電動小車無線充電系統

翟千慶，秦玉偉

（渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西 渭南 714099）

近年來，無線充電技術普遍適配于可穿戴設備、醫療器械、家庭自動化產品等領域；搭載無線充電的設備具有充電方便，避免傳統插拔電源接頭引起的安全隱患等優點。無線充電技術就是在不借助物理連接的條件下，實現電能的傳輸，為耗電裝置進行充電[1]。隨著空氣污染、石油資源匱乏等問題的日益嚴重，新能源電動汽車的發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汽車充電的主流[2-4]。

該文設計了一種基于TI 公司的MSP430F149 單片機的無線充電系統，其采用磁耦合諧振式無線充電技術，充電功率范圍大，充電距離適中，且具有一定的水平抗錯位能力，對電動小車和電動汽車無線充電具有較好的適配性。

1 系統總體設計方案

1.1 系統總體流程

該系統的控制單元采用MSP430F149 超低功耗單片機。當開始充電時，無線充電模塊的發射端將輸入恒壓為5 V 且電流不大于1 A 的直流電，其逆變后由發射線圈發送，無線充電模塊接收端的線圈將傳輸的交流電整流后儲存在超級電容中，當充電時間滿60 s 時，停止充電。系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體流程框圖

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式、磁耦合諧振式與磁場共振式3 種。電磁感應式和磁耦合諧振式是目前應用最多的傳輸方式。電磁感應傳輸技術成熟，充電效率較高，廣泛應用于手機設備，但傳輸距離較短，抗錯位能力較差。磁場共振式充電距離遠，方向性強，但充電功率較小。磁耦合諧振式技術充電功率范圍大，充電距離適中，且具有一定的抗水平錯位能力，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域具有非常廣闊的應用前景。

1.3 控制原理

該系統使用了兩塊MSP430F149 單片機，一塊用在無線充電的發射級，用來產生兩路相位互補的PWM 波，一塊用于控制小車的運動。無線充電發射電路部分首先將單片機產生的兩路相位互補的PWM波傳遞到IR2104 全橋驅動電路，用來驅動逆變電路，實現直流電到交流電的變換，再經由發射諧振線圈發射。當發射電路和接收電路位于諧振狀態，無線充電系統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換成平穩的直流電，然后將接收到的能量儲存在超級電容中[8]。

2 系統參數選擇

2.1 線圈材料、匝數、電感大小

考慮到價格、傳輸效率等因素，線圈一般選擇銅線或者鋁線，相同狀態下銅相比鋁的阻值和電導率更適合，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]，制作了一個接收線圈和一個發射線圈，分別安裝在無線充電電路的接收端和發射端。設線圈半徑為r1、r2，當發射電路通過大小為Isinωt的電流時，接收端的磁感應強度如式（1）所示：

接收端線圈的磁通量為：

通過磁通量和電動勢的關系可知，接線端線圈電勢為[10-11]：

其中，n1和n2分別是兩個線圈的匝數，d是兩個線圈之間的間隔。經計算可知，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，H是線圈高度。因此，計算得到制作的發射線圈的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，相應電能的傳輸效率將越好。但是通常在研究過程中，往往會由于各種原因的影響，使得系統不能搭載較高的諧振頻率。比如晶體管易受到開關頻率的限制，使得在高頻率運行下，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]，該系統選擇的諧振頻率是100 kHz。

2.3 諧振電容

若要使電路運行在諧振狀態下，需要給線圈并聯電容，以此來補償線圈的感抗值。根據計算得到C1=30 nF，C2=87 nF，C1、C2分別是發射和接收線圈的補償電容值。

3 系統硬件設計

3.1 MSP430F149控制電路

該系統采用MSP430F149 單片機，其具有統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，該系統選用3 V。

3.2 驅動電路

功率開關器件的驅動方式一般有兩種，分別是直接驅動和隔離驅動。隔離驅動相較直接驅動，可以將主電路與控制電路相互隔離，電路穩定性更高。IR2104 是依賴高和低側參考輸出通道的驅動器件。因此，該設計采用DIP 8 封裝的IR2104 作為逆變環節的驅動電路，如圖2 所示。

圖2 IR2104驅動電路

3.3 無線充電模塊電路

3.3.1 無線充電模塊發射電路

發射電路由IR2104 驅動模塊、逆變電路和電感線圈等組成。接入5 V 電源，轉化為12 V 后，經濾波電路傳到IR2104 驅動電路，然后進入逆變電路，最后由發射諧振線圈發射。無線充電模塊發射電路如圖3 所示。

圖3 無線充電模塊發射電路

3.3.2 無線充電模塊接收電路

接收電路由超級電容、整流電路、電感線圈等組成。當電路工作在諧振狀態時，系統達到最佳的充電效果[15-16]。因此，接收電路和發射電路之間需要產生諧振，故接收電路并聯的電容應與發射電路并聯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整流橋整流后存儲在超級電容中，當接收線圈接收不到能量后，超級電容經穩壓芯片給單片機和電機供電，以驅動小車。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 儲能元件的選擇

超級電容具有耐大電流充放電，充電速度快，能量轉換效率高，充放電過程損失能量較小，可靠性和安全性較高，壽命較長的優點[17]。因此，該設計采用超級電容作為儲能元件，當超級電容采用恒流充電時，其容量如式（5）所示：

設C是電容的最大容量，Ix是在電容充滿電的狀態下放電電流的大小，t1、t2分別是從放電開始到電容兩端電壓達到u1、u2的時間間隔，u1是起始電壓，u2是截止電壓。根據計算結果，超級電容可選擇4.5 V/10 F。

4 軟件設計

以IAR 軟件作為開發環境，采用C 語言編寫程序。系統無線充電發射部分上電之后，發射端處理器輸出兩路相位互補的脈沖波，經IR2104 驅動電路作用后加載到逆變電路。系統無線充電接收部分將接收的能量通過AC-DC 電路整流后，存儲到超級電容中，當達到MSP430F149 單片機所需的啟動電壓后，系統開始進行初始化，包括I/O 口的初始化配置、定時器的設置等。當定時到60 s 時，產生兩路持續的PWM 波，開始驅動電機轉動，循跡電路檢測到電平變化后，執行循跡子程序，直至電量不足以驅動電路工作。無線充電接收程序流程圖如圖5（a）所示，無線充電發射程序流程圖如圖5（b）所示。

圖5 無線充電接收和發射程序流程圖

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

5 實驗結果

將5 V/1 A 的電壓輸入電路中，同時用數字萬用表測量超級電容，觀測電容電壓變化；充電60 s 后，斷開電源，記錄超級電容存儲的電壓值。根據電能公式E=，求出60 s 時間里充入的電能，其中E是電能，U是電壓，C是容量。根據充入的電能計算出充電效率，多次測量后實驗數據如表1 所示。

表1 實驗數據

根據實驗數據結果可知，該系統無線充電平均效率大約為52%，實現了系統能量的高效率轉換。

6 結論

該文設計了一種基于超級電容儲能的電動小車無線充電系統，采用磁耦合諧振式傳輸技術，將5 V直流電通過無線電能傳輸系統充入超級電容中，驅動小車運動。通過多次實驗優化設計，并測試了系統的能量傳輸效率，實驗結果表明，系統達到了高效率的能量轉換。該系統為新能源汽車無線充電技術的發展提供了一定的參考。