無線充電尋跡小車的設計

高志強 趙海茹 楊揚

摘要：隨著現代社會智能化程度的提高，無線充電技術也得到了很快的發展和普及，在可再生資源逐漸減少的當下，設計一款能夠進行無線充電的小車具有重要的實踐意義。本設計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定的5V直流電壓，該電壓經過BUCK電路實現對超級電容的恒功率充電。當停止充電時，單片機控制系統工作，小車開始運動，并在巡線過程中進行動態充電;當無線充電得到的電能消耗完后，自動啟用備用電源，小車按照軌跡運動。

關鍵詞：無線充電;尋跡;BUCK電路

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

0? 引言

無線充電技術最初起源于尼古拉·特斯拉提出過的一種無線能量傳輸的構想，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，無線充電技術就是利用這種現象來完成能量傳輸的，線圈通過與充電設備之間形成共振，達到無線充電的目標[1]。現在，人們經常接觸的無線充電技術大部分為無線充電的手機和筆記本電腦。隨著新能源汽車數量的增多以及普及程度的提高，與傳統汽車相比，新能源汽車的問題在于能源消耗完后的補充，傳統汽車只需要幾分鐘就可以補充完畢，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解決這一問題，設計一款靠無線充電來提供能源的小車。此時有人會擔心這種方法是否會對處在充電場中的人產生不良影響，這種擔心是多余的。因為電量只能在同一頻率共振的線圈之間傳輸，并不會將電能傳輸到人體上，因此無線充電技術的充電場并不會對人或者其他動植物造成不良影響[2]。為了提高小車的續航能力，本文設計了一款動態無線充電尋跡小車，能夠做到邊跑邊充電，大大提高了小車的續航能力。希望這項技術能夠盡早的普及到新能源汽車的充電上，到那時應該會有更多的人會選擇更環保的新能源汽車作為家用車。

1? 系統硬件設計

本文設計的無線充電尋跡小車由無線發射電路、無線接收電路、控制器、整流濾波電路、穩壓電路、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單片機相比，Arduino控制板具有價格便宜、結構簡單、功能強大、性價比高的優點，所以本文使用Arduino作為控制器。

1.2 無線發射接收電路

輸入5V/1A電源輸出的直流電經過ZVS變換后發送給發射線圈，為了提高效率，增強能量轉換效率，需要對發射線圈和接收線圈的諧振頻率進行測量和調整。（圖1）

發射端先由穩壓電源供電，發射線圈L2上下兩端的電壓都是5V。

按下開關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關斷。L2線圈會產生由下往上的電流。

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0V的電壓，此時由于D1的存在，會使得Q2關斷，電感上端會得到電源電壓5V，D2的右端原本拉到0V的現在達到了5V，所以Q1的柵極會由于R1的作用，達到5V，此時D1會導通。電感下端會產生0V電壓，因此L2就產生了由上往下的電流。Q1和Q2由此反復導通，會使得線圈上得到反復變化的電流。

1.3 BUCK-BOOST電路

采用TI的電源管理芯片TPS63020設計Buck-boost型直流開關穩壓電源。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，在可調電壓范圍內輸出電流為Iomax<100mA的DC-DC電源系統。該電源系統具有輸出過流過壓保護、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。

在輕負載電流時，因為設備處于省電模式，輸出電壓通常比標稱輸出電壓高出3%。這為負載瞬態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，能夠滿足設計要求。

當單片機PWM口輸出高電平瞬間，端口電壓為3.3V，經過1K的限流電阻，三極管Q3的B極得到0.7V電壓，Q3導通，使得穩壓管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。

當單片機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，可以處于導通狀態，因此產生了電容快速放電的回路，使得MOS可以迅速關斷。

1.5 BUCK電流采樣電路

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

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行實時檢測，因采樣電壓直接輸送給單片機的ADC進行檢測，單片機內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，單片機難以檢測得到，所以要對此電壓進行運放，且運放的放大倍數應該小于：

設計中采用反向比例放大器，令R19為25K、R11為1K，則放大倍數為25倍，滿足設計要求。因此當電流為1A時，運放輸出電壓為0.5V。

電流采樣濾波，電流流經電阻R8，設計中使用的是開關電源，PWM頻率為20kHz，電流采集電路需要屏蔽比開關頻率更大的干擾進來，所以設置截止頻率小于開關頻率20K的十倍以下。在硬件設計時引入一階濾波的思路，用于濾除開關頻率。

電阻R12與C8構成一個低通濾波器。

將數據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，而單片機的采樣電壓最高為3.3V，故電壓采樣電阻比例應該小于1.5，這里取R2為100K、R5為10K，當輸入電壓為5V時，單片機檢測到的電壓是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，發射管的電壓降至1.2V時，進行3.3V供電，限流電阻為150Ω，三個紅外發射管同時工作的電流就為 48mA。設計中還增加了低功耗處理，添加了P溝道運行管線，對其供電進行控制。此外，還將紅色LED燈放在接收端做壓線提示。

1.8 電機驅動電路

本文在N20電機開關管設計的時候挑選N溝道的MOS管，并使用肖特基二極管來達成續流效果的目的，為了避免電路受損，同時還設計控制MOS管柵極產生出的反壓效應，這樣就創建出一個標準的驅動電流體系。

2? 系統軟件設計

為了使系統得到一個穩定的電能，就需要用控制器來與BUCK電路組成一個閉環控制。當控制器得到BUCK電路中的輸入電壓與電流信息后，就會對輸入功率進行計算，通過計算功率的結果來判斷怎樣更改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所需的恒定值，本文設計的恒功率控制流程如圖3所示。

3? 系統測試

3.1 無線充電接收電路測試

首先要認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計的電路圖一致，然后利用電源和滑動變阻器對無線充電的效率進行測量計算。

為了便于計算，在測試中把電源電壓調至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據，測試數據及計算結果如表1所示。

通過表1數據計算可得，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，對其進行放電測試。開始測量后觀察U2的值是否穩定在3.3V，以確定BUCK-BOOST電路的功能是否正常，經過測試后得知，U2的值穩定在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射端的電源，給小車進行無線充電并啟動小車，小車按照黑線運行;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

本設計將無線充電模塊、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。通過實驗證明小車可以實現以下功能：無線充電，通過控制無線接收端實現對超級電容恒功率充電;放電過程控制，當充電完成后能讓超級電容電壓接入BUCK-BOOST給系統供電;巡線控制，根據紅外發射接收電路檢測到的路況信息，控制左右電機使小車按照既定軌跡運動。

參考文獻：

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