基于超級電容儲能的無線充電循跡電動小車

朱俊杰，古瑤，陳欽旭，黃榮輝

基于超級電容儲能的無線充電循跡電動小車

朱俊杰，古瑤，陳欽旭，黃榮輝

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510000）

設(shè)計(jì)的無線充電循跡電動小車以超級電容為儲能核心，系統(tǒng)主要由MSP432P401R單片機(jī)、無線充電模塊、電容充放電模塊、自啟動模塊、自動升降壓模塊、循跡模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等組成。經(jīng)過測試，在靜態(tài)充電1 min的條件下，小車可以在給定的平地賽道上按照循跡黑線行進(jìn)約267 cm后停止；在靜態(tài)充電1 min后再給小車以動態(tài)充電，小車可以在給定的平地賽道上按照循跡黑線行進(jìn)約420 cm后停止。

超級電容；無線充電；循跡電路；MSP432P401R單片機(jī)

1 引言

由于環(huán)境問題日益突出，以電動汽車為代表的新能源汽車產(chǎn)業(yè)逐漸成為中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，但充電方式是制約著電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。有線充電中裸露在空氣中的導(dǎo)線不僅占據(jù)大量空間，還有安全隱患。與有線充電相比，無線充電方式靈活、運(yùn)輸便捷，可以安全、快速地對電動汽車進(jìn)行充電，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)充電方式在占用空間和安全性等方面的不足。因此，研究無線充電具有重要的實(shí)際意義。超級電容器相比普通的蓄電池，具有能快速充電和循環(huán)壽命較長的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)通過研究磁耦合諧振式無線充電技術(shù)原理和傳輸機(jī)制，在理論分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建系統(tǒng)總體方案框架并搭建系統(tǒng)基于超級電容的電動無線小車實(shí)物模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由MSP432P401R單片機(jī)、無線充電模塊、電容充放電模塊、自啟動模塊、自動升降壓模塊、循跡模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等組成。整個系統(tǒng)只提供一個5 V/1 A的直流穩(wěn)壓電源，無線充電模塊的發(fā)射模塊負(fù)責(zé)該系統(tǒng)中電能的傳輸，將電能傳輸至接收模塊中，接收模塊將接收到的電能儲存在超級電容中。當(dāng)直流穩(wěn)壓電源不再供給無線充電模塊電能時，超級電容會由于自啟動模塊而給自動升降壓模塊供電，自動升降壓模塊會給單片機(jī)提供穩(wěn)定的3.3 V電壓，繼而單片機(jī)控制循跡模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊，實(shí)現(xiàn)小車在給定的平地賽道（在平地上布置直徑為70 cm的圓形循跡黑線，均勻分布在圓上的A、B、C、D 點(diǎn)（直徑為4 cm的黑色圓點(diǎn)）上分別安裝無線充電模塊的發(fā)射線圈）上的循跡行駛。

2.1 無線充電模塊設(shè)計(jì)

模塊是由基于XKT-510芯片的無線發(fā)射模塊及基于T3168芯片的接收模塊構(gòu)成。使用5 V/1 A的直流電源給無線發(fā)射模塊供電，以XKT-510芯片為核心的電路將直流電變成交流電，并將交流電送到發(fā)射線圈中，當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈相互靠得很近時，接收線圈會由于電磁感應(yīng)而接收到來自發(fā)射線圈的交流電，然后通過以T3168芯片為核心的電路，最終輸出直流電[1]，為超級電容充電。

無線發(fā)射模塊由以XKT-510芯片為核心的電路系統(tǒng)搭載線圈組成。電路系統(tǒng)以XKT-510為核心，由外圍的RC濾波電路和LC振蕩電路組成。直流電源通過XKT-510芯片的自適應(yīng)控制，經(jīng)過LC振蕩回路產(chǎn)生交流電，通過線圈的電磁感應(yīng)將電能發(fā)送至接收模塊。諧振頻率計(jì)算公式為0=1/（2π/），此模塊設(shè)定頻率為200 kHz。

