率無線充電智能平衡小車設計

陳新元，劉延飛，李昊，吳娜娜

(火箭軍工程大學，陜西 西安 710038)

0 引言

隨著現代社會的發展，人們環保意識逐漸增強，綠色出行的理念深入人心，以節能平衡車為代表的新型代步工具走入千家萬戶，但充電方式一直是制約著平衡車發展的關鍵技術之一。在有線充電中直接暴露的導線不但占據空間，還存在很大的安全隱患。無線充電相比于有線充電，方式更加便捷、安全性也更高，還能夠快速高效地給平衡車充電，它解決了有線充電方式占據空間多和安全隱患大的問題。所以，無線充電方式創新優化的研究具有很重要的意義。相比于普通的蓄電池，超級電容器具有能快速充放電、循環壽命長和功率密度高的特點，也在一些領域逐漸代替電池的功能[1]。本文設計了一種基于超級電容為儲電介質的恒功率無線充電智能平衡小車，在理論分析和計算的基礎上設計系統總體規劃、搭建無線充電平衡車模，并進行實驗，對車模進行充電性能測試。

1 系統總體方案

本設計是基于STC8A8K64S4A12單片機控制的以超級電容為儲電介質的恒功率無線充電智能平衡小車，由單片機最小系統模塊、無線充電接收模塊、穩壓模塊、超級電容模塊、電磁傳感器模塊、電機驅動模塊、陀螺儀、線性CCD攝像頭組成，軟件在Keil中編譯調試，以實現各部分模塊的功能。在無線充電的發射端我們設置一個以30W恒定功率發射的發射線圈，無線充電接收模塊接收發射線圈的電流并經過整流，限功率給超級電容組供電。同時電容組釋放的電能經過穩壓模塊和電源模塊給分別給電機和主控電路供電[2]。設計系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 理論計算

超級電容組的選型：

要先實現恒功率充電，不僅需要有恒功率控制電路，而且要根據超級電容的充電特性合理的對電容選型并設計超級電容組。在小車運行過程中電容放電從初始電壓U始到閾值電壓U末所釋放出的能量為：

在此期間電容輸出維持了t時間的恒定電流I，根據Q=It，得到電壓變化是時間的函數：

對上式能量積分可得：

解此方程，并且考慮物理意義，選取較大的值作為要選取的電容的參考值，則：

3 硬件電路設計

硬件電路圍繞高效電能轉換和功率控制展開進行設計，電磁傳感器模塊、電機驅動模塊、陀螺儀、線性CCD攝像頭選用常見小功率成品，這里不再贅述，無線充電接收電路、功率控制電路、電容充放電模塊和高效穩壓電路等模塊設計方案如下。

3.1 無線充電接收電路設計

接收模塊由以T3168芯片為核心的電路系統搭載線圈組成。接收電路以T3168芯片為核心，由外圍的并聯諧振回路、整流回路和濾波電路組成。當發射模塊的并聯諧振回路和接收模塊的并聯諧振回路同時諧振時，能量傳輸的效率達到最大，接收線圈中接收到交流電后，經整流、濾波，變換成為直流電輸出給電容組供電[4]。T3168無線充電接收電路原理圖如圖2所示。

圖2 T3168 無線充電接收電路原理圖

3.2 功率控制電路設計

在無線充電的發射端我們設定以50W恒定功率發射，在接收端限制用不超過30W的功率接收，所以為了避免接收功率超過30W并同時提高接收效率，設計采用基于BUCK斬波電路的降壓電路穩定充電功率。電路采用BUCK電路的基本拓撲結構，用1個10mΩ/1W的采樣電阻配合AD8217采集充電電流，由此將電流值轉化成電壓值送入ADC通道，同時STC8A8K64S4A12也讀取超級電容的電壓值，相乘可得到當前的充電功率[5]。BUCK降壓電路原理圖如圖3所示。