接收模塊由以T3168芯片為核心的電路系統(tǒng)搭載線圈組成。接收電路以T3168芯片為核心，由外圍的并聯(lián)諧振回路、整流回路和濾波電路組成。當(dāng)發(fā)射模塊的并聯(lián)諧振回路和接收模塊的并聯(lián)諧振回路均處于諧振狀態(tài)時，能量傳輸效率最大，接收線圈接收到的交流電經(jīng)由整流、濾波，最終輸出直流電。

2.2 電容充放電模塊設(shè)計(jì)

相較于普通的電容，超級電容具有超大的容量；而相較于普通的電池，超級電容具有快速充放電的功能，且充放電線路簡單，功率密度高，相當(dāng)于電池的5～10倍。在衡量小車充放電的電流、電壓需求后，決定以2個5.5 V/10 F的超級電容并聯(lián)連接的方式接入電容充放電電路，2個并聯(lián)的超級電容共同作為小車的供電電源。此外，超級電容兩端并聯(lián)1個LED，該LED作為充電指示燈，流經(jīng)LED的電流越大，LED亮度越高。

2.3 自啟動模塊設(shè)計(jì)

通過檢測接收線圈有無電壓或電流來實(shí)現(xiàn)小車的自動起步[2]。為了使電容充電效率盡可能高、損耗盡可能小，以及為了使電容電壓能充分釋放給電機(jī)，這里巧妙地利用繼電器自動回彈的特性，并且繼電器僅僅在充電時工作，大大提高工作效率。充電時接收模塊輸出直流電，繼電器的公共端（即連接超級電容的正端）與接收線圈的正極接通，實(shí)現(xiàn)了電容充電；當(dāng)接收線圈不再輸出直流電時，繼電器復(fù)位。

2.4 自動升降壓模塊設(shè)計(jì)

自動升降壓模塊采用的是以TPS63020芯片為核心的電路系統(tǒng)。以TPS63020芯片為核心的升降壓系統(tǒng)，其輸入電壓可以低至1.5 V，能夠有效利用超級電容內(nèi)部電量，其輸出電壓范圍為1.2～5.5 V內(nèi)可調(diào)，輸出電流最高可達(dá)3 A。且其具備自動切換升壓和降壓2種模式的功能[3]，當(dāng)輸入電壓高于設(shè)定的輸出電壓時實(shí)現(xiàn)降壓穩(wěn)壓輸出，在輸入電壓低于設(shè)定的輸出電壓時則自動轉(zhuǎn)換為升壓模式，以輸入電壓在有效范圍內(nèi)保證電壓的穩(wěn)定輸出。

2.5 循跡模塊設(shè)計(jì)

循跡模塊是以TCRT5000紅外反射傳感器為核心再配合其他外圍元件所構(gòu)成的。TCRT5000紅外反射傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強(qiáng)度不夠大時，紅外接收管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時模塊輸出高電平；當(dāng)紅外線被反射回來且強(qiáng)度足夠大時，紅外接收管飽和，此時模塊輸出低電平，這里輸出高低電平的臨界反射強(qiáng)度可以通過調(diào)節(jié)電位器來改變。

2.6 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動模塊采用的是DRV8835雙電機(jī)驅(qū)動模塊。該模塊可在低電壓（最低的工作電壓為2 V）下工作，而且可以通過往AIN和BIN輸出PWM波使得電機(jī)以一定速度轉(zhuǎn)動，改變PWM波的占空比還能改變電機(jī)的速度。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)主要分為兩組程序設(shè)計(jì)，一組是作為空白對照組，另一組是作為實(shí)驗(yàn)組。這兩組均是以MSP432P401R單片機(jī)作為主控。在空白對照組中，控制直流穩(wěn)壓電源開關(guān)的單片機(jī)（以下簡稱“單片機(jī)A”）在接通電源時開始計(jì)時，與此同時，由于充電線圈和自啟動電路，兩個超級電容都開始充電，單片機(jī)A使用內(nèi)部定時器計(jì)時60 s后，單片機(jī)A控制與直流穩(wěn)壓電源相連的繼電器（以下簡稱“繼電器A”）斷開以切斷無線充電模塊的電源，此時自啟動電路的輸出負(fù)載（即2個超級電容）給小車供電，小車啟動。在小車行進(jìn)的過程中，位于小車上的單片機(jī)（以下簡稱“單片機(jī)B”）采集車身前面的3個循跡模塊和后面的2個循跡模塊的DO輸出端電平狀態(tài)，從而判斷小車中軸線偏離黑線的程度，然后單片機(jī)B分別輸出占空比不同的PWM波到DRV8835雙電機(jī)驅(qū)動模塊的AIN和BIN引腳，使得左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同從而實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎。由于單片機(jī)A控制繼電器A斷開后不再使其閉合，因此小車在充電60 s后無法再次充電，它會不斷行進(jìn)直至停止，因此測得小車走過的路程1≈267 cm，約1.21個圈。而在實(shí)驗(yàn)組中，基本與空白對照組相同，略有不同的是：①單片機(jī)A在定時60 s后控制繼電器A斷開，然后再定時2 s，之后控制繼電器A閉合，4個充電線圈重新被接上電源；②在自啟動電路里的2個超級電容之間加上1個繼電器（以下簡稱繼電器B），而且在一開始的60 s充電之前控制繼電器B閉合使得2個超級電容之間是連通的；③當(dāng)車身前面的循跡模塊探測到直徑為4 cm的黑色圓形區(qū)域時（相當(dāng)于前面的3個循跡模塊的DO端都輸出高電平），單片機(jī)B控制繼電器B斷開，于是繼電器B左邊的超級電容由自啟動電路給其充電，而繼電器B右邊的超級電容放電，使得小車?yán)^續(xù)往前移動，但前進(jìn)速度有所下降，這樣做的好處是超級電容不僅能一邊充電，也能一邊放電，給小車提供前進(jìn)的動力；此外，小車的前進(jìn)速度降低能增加小車的充電時間。當(dāng)車身后面的2個循跡模塊探測到剛剛經(jīng)過的黑色圓形區(qū)域時，單片機(jī)B控制繼電器B閉合，此時2個超級電容共同給小車供電，小車前進(jìn)速度加快。由于小車再次充電的時間并不是很長，小車一定會停止前進(jìn)，因此測得小車走過的路程2≈420 cm，約1.91個圈。由此可得=2－1=（420－267）=153 cm，在忽略其他因素如繼電器關(guān)斷與閉合的能量損耗的情況下，1可近似代表靜態(tài)充電量，2可近似代表總充電量，可近似代表動態(tài)充電量，通過計(jì)算得到動態(tài)充電量與靜態(tài)充電量的比值為（153/267）cm= 0.573。因此如果越大，表示動態(tài)充電量越大，動態(tài)充電效率越高。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)基于無線充電技術(shù)，以超級電容作為儲能元件，實(shí)現(xiàn)了小車充電1 min，而后自動切斷電源，小車自行啟動，沿著黑線循跡行駛，直至停止。經(jīng)過測試，在靜態(tài)充電1 min的條件下，小車可以在平地上按照循跡黑線行進(jìn)約267 cm后停止；在靜態(tài)充電1 min后再給小車以動態(tài)充電，小車可以在平地上按照循跡黑線行進(jìn)約420 cm后停止。

［1］劉剛，鄭青玉，王德釗.一種基于電磁感應(yīng)的無線充電方法［J］.北京信息科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，28（2）：51-54.

［2］劉恒宇，宋金鑫.基于無線充電的超級電容電動小車設(shè)計(jì)［J］.產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究，2018（8）：61-62.

［3］TI推4A開關(guān)升降壓轉(zhuǎn)換器TPS63020［J］.電子制作，2010（5）：5.

TM724

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.060

2095－6835（2020）22－0138－02

朱俊杰（1999—），男，廣東江門人，本科，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