圖3 BUCK 降壓電路電路原理圖

3.3 電容充放電模塊設計

與普通電容相比，很小體積的超級電容，電容量就可以達到法拉級別。相比于普通電池，過度充放對超級電容壽命的負面影響很小，并且在充放電過程中不需要特殊的控制電路。此外，超級電容具備高功率密度的特點，其功率密度相當于普通電池的5～10倍[6]。在計算平衡車充放電的電流、電壓需求后，決定選擇1個由5個2.7V/60F超級法拉電容串聯組成的12V/12F的超級電容組作為儲電模塊[7]。其中一路電容組電路原理圖如圖4所示。

圖4 一路超級電容組電路原理圖

3.4 高效率穩壓模塊設計

由于選取的超級電容組電壓變化范圍為0V～12V，為了對超級電容組輸出進行穩壓，我們選擇效率高達95%且靜態電流僅為50μA的高性能開關電源芯片TPS63070，此芯片輸出電流最大可達3A，而系統運行時的電流約為1.2A，其輸出電流已經足夠小車行駛所需，穩壓電路原理圖如圖5所示。

圖5 TPS63070 穩壓電路原理圖

4 軟件程序設計

4.1 程序總體設計

軟件部分分主函數和定時中斷函數。其中主函數完成啟動單片機、系統初始化、數據向計算機發送實時參數和界面顯示的功能。定時中斷函數是軟件的主要執行部分，完成車輛的充電、電壓檢測和實時精確控制功能。

圖6 定時中斷程序流程圖

定時中斷函數流程圖如圖6所示，當定時器觸發定時中斷時，首先通過線性CCD采集到的黑-白跳變點數識別斑馬線，完成出入庫的控制。偏航角的計算，為出入庫動作的控制提供信息。

其次進行電容組電壓的測量與判斷，電壓測量基于AD轉換電路進行以計算出當前電容組的剩余電量，如果在充電階段，剩余電量達到設定的閾值并可以持續一段時間，系統將判斷為達到啟動條件并發車。

發車之后，姿態傳感器采集的信號經過AD轉換在主控機進行姿態控制[8]，電磁傳感器采集的電磁信號經過AD轉換后在主控機進行轉向控制，同時通過編碼器計算得到當前車輛的速度進行速度控制。所有的控制系統均采用比例-積分-微分系統[9]。

4.2 恒功率軟件控制方案

對于充電功率的軟件控制，縮短充電時間最有效的方法就是按照允許的最大恒定功率進行充電，這就需要知道充電過程中最大功率，同時控制其功率以確保穩定。

考慮到被控制的參量為功率，采用PI而不是PD控制以避免放大微分量[10]；在實現對功率控制的基礎上，采用逐步試探的方法，即從空載電壓開始逐步減小電壓，直至發射器報警得到最大功率點，求得最大功率，并保證控制在該功率進行充電。恒功率控制程序流程圖如圖7所示。

圖7 恒功率控制程序流程圖

5 充電性能測試

為了測試智能平衡小車的高效充電性能，在此設計了如下一組無線充電對照實驗：實驗組用本方案設計的恒功率充電智能平衡小車進行無線充電，將超級電容組用放電裝置放電至電容組兩端電壓為0V，在無線充電區域內進行充電，從電容組兩端電壓為0V起開始計時充至指定電壓停表，記錄每次充電所用的時間。對照組采用直接整流直沖無恒功率充電電路的智能平衡小車，其余模塊和實驗組相同。實驗結果如表1表2所示。

表1 恒功率充電組小車充電時間測試數據表

分析實驗結果可知在同樣的充電要求下，恒功率無線充電所用的時間相比普通直沖的無線充電方式有明顯的縮短。

表2 對照充電組小車充電時間測試數據表

6 結語

本文介紹了基于超級電容恒功率無線充電的智能平衡小車的設計方案，通過設計恒功率充電的電路和恒功率控制算法，完成了高效充電的功能。在充電性能測試中，發現恒功率無線充電智能平衡小車的充電速度明顯優于普通無線直沖的智能平衡小車，這在一定程度上為電動平衡車節能設計提供一定的借鑒基礎。